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′ + 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
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
Calcola I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione tra la parabola y = 1 − x² e l'asse x.
y = 1 − x²
A =
5.DerivateMedia
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
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
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
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.
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.
Passi di Eulero
y5 = 2,214016
Valore esatto
y(1) = 2,281718
Errore globale
|E| = |2,281718 − 2,214016| = 0,0677
Grafico
Risposta
|E| = 0,0677
Dimezzare h dimezza all’incirca l’errore del metodo di Eulero.