Metodi numerici: 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

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.

Successioni e serie

Successione aritmetica
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Successione geometrica
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Serie geometrica infinita
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
Serie armonica generalizzata
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Criterio del rapporto
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Raggio di convergenza
R = lim |ck/ck+1|
Polinomio di Taylor
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Serie di Maclaurin
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Maggiorazione di Lagrange
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Metodo

  1. Individua il tipo: aritmetica (differenza costante), geometrica (ragione costante), una serie notevole, una serie di potenze o un polinomio di Taylor.
  2. Per le somme usa Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), oppure S = a₁/(1 − r) quando |r| < 1, con a₁ il primo termine della somma.
  3. Per la convergenza: prima il criterio del termine n-esimo, poi confronta con Σ1/kᵖ o con una serie geometrica, e usa il criterio del rapporto o della radice per fattoriali e potenze k-esime.
  4. Per i polinomi di Taylor elenca f(a), f′(a), f″(a), …, dividi la derivata k-esima per k!, e maggiora l’errore con M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Matrici e determinanti

determinante 2×2
det = ad − bc
Inversa di una 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Prodotto
(AB)ij = Σk AikBkj
Autovalori
det(A − λI) = 0
Regola di Cramer
xi = det(Ai)/det(A)

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

2Esercizi

1.Metodi numericiMedia
xy00,33330,666711,3331,6672

Approssima ∫02 1/(1 + x³) dx con la regola di Simpson usando n = 6 strisce. Dai S.

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 6
S =
2.Metodi numericiDifficile
00,050,10,50,550,6ty(0, 0,5)

Esegui un passo del metodo classico di Runge–Kutta (RK4) con h = 0,1 per y′ = e−ty, y(0) = 0,5. Trova y₁ ≈ y(0,1).

y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,1
y1 =
3.Successioni e serieMedia
AΣ k!/10ᵏk = 1 … ∞BΣ (1 + 1/k)ᵏk = 1 … ∞CΣ 10ᵏ/k!k = 1 … ∞DΣ 2/kk = 1 … ∞

Esattamente una delle quattro serie converge. Cliccala.

A: Σ k!/10ᵏB: Σ (1 + 1/k)ᵏC: Σ 10ᵏ/k!D: Σ 2/k
  1. 1A: Σ k!/10ᵏ
  2. 2B: Σ (1 + 1/k)ᵏ
  3. 3C: Σ 10ᵏ/k!
  4. 4D: Σ 2/k
4.Successioni e serieDifficile

Trova il coefficiente c₂ di (x − 4)² nella serie di Taylor di f(x) = ln x attorno ad a = 4.

f(x) = ln xa = 4k = 2
c₂ =
5.Matrici e determinantiMedia
A =−52−61B =−4356

Sia C = AB per le matrici mostrate. Trova l'elemento c11 (riga 1, colonna 1).

A = [−5 2; −6 1]B = [−4 3; 5 6]
c11 =
6.Matrici e determinantiDifficile
A =36−2−5

Trova l'autovalore maggiore λ della matrice A mostrata.

A = [3 6; −2 −5]
λ =
7.Equazioni differenzialiMedia
t (min)T (°C)32Ta​85 °C156 °C

Un pezzo d’acciaio forgiato a 320 °C viene lasciato raffreddare in un’officina a 25 °C. Dopo 32 min la sua temperatura è 85 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo dopo l’inizio, t, impiega a raggiungere 156 °C?

T0 = 320 °CTa = 25 °CT(32) = 85 °CT = 156 °C
t = min
8.Equazioni differenzialiDifficile
tyy(0) = 5y(0,5) = ?

Risolvi y″ + 4y′ + 13y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = 0 (rilasciato da fermo). Trova y(0,5); angoli in radianti.

y″ + 4y′ + 13y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(0.5) =

3Soluzioni

1.Metodi numerici

Risposta: S = 1,091

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)peso001110,3333330,964286420,6666670,7714292310,5441,3333330,296703251,6666670,1776324620,1111111

Nodi e valori

h = 0,3333
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,964286 + 2·0,771429 + 4·0,5 + 2·0,296703 + 4·0,177632 + 0,111111 = 9,815044

Regola di Simpson

S = (0,3333/3)·9,815044 = 1,091

Risposta

S = 1,091

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

2.Metodi numerici

Risposta: y1 = 0,5972

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.

Quattro pendenze

k₁ = f(0, 0,5) = 1
k₂ = f(0,05, 0,55) = 0,972875
k₃ = f(0,05, 0,548644) = 0,972941
k₄ = f(0,1, 0,597294) = 0,942019

Combina

y₁ = 0,5 + (0,1/6)(1 + 2·0,972875 + 2·0,972941 + 0,942019) = 0,5972

Risposta

y1 = 0,5972
3.Successioni e serie

Risposta: C: Σ 10ᵏ/k!

Convergenza: se i termini non tendono a 0 la serie diverge (criterio del termine n-esimo). Σ1/kᵖ converge solo per p > 1, e Σrᵏ solo per |r| < 1. Confronta una serie con una di queste quando i suoi termini si comportano come loro per k grande. Criterio del rapporto: L = lim |ak+1/ak|; criterio della radice: L = lim |ak|1/k. L < 1 converge, L > 1 diverge, L = 1 non decide nulla. Una serie di potenze Σck(x − x₀)ᵏ converge per |x − x₀| < R con R = lim |ck/ck+1|; una serie a segni alterni con termini decrescenti a 0 converge.

Verifica ogni serie

A: Σ k!/10ᵏ → Criterio del rapporto: L = lim (k + 1)/10 = ∞, diverge.
B: Σ (1 + 1/k)ᵏ → I termini tendono a e, non a 0: diverge per il criterio del termine n-esimo.
C: Σ 10ᵏ/k! → Criterio del rapporto: L = lim 10/(k + 1) = 0 < 1, converge.
D: Σ 2/k → Un multiplo della serie armonica (p = 1): diverge.

La risposta

C: Σ 10ᵏ/k!

Risposta

C: Σ 10ᵏ/k!
4.Successioni e serie

Risposta: c₂ = −0,03125

Polinomi di Taylor: vicino a x = a una funzione regolare è approssimata da Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; per a = 0 questo è il polinomio di Maclaurin. Serie notevoli: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. Maggiorazione del resto di Lagrange: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, dove M è il massimo valore di |f⁽ⁿ⁺¹⁾| tra a e x.

Derivata f⁽²⁾

f⁽²⁾(x) = −1/x²

Coefficiente

c₂ = f⁽²⁾(4)/2! = −1/(4²·2) = −0,03125
c₂ = −0,03125

Risposta

c₂ = −0,03125
5.Matrici e determinanti

Risposta: c11 = 30

Matrici: il determinante di una matrice 2×2 è ad − bc. Per una 3×3 sviluppa lungo una riga: ogni elemento per il determinante della 2×2 che resta togliendo la sua riga e la sua colonna, con segni alterni + − +. Gli autovalori λ risolvono det(A − λI) = 0; per una 2×2 è λ² − (traccia)·λ + det = 0.

Riga per colonna

c11 = (−5)·(−4) + 2·5 = 30

Risposta

c11 = 30
6.Matrici e determinanti

Risposta: λ = 1

Matrici: il determinante di una matrice 2×2 è ad − bc. Per una 3×3 sviluppa lungo una riga: ogni elemento per il determinante della 2×2 che resta togliendo la sua riga e la sua colonna, con segni alterni + − +. Gli autovalori λ risolvono det(A − λI) = 0; per una 2×2 è λ² − (traccia)·λ + det = 0.

Equazione caratteristica

λ² − (−2)λ + (−3) = 0

Risolvi

λ = (−2 ± √(16))/2 → λ = −3, 1
λ = 1

Risposta

λ = 1
7.Equazioni differenziali

Risposta: t = 16,31 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.

Costante di raffreddamento

k = ln(295/60)/32 = 0,04977 min⁻¹

Tempo per raggiungere la temperatura desiderata

t = ln(295/131)/0,04977 = 16,31 min

Risposta

t = 16,31 min
8.Equazioni differenziali

Risposta: y(0.5) = 1,353

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 = −2 ± 3j

Costanti

A = 5, B = 2·5/3 = 3,333

Calcola

y(0,5) = e−1(5·cos 1,5 + 3,333·sin 1,5) = 1,353

Risposta

y(0,5) = 1,353

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