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″ + 4y′ + 3y = 0 con y(0) = 1 e y′(0) = 0. Trova y(1).
y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(1) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un serbatoio contiene 1000 L di acqua pura. Una salamoia con 0,25 kg di sale per litro entra a 20 L/min, e la soluzione ben miscelata esce con la stessa portata. Quanto sale m c’è nel serbatoio dopo 70 min?
V = 1000 Lm0 = 0 kgc = 0,25 kg/Lr = 20 L/min
m = kg
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫₀1 x·cos x dx (x in radianti).
∫₀1 x·cos x dx
I =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione delimitata da y = 0,5x2 e y = x.
y = 0,5x2y = x
A =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = (2x − 3)5. Trova f′(1).
f(x) = (2x − 3)5x = 1
f′(1) =
6.DerivateDifficile
Sia f(x) = x3 − 7,5x2 + 18x. Trova l'ascissa x del minimo locale.
f(x) = x3 − 7,5x2 + 18x
x =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫02 e−x² dx con la regola di Simpson usando n = 2 strisce. Dai S.
f(x) = e−x²[a, b] = [0, 2]n = 2
S =
8.Metodi numericiDifficile
Risolvi y′ = −2ty, y(0) = 2 con il metodo di Eulero e passo h = 0,1 fino a t = 0,3. La soluzione esatta è y = y₀e−t². Trova l’errore globale |E| = |y(0,3) − y3|.
y′ = −2tyy(0) = 2h = 0,1
|E| =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(1) = 0,5269
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 + 3) = 0 → r = −1, −3
Costanti dai valori iniziali
A + B = 1, −1A − 3B = 0
A = 1,5, B = −0,5
Calcola
y(1) = 1,5·e−1 + (−0,5)·e−3 = 0,5269
Risposta
y(1) = 0,5269
2.Equazioni differenziali
Risposta: m = 188,4 kg
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.
Imposta l’equazione
dm/dt = 20·0,25 − (20/1000)·m = 5 − 0,02·m
Risolvi
Il fattore integrante è ert/V; la soluzione tende all’equilibrio c·V.
m(t) = 250 + (−250)·e−t/50
Sostituisci t
m(70) = 250 + (−250)·0,2466 = 188,4 kg
Risposta
m = 188,4 kg
3.Integrali
Risposta: I = 0,3818
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 = cos x dx, v = sin x
Primitiva
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Limiti
(1·sin 1 + cos 1) − (0 + 1) = 0,3818
Risposta
I = 0,3818
4.Integrali
Risposta: A = 0,6667
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 = x → x = 0, x = 2
Integra superiore meno inferiore
A = [0,5x2 − 0,1667x3]02 = 0,6667
Risposta
A = 0,6667
5.Derivate
Risposta: f′(1) = 10
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
f′(x) = 5·(2x − 3)4·2
Sostituisci
f′(1) = 5·(−1)4·2 = 10
Risposta
f′(1) = 10
6.Derivate
Risposta: x = 3
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.
Derivata
f′(x) = 3x2 − 15x + 18 = 3·(x2 − 5x + 6)
Risolvi f′(x) = 0
x = 2 oppure x = 3
Qual è quale
f″(x) = 6x − 15: negativa in un massimo, positiva in un minimo.
f″(2) = −3, f″(3) = 3
x = 3
Risposta
x = 3
7.Metodi numerici
Risposta: S = 0,8299
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.
Nodi e valori
h = 1
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,367879 + 0,0183156 = 2,489833
Regola di Simpson
S = (1/3)·2,489833 = 0,8299
Risposta
S = 0,8299
Questo integrale non ha una primitiva elementare, ed è proprio allora che serve una regola numerica.
8.Metodi numerici
Risposta: |E| = 0,05374
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
y3 = 1,8816
Valore esatto
y(0,3) = 1,827862
Errore globale
|E| = |1,827862 − 1,8816| = 0,05374
Grafico
Risposta
|E| = 0,05374
Dimezzare h dimezza all’incirca l’errore del metodo di Eulero.