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
t (s)02468v (m/s)659913

La velocità di un veicolo è misurata ogni 2 s (tabella). Stima lo spazio s percorso da t = 0 a t = 8 s con la regola dei trapezi.

h = 2 sn = 4
s = m
2.Metodi numericiDifficile
00,5111,522,5ty(0, 1)

Risolvi y′ = y − t², y(0) = 1 con il metodo di Eulero e passo h = 0,25 fino a t = 1. La soluzione esatta è y = t² + 2t + 2 + (y₀ − 2)eᵗ. Trova l’errore globale |E| = |y(1) − y4|.

y′ = y − t²y(0) = 1h = 0,25
|E| =
3.Successioni e serieMedia
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Applica il criterio del rapporto a Σk=1∞ (k!)²·5ᵏ/(2k)!. Trova L = lim |ak+1/ak|.

ak = (k!)²·5ᵏ/(2k)!
L =
4.Successioni e serieDifficile
xyfP₂0,4

Usa il polinomio di Maclaurin di grado 2 di f(x) = 1/(1 − x) per approssimare f(0,4). Dai P₂(0,4).

f(x) = 1/(1 − x)n = 2x = 0,4
P₂(0.4) =
5.Matrici e determinantiMedia
A =310−3−34−15−3

Trova il determinante det A della matrice 3×3 A mostrata.

A = [3 1 0; −3 −3 4; −1 5 −3]
det A =
6.Matrici e determinantiDifficile
A =−5−3−5−2b =−8−12

Risolvi il sistema −5x − 3y = −8 e −5x − 2y = −12. Trova x.

−5x − 3y = −8−5x − 2y = −12
x =
7.Equazioni differenzialiMedia
t (min)T (°C)26Ta​19 °C13 °C

Una lattina di bibita a 4 °C viene tolta dal frigorifero e portata in una stanza a 23 °C. Dopo 26 min la sua temperatura è 19 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo dopo l’inizio, t, impiega a raggiungere 13 °C?

T0 = 4 °CTa = 23 °CT(26) = 19 °CT = 13 °C
t = min
8.Equazioni differenzialiDifficile
tyK = 1y(0,5) = ?

Un sistema obbedisce a y″ + 2y′ + 10y = 10 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova y(0,5); angoli in radianti.

y″ + 2y′ + 10y = 10y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.5) =

3Soluzioni

1.Metodi numerici

Risposta: s = 65 m

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.

Somma pesata

6 + 2·5 + 2·9 + 2·9 + 13 = 65

Regola dei trapezi

s = (2/2)·65 = 65 m

Risposta

s = 65 m
2.Metodi numerici

Risposta: |E| = 0,08348

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₊₁00111,2510,251,251,18751,54687520,51,5468751,2968751,87109430,751,8710941,3085942,198242

Passi di Eulero

y4 = 2,198242

Valore esatto

y(1) = 2,281718

Errore globale

|E| = |2,281718 − 2,198242| = 0,08348
00,5111,522,5ty

Grafico

Risposta

|E| = 0,08348

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

3.Successioni e serie

Risposta: L = 1,25

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.

Rapporto di termini consecutivi

|ak+1/ak| = 5·(k + 1)²/((2k + 2)(2k + 1)) → 5/4

Conclusione

L = 1,25 > 1

Risposta

L = 1,25

L > 1, quindi la serie diverge.

4.Successioni e serie

Risposta: P₂(0.4) = 1,56

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.

Polinomio di Maclaurin

P₂(x) = 1 + x + x²

Sostituisci

P₂(0,4) = 1 + 0,4 + 0,16 = 1,56

Risposta

P₂(0,4) = 1,56

Il valore esatto è f(0,4) = 1,666667; l’errore 0,106667 diminuisce se prendi più termini o un punto più vicino a 0.

5.Matrici e determinanti

Risposta: det A = −46

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.

Minori 2×2 della prima riga

M₁₁ = −11, M₁₂ = 13, M₁₃ = −18

Sviluppo di Laplace

det A = 3·(−11) − 1·13 + 0·(−18) = −46

Risposta

det A = −46
6.Matrici e determinanti

Risposta: x = 4

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 = (−5)·(−2) − (−3)·(−5) = −5

Sostituisci la colonna di x

det Aₓ = (−8)·(−2) − (−3)·(−12) = −20
x = −20/(−5) = 4

Risposta

x = 4
y = −4
7.Equazioni differenziali

Risposta: t = 10,71 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(-19/-4)/26 = 0,05993 min⁻¹

Tempo per raggiungere la temperatura desiderata

t = ln(-19/(−10))/0,05993 = 10,71 min

Risposta

t = 10,71 min
8.Equazioni differenziali

Risposta: y(0.5) = 0,7554

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.

Valore a regime e radici

yss = 1, r = −1 ± 3j

Costanti dai valori iniziali

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1A + 3B = 0 → B = −0,3333

Calcola

y(0,5) = 1·(1 − e−0,5(cos 1,5 + 0,3333·sin 1,5)) = 0,7554

Risposta

y(0,5) = 0,7554

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