Per una radice: controlla il cambio di segno per la bisezione, oppure calcola f e f′ per Newton, e mantieni sei o più cifre in una tabella di iterate.
Per un valore di tabella: interpola linearmente tra i due punti vicini.
Per un integrale: trova h = (b − a)/n, elenca f in ogni nodo, applica i pesi (1, 2, …, 2, 1 per i trapezi; 1, 4, 2, …, 4, 1 per Simpson con n pari) e moltiplica per h/2 o h/3.
Per un’equazione differenziale: avanza da t₀ con yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Eulero) o con la pendenza media (Heun), una riga per passo, fino a raggiungere il t richiesto.
2Esercizi
1.Equazioni differenzialiMedia
Risolvi y″ + 5y′ + 4y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = -2. Trova y(0,5).
y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 2y′(0) = -2
y(0.5) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Risolvi il problema ai valori iniziali y′ + y/x = 6x per x > 0, con y(1) = 2. Trova y(2).
y′ + y/x = 6xy(1) = 2
y(2) =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫₀1 x·sin x dx (x in radianti).
∫₀1 x·sin x dx
I =
4.IntegraliDifficile
La regione tra la retta y = 6x e la parabola y = 2x² viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido.
y = 6xy = 2x²
V =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = x3·e2x. Trova f′(1,5).
f(x) = x3·e2xx = 1,5
f′(1.5) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = 3x2 − x − 3 in x = 1 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 3x2 − x − 3x = 1
b =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫01 sin x dx con la regola dei trapezi, n = 4, e confrontala con il valore esatto. Trova l’errore assoluto |E| = |T − I|.
f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]n = 4
|E| =
8.Metodi numericiDifficile
Esegui un passo del metodo classico di Runge–Kutta (RK4) con h = 0,2 per y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5. Trova y₁ ≈ y(0,2).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,2
y1 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(0.5) = 1,213
Equazioni lineari del secondo ordine: per y″ + b·y′ + c·y = 0 prova y = ert: si ottiene l’equazione caratteristica r² + b·r + c = 0. Due radici reali r₁ ≠ r₂ danno y = A·er₁t + B·er₂t (sovrasmorzato); una radice doppia r dà y = (A + Bt)·ert (smorzamento critico); radici complesse −α ± jω danno y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (sottosmorzato, oscillante). I valori iniziali y(0) e y′(0) fissano A e B. Scritta come y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn è la pulsazione naturale e ζ il coefficiente di smorzamento: con ζ < 1 si ha oscillazione. Con un ingresso costante, y″ + by′ + cy = c·K, la soluzione è il valore a regime K più la risposta libera.
Radici caratteristiche
(r + 1)(r + 4) = 0 → r = −1, −4
Costanti dai valori iniziali
A + B = 2, −1A − 4B = -2
A = 2, B = 0
Calcola
y(0,5) = 2·e−0,5 + 0·e−2 = 1,213
Risposta
y(0,5) = 1,213
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(2) = 8
Equazioni differenziali del primo ordine: dy/dt = k·y ha soluzione y = y₀·ekt (crescita per k > 0, decadimento per k < 0); un tempo di dimezzamento T dà k = ln 2/T. La legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), dà T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Un’equazione lineare y′ + p(x)·y = q(x) si risolve con il fattore integrante μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, quindi μy = ∫μq dx + C.
Fattore integrante
μ = e∫1/x dx = x1
Integra
(x1y)′ = 6x2 → x1y = 6x3/3 + C
Condizione iniziale
2 = 6/3 + C → C = 0
Calcola
y(2) = (6·23/3 + 0)/21 = 8
Risposta
y(2) = 8
3.Integrali
Risposta: I = 0,3012
Integrazione per parti: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, dalla regola del prodotto. Scegli u come il fattore che si semplifica quando lo derivi (una potenza di x, o ln x), e dv come il fattore che sai integrare (eˣ, sin x, cos x, o x quando u = ln x). Per un integrale definito, calcola u·v a entrambi gli estremi: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Un fattore x² richiede due passaggi.
Scegli u e dv
u = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x
Primitiva
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
Limiti
(−1·cos 1 + sin 1) − (0 + 0) = 0,3012
Risposta
I = 0,3012
4.Integrali
Risposta: V = 407,2
Volumi di rotazione: ruotando attorno all’asse x la regione sotto y = f(x) da x = a a x = b si ottiene un solido la cui sezione in x è un disco di raggio f(x). Sommando i dischi si ha V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Quando la regione sta tra una curva esterna R(x) e una interna r(x), ogni fetta è una rondella: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Eleva al quadrato i raggi prima di sottrarli.
Punti di intersezione
6x = 2x² → x = 0, x = 3
Metodo delle rondelle
V = π∫₀3 ((6x)² − (2x²)²) dx
Integra
V = π(36·3³/3 − 4·3⁵/5) = π·129,6 = 407,2
Risposta
V = 407,2
5.Derivate
Risposta: f′(1.5) = 271,2
Derivazione: la derivata f′(x) è la pendenza del grafico in x. Regola della potenza: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Regola del prodotto: (uv)′ = u′v + uv′. Regola della catena: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Dove f′(x) = 0 il grafico ha una tangente orizzontale: un massimo, un minimo o un punto di sella.
Regola del prodotto
f′(x) = u′v + uv′ = e2x·(3x2 + 2·x3)
Sostituisci
f′(1,5) = 20,09·(6,75 + 6,75) = 271,2
Risposta
f′(1,5) = 271,2
6.Derivate
Risposta: b = −6
Derivazione: la derivata f′(x) è la pendenza del grafico in x. Regola della potenza: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Regola del prodotto: (uv)′ = u′v + uv′. Regola della catena: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Dove f′(x) = 0 il grafico ha una tangente orizzontale: un massimo, un minimo o un punto di sella.
Punto e pendenza
f(1) = −1
f′(x) = 6x − 1 → f′(1) = 5
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −1 − 5·1 = −6
Risposta
b = −6
7.Metodi numerici
Risposta: |E| = 0,002397
Integrazione numerica: dividi [a, b] in n strisce di larghezza h = (b − a)/n con nodi x₀ … xₙ. Regola dei trapezi: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Regola di Simpson (n pari): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. L’errore dei trapezi diminuisce come h² (maggiorazione (b − a)h²·M/12 con M = max|f″|), quello di Simpson come h⁴, quindi Simpson è di solito molto più accurata a parità di nodi.
Soluzione numerica di y′ = f(t, y): il metodo di Eulero avanza lungo la pendenza all’inizio di ogni passo: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Il metodo di Heun (Eulero migliorato) fa la media della pendenza all’inizio e in una previsione di Eulero: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Il metodo classico di Runge–Kutta (RK4) combina quattro pendenze: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). L’errore globale di Eulero è proporzionale a h, quello di Heun a h², quello di RK4 a h⁴.