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
Una lattina di bibita a 5 °C viene tolta dal frigorifero e portata in una stanza a 25 °C. Dopo 27 min la sua temperatura è 21 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trova la costante k in min⁻¹.
T0 = 5 °CTa = 25 °CT(27) = 21 °C
k = min⁻¹
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un serbatoio contiene 200 L di acqua in cui sono disciolti 5 kg di sale. Una salamoia con 0,05 kg di sale per litro entra a 5 L/min, e la soluzione ben miscelata esce con la stessa portata. Dopo quanti minuti t il serbatoio contiene 9 kg di sale?
V = 200 Lm0 = 5 kgc = 0,05 kg/Lr = 5 L/min
t = min
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫₁4 x·ln x dx.
∫₁4 x ln x dx
I =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione delimitata da y = 0,5x2 e y = 4x.
y = 0,5x2y = 4x
A =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = ln(2x2 + 4). Trova f′(2).
f(x) = ln(2x2 + 4)x = 2
f′(2) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = 0,5x2 + 3x + 6 in x = 3 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 0,5x2 + 3x + 6x = 3
b =
7.Metodi numericiMedia
La regola dei trapezi è usata per ∫02 x³ dx. L’errore è al più (b − a)³·M/(12n²) con M = max|f″| su [0, 2]. Trova il numero minimo di strisce n che garantisce un errore inferiore a 0,0001.
f(x) = x³[a, b] = [0, 2]ε = 0,0001
n =
8.Metodi numericiDifficile
Usa il metodo di Eulero con h = 0,2 per y′ = t² + y², y(0) = 1, per stimare y3 ≈ y(0,6).
y′ = t² + y²y(0) = 1h = 0,2
y3 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: k = 0,05961 min⁻¹
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.
Rapporto delle differenze di temperatura
e−27k = -4/-20
Risolvi per k
k = ln(-20/-4)/27 = 0,05961 min⁻¹
Risposta
k = 0,05961 min⁻¹
2.Equazioni differenziali
Risposta: t = 64,38 min
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.
Risultato
m(t) = 10 + (−5)·e−t/40
Risolvi per t
e−t/40 = (10 − 9)/(10 − 5) = 0,2
t = 40·ln(5) = 64,38 min
Risposta
t = 64,38 min
3.Integrali
Risposta: I = 7,34
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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Primitiva
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Limiti
(8·ln 4 − 4) − (0 − 0,25) = 7,34
Risposta
I = 7,34
4.Integrali
Risposta: A = 42,67
Integrali definiti: ∫ₐᵇ f(x) dx è l'area con segno tra il grafico e l'asse x da a a b. Trova una primitiva F (con F′ = f) e calcola F(b) − F(a). Regola della potenza: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). L'area tra due curve è ∫(superiore − inferiore) dx.
Punti di intersezione
0,5x2 = 4x → x = 0, x = 8
Integra superiore meno inferiore
A = [2x2 − 0,1667x3]08 = 42,67
Risposta
A = 42,67
5.Derivate
Risposta: f′(2) = 0,6667
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 della catena per il logaritmo
f′(x) = 4x/(2x2 + 4)
Sostituisci
f′(2) = 8/12 = 0,6667
Risposta
f′(2) = 0,6667
6.Derivate
Risposta: b = 1,5
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(3) = 19,5
f′(x) = x + 3 → f′(3) = 6
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 19,5 − 6·3 = 1,5
Risposta
b = 1,5
7.Metodi numerici
Risposta: n = 283
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.
Maggiorazione della derivata seconda
M = 6·2 = 12
Ricava n
n² > 8·12/(12·0,0001) = 80000
n > 282,8 → n = 283
Risposta
n = 283
8.Metodi numerici
Risposta: y3 = 1,976
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.