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
xy012

Approssima ∫02 eˣ dx con la regola di Simpson, n = 2, e confrontala con il valore esatto. Trova l’errore assoluto |E| = |S − I|.

f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]n = 2
|E| =
2.Metodi numericiDifficile
00,20,40,646ty(0, 3)

Usa il metodo di Heun (Eulero migliorato) con h = 0,25 per y′ = t + y, y(0) = 3, per stimare y3 ≈ y(0,75).

y′ = t + yy(0) = 3h = 0,25
y3 =
3.Successioni e serieMedia
AΣ 2/k⁴k = 1 … ∞BΣ ln k / kk = 1 … ∞CΣ 2ᵏ/k³k = 1 … ∞DΣ 5/kk = 1 … ∞

Esattamente una delle quattro serie converge. Cliccala.

A: Σ 2/k⁴B: Σ ln k / kC: Σ 2ᵏ/k³D: Σ 5/k
  1. 1A: Σ 2/k⁴
  2. 2B: Σ ln k / k
  3. 3C: Σ 2ᵏ/k³
  4. 4D: Σ 5/k
4.Successioni e serieDifficile

f(x) = cos x è approssimata dal suo polinomio di Maclaurin di grado 3 in x = 0,2. Usa la maggiorazione di Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! con M = 1 per trovare il massimo errore possibile |R₃|.

f(x) = cos xn = 3x = 0,2M = 1
|R₃| =
5.Matrici e determinantiMedia
A =031−114−141

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

A = [0 3 1; −1 1 4; −1 4 1]
det A =
6.Matrici e determinantiDifficile
A =444−2

Trova l'autovalore maggiore λ della matrice A mostrata.

A = [4 4; 4 −2]
λ =
7.Equazioni differenzialiMedia
t (min)T (°C)28Ta​24 °C51 °C

Una tazza di caffè a 91 °C viene lasciata in una stanza a 20 °C. Dopo 28 min la sua temperatura è 24 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo dopo l’inizio, t, impiega a raggiungere 51 °C?

T0 = 91 °CTa = 20 °CT(28) = 24 °CT = 51 °C
t = min
8.Equazioni differenzialiDifficile
tyK = 2y(1) = ?

Un sistema obbedisce a y″ + 3y′ + 6,25y = 12,5 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova y(1); angoli in radianti.

y″ + 3y′ + 6,25y = 12,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =

3Soluzioni

1.Metodi numerici

Risposta: |E| = 0,03167

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 = 6,389056

Regola di Simpson

S = (1/3)·(1 + 4·2,718282 + 7,389056) = 6,420728

Errore

|E| = |6,420728 − 6,389056| = 0,03167

Risposta

|E| = 0,03167

Errore relativo: 0,4957%.

2.Metodi numerici

Risposta: y3 = 6,663

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₊₁003343,87510,253,8754,1255,406255,06640620,55,0664065,5664067,2080086,663208

Passi di Heun

y₁ = 3 + (0,25/2)(3 + 4) = 3,875
y₂ = 3,875 + (0,25/2)(4,125 + 5,40625) = 5,066406
y₃ = 5,066406 + (0,25/2)(5,566406 + 7,208008) = 6,663208
00,20,40,646ty

Grafico

y3 = 6,663

Risposta

y3 = 6,663

Il valore esatto è y(0,75) = 6,718.

3.Successioni e serie

Risposta: A: Σ 2/k⁴

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 2/k⁴ → Serie armonica generalizzata con p = 4 > 1: converge.
B: Σ ln k / k → Maggiore di 1/k per k ≥ 3: diverge per confronto con la serie armonica.
C: Σ 2ᵏ/k³ → Criterio del rapporto: L = 2 > 1, diverge.
D: Σ 5/k → Un multiplo della serie armonica (p = 1): diverge.

La risposta

A: Σ 2/k⁴

Risposta

A: Σ 2/k⁴
4.Successioni e serie

Risposta: |R₃| = 6,667 × 10⁻⁵

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.

Maggiorazione della derivata

M = 1

Maggiorazione di Lagrange

|R₃| ≤ 1·0,2⁴/4! = 6,667 × 10⁻⁵

Risposta

|R₃| = 6,667 × 10⁻⁵

L’errore vero è minore: |f(0,2) − P₃(0,2)| = 6,658 × 10⁻⁵.

5.Matrici e determinanti

Risposta: det A = −12

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 = −15, M₁₂ = 3, M₁₃ = −3

Sviluppo di Laplace

det A = 0·(−15) − 3·3 + 1·(−3) = −12

Risposta

det A = −12
6.Matrici e determinanti

Risposta: λ = 6

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 + (−24) = 0

Risolvi

λ = (2 ± √(100))/2 → λ = −4, 6
λ = 6

Risposta

λ = 6
7.Equazioni differenziali

Risposta: t = 8,067 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(71/4)/28 = 0,1027 min⁻¹

Tempo per raggiungere la temperatura desiderata

t = ln(71/31)/0,1027 = 8,067 min

Risposta

t = 8,067 min
8.Equazioni differenziali

Risposta: y(1) = 1,881

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 = 2, r = −1,5 ± 2j

Costanti dai valori iniziali

y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −1,5A + 2B = 0 → B = −1,5

Calcola

y(1) = 2·(1 − e−1,5(cos 2 + 0,75·sin 2)) = 1,881

Risposta

y(1) = 1,881

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