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
xy12,54

Approssima ∫14 1/x dx con la regola dei trapezi, n = 2, e confrontala con il valore esatto. Trova l’errore assoluto |E| = |T − I|.

f(x) = 1/x[a, b] = [1, 4]n = 2
|E| =
2.Metodi numericiDifficile
00,10,20,30,81ty(0, 1)

Risolvi y′ = −y, y(0) = 1 con il metodo di Eulero e passo h = 0,1 fino a t = 0,3. La soluzione esatta è y = y₀e−t. Trova l’errore globale |E| = |y(0,3) − y3|.

y′ = −yy(0) = 1h = 0,1
|E| =
3.Successioni e serieMedia
xx₀ = −2??R

La serie di potenze Σk=1∞ k·4ᵏ·(x + 2)ᵏ converge in un intervallo attorno a x₀ = −2. Trova l’estremo sinistro x di quell’intervallo.

Σ k·4ᵏ·(x + 2)ᵏx₀ = −2
x =
4.Successioni e serieDifficile

Trova il coefficiente c₂ di (x − 8)² nella serie di Taylor di f(x) = ∛x attorno ad a = 8.

f(x) = ∛xa = 8k = 2
c₂ =
5.Matrici e determinantiMedia
A =−4−42−5B =−6−20−2

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

A = [−4 −4; 2 −5]B = [−6 −2; 0 −2]
c11 =
6.Matrici e determinantiDifficile
A =−2−3−53b =118

Risolvi il sistema −2x − 3y = 11 e −5x + 3y = 8. Trova x.

−2x − 3y = 11−5x + 3y = 8
x =
7.Equazioni differenzialiMedia
tyy(0) = 5y(1,5) = ?

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

y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(1.5) =
8.Equazioni differenzialiDifficile
t (min)m (kg)70 minm = ?

Un serbatoio contiene 200 L di acqua in cui sono disciolti 5 kg di sale. Una salamoia con 0,25 kg di sale per litro entra a 5 L/min, e la soluzione ben miscelata esce con la stessa portata. Quanto sale m c’è nel serbatoio dopo 70 min?

V = 200 Lm0 = 5 kgc = 0,25 kg/Lr = 5 L/min
m = kg

3Soluzioni

1.Metodi numerici

Risposta: |E| = 0,1512

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.

Valore esatto

I = 1,386294

Regola dei trapezi

T = (1,5/2)·(1 + 2·0,4 + 0,25) = 1,5375

Errore

|E| = |1,5375 − 1,386294| = 0,1512

Risposta

|E| = 0,1512

Errore relativo: 10,91%.

2.Metodi numerici

Risposta: |E| = 0,01182

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₊₁001−10,910,10,9−0,90,8120,20,81−0,810,729

Passi di Eulero

y3 = 0,729

Valore esatto

y(0,3) = 0,740818

Errore globale

|E| = |0,740818 − 0,729| = 0,01182
00,10,20,30,81ty

Grafico

Risposta

|E| = 0,01182

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

3.Successioni e serie

Risposta: x = −2,25

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.

Coefficienti

ck/ck+1 = (1/4)·(k/(k + 1)) → 1/4

Raggio

R = 0,25

Intervallo

−2,25 < x < −1,75
x = −2,25

Risposta

x = −2,25

Il criterio del rapporto non dice nulla nei due estremi; vanno verificati separatamente.

4.Successioni e serie

Risposta: c₂ = −0,003472

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) = −0,2222·x1/3 − 2

Coefficiente

c₂ = −0,2222·81/3 − 2/2! = −0,003472
c₂ = −0,003472

Risposta

c₂ = −0,003472
5.Matrici e determinanti

Risposta: c11 = 24

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 = (−4)·(−6) + (−4)·0 = 24

Risposta

c11 = 24
6.Matrici e determinanti

Risposta: x = −2,714

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.

Determinante della matrice dei coefficienti

det A = (−2)·3 − (−3)·(−5) = −21

Sostituisci la colonna di x

det Aₓ = 11·3 − (−3)·8 = 57
x = 57/(−21) = −2,714

Risposta

x = −2,714
y = −1,857
7.Equazioni differenziali

Risposta: y(1.5) = 1,394

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 + 5) = 0 → r = −1, −5

Costanti dai valori iniziali

A + B = 5, −1A − 5B = 0
A = 6,25, B = −1,25

Calcola

y(1,5) = 6,25·e−1,5 + (−1,25)·e−7,5 = 1,394

Risposta

y(1,5) = 1,394
8.Equazioni differenziali

Risposta: m = 42,18 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 = 5·0,25 − (5/200)·m = 1,25 − 0,025·m

Risolvi

Il fattore integrante è ert/V; la soluzione tende all’equilibrio c·V.

m(t) = 50 + (−45)·e−t/40

Sostituisci t

m(70) = 50 + (−45)·0,1738 = 42,18 kg

Risposta

m = 42,18 kg

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