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
t (min)T (°C)20Ta​T = ?

Una lattina di bibita a 3 °C viene tolta dal frigorifero e portata in una stanza a 30 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Con k = 0,03 min⁻¹, trova la sua temperatura T dopo 20 min.

T0 = 3 °CTa = 30 °Ck = 0,03 min⁻¹t = 20 min
T = °C
2.Equazioni differenzialiDifficile
tyy(0) = 1y(0,5) = ?

Risolvi y″ + 3y′ + 6,25y = 0 con y(0) = 1 e y′(0) = 0 (rilasciato da fermo). Trova y(0,5); angoli in radianti.

y″ + 3y′ + 6,25y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(0.5) =
3.IntegraliMedia
xy16y = x ln x

Calcola I = ∫₁6 x·ln x dx.

∫₁6 x ln x dx
I =
4.IntegraliDifficile
xy−22

Trova l'area A della regione tra la parabola y = 4 − x² e l'asse x.

y = 4 − x²
A =
5.DerivateMedia
xyx = −2

Sia f(x) = ln(2x2 + 4). Trova f′(−2).

f(x) = ln(2x2 + 4)x = −2
f′(−2) =
6.DerivateDifficile
xyx = −2

La retta tangente a f(x) = 0,5x2 − 5 in x = −2 interseca l'asse y in y = b. Trova b.

f(x) = 0,5x2 − 5x = −2
b =
7.Metodi numericiMedia
xy00,250,50,751

Approssima ∫01 √(1 + x³) dx con la regola di Simpson usando n = 4 strisce. Dai S.

f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 1]n = 4
S =
8.Metodi numericiDifficile
00,20,40,612ty(0, 1)

Usa il metodo di Heun (Eulero migliorato) 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: T = 15,18 °C

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.

Soluzione della legge di raffreddamento

T(t) = 30 + (−27)·e−0,03t

Sostituisci t

T(20) = 30 + (−27)·0,5488 = 15,18 °C

Risposta

T = 15,18 °C
2.Equazioni differenziali

Risposta: y(0.5) = 0,5533

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 complesse

r = −1,5 ± 2j

Costanti

A = 1, B = 1,5·1/2 = 0,75

Calcola

y(0,5) = e−0,75(1·cos 1 + 0,75·sin 1) = 0,5533

Risposta

y(0,5) = 0,5533
3.Integrali

Risposta: I = 23,5

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

(18·ln 6 − 9) − (0 − 0,25) = 23,5

Risposta

I = 23,5
4.Integrali

Risposta: A = 10,67

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.

Zeri

4 − x² = 0 → x = ±2

Integra

A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67

Risposta

A = 10,67
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 = −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(−2) = −3
f′(x) = x → f′(−2) = −2

Retta tangente in x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −3 − (−2)·(−2) = −7

Risposta

b = −7
7.Metodi numerici

Risposta: S = 1,111

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)peso001110,251,007782420,51,06066230,751,1924244411,4142141

Nodi e valori

h = 0,25
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·1,007782 + 2·1,06066 + 4·1,192424 + 1,414214 = 13,336359

Regola di Simpson

S = (0,25/3)·13,336359 = 1,111

Risposta

S = 1,111

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

8.Metodi numerici

Risposta: y3 = 2,51

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.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁00111,481,24810,21,2481,5975042,6170591,66945620,41,6694562,9470845,4625082,510415

Passi di Heun

y₁ = 1 + (0,2/2)(1 + 1,48) = 1,248
y₂ = 1,248 + (0,2/2)(1,597504 + 2,617059) = 1,669456
y₃ = 1,669456 + (0,2/2)(2,947084 + 5,462508) = 2,510415
00,20,40,612ty

Grafico

y3 = 2,51

Risposta

y3 = 2,51

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