Equazioni differenziali: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 8 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Equazioni differenziali

Crescita/decadimento esponenziale
dy/dt = ky → y = y0ekt
Tempo di dimezzamento
k = ln 2 / t½
Legge di raffreddamento di Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Fattore integrante
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Serbatoio di miscelazione
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Integrali

Regola della potenza
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Integrale definito
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Integrali fondamentali
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Area tra due curve
∫ab (f − g) dx

Metodo

  1. Riscrivi, dove possibile, la funzione integranda come somma di termini semplici.
  2. Applica la regola della potenza: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), e gli integrali notevoli per ex, 1/x, sin e cos.
  3. Usa la sostituzione quando vedi insieme una funzione e la sua derivata.
  4. Per un integrale definito calcola F(b) − F(a).

Derivate

Regola della potenza
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Regola del prodotto
(uv)′ = u′v + uv′
Regola del quoziente
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Regola della catena
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Derivate fondamentali
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Metodo

  1. Identifica la struttura: somma, prodotto, quoziente o composizione.
  2. Applica la regola della potenza a ogni potenza di x.
  3. Usa la regola del prodotto, del quoziente o della catena dove serve.
  4. Semplifica e, se richiesto, calcola il valore nel punto.

Metodi numerici

Bisezione
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Interpolazione lineare
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Regola dei trapezi
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Regola di Simpson (n pari)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Maggiorazione dell’errore dei trapezi
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Eulero
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Metodo

  1. 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.
  2. Per un valore di tabella: interpola linearmente tra i due punti vicini.
  3. 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.
  4. 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
tyy(0) = 1y(1,5) = ?

Risolvi y″ + 5y′ + 6y = 0 con y(0) = 1 e y′(0) = 4. Trova y(1,5).

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 1y′(0) = 4
y(1.5) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
t (min)m (kg)t = ?31 kg

Un serbatoio contiene 200 L di acqua in cui sono disciolti 10 kg di sale. Una salamoia con 0,2 kg di sale per litro entra a 20 L/min, e la soluzione ben miscelata esce con la stessa portata. Dopo quanti minuti t il serbatoio contiene 31 kg di sale?

V = 200 Lm0 = 10 kgc = 0,2 kg/Lr = 20 L/min
t = min
3.IntegraliMedia
xy01

Calcola I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
4.IntegraliDifficile
xy−11

Trova l'area A della regione tra la parabola y = 1 − x² e l'asse x.

y = 1 − x²
A =
5.DerivateMedia
xyx = 1,5

Sia f(x) = x·sin(x), con x in radianti. Trova f′(1,5).

f(x) = x·sin(x)x = 1,5 rad
f′(1.5) =
6.DerivateDifficile
xyx = −1

La retta tangente a f(x) = x2 + 3x − 6 in x = −1 interseca l'asse y in y = b. Trova b.

f(x) = x2 + 3x − 6x = −1
b =
7.Metodi numericiMedia
xy00,250,50,751

Approssima ∫01 e−x² dx con la regola di Simpson usando n = 4 strisce. Dai S.

f(x) = e−x²[a, b] = [0, 1]n = 4
S =
8.Metodi numericiDifficile
00,5111,522,5ty(0, 1)

Risolvi y′ = y − t², y(0) = 1 con il metodo di Eulero e passo h = 0,2 fino a t = 1. La soluzione esatta è y = t² + 2t + 2 + (y₀ − 2)eᵗ. Trova l’errore globale |E| = |y(1) − y5|.

y′ = y − t²y(0) = 1h = 0,2
|E| =

3Soluzioni

1.Equazioni differenziali

Risposta: y(1.5) = 0,2819

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 + 2)(r + 3) = 0 → r = −2, −3

Costanti dai valori iniziali

A + B = 1, −2A − 3B = 4
A = 7, B = −6

Calcola

y(1,5) = 7·e−3 + (−6)·e−4,5 = 0,2819

Risposta

y(1,5) = 0,2819
2.Equazioni differenziali

Risposta: t = 12,04 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) = 40 + (−30)·e−t/10

Risolvi per t

e−t/10 = (40 − 31)/(40 − 10) = 0,3
t = 10·ln(3,333) = 12,04 min

Risposta

t = 12,04 min
3.Integrali

Risposta: I = 2,333

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.

Sostituzione

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u2 du

Integra e valuta

I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2,333

Risposta

I = 2,333
4.Integrali

Risposta: A = 1,333

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.

Zeri

1 − x² = 0 → x = ±1

Integra

A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333

Risposta

A = 1,333
5.Derivate

Risposta: f′(1.5) = 1,104

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 e della catena

f′(x) = sin(x) + x·cos(x)

Sostituisci

f′(1,5) = 0,9975 + 1,5·0,07074 = 1,104

Risposta

f′(1,5) = 1,104
6.Derivate

Risposta: b = −7

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) = −8
f′(x) = 2x + 3 → f′(−1) = 1

Retta tangente in x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −8 − 1·(−1) = −7

Risposta

b = −7
7.Metodi numerici

Risposta: S = 0,7469

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.

ixᵢf(xᵢ)peso001110,250,939413420,50,778801230,750,5697834410,3678791

Nodi e valori

h = 0,25
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,939413 + 2·0,778801 + 4·0,569783 + 0,367879 = 8,962265

Regola di Simpson

S = (0,25/3)·8,962265 = 0,7469

Risposta

S = 0,7469

Questo integrale non ha una primitiva elementare, ed è proprio allora che serve una regola numerica.

8.Metodi numerici

Risposta: |E| = 0,0677

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁00111,210,21,21,161,43220,41,4321,2721,686430,61,68641,32641,9516840,81,951681,311682,214016

Passi di Eulero

y5 = 2,214016

Valore esatto

y(1) = 2,281718

Errore globale

|E| = |2,281718 − 2,214016| = 0,0677
00,5111,522,5ty

Grafico

Risposta

|E| = 0,0677

Dimezzare h dimezza all’incirca l’errore del metodo di Eulero.

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