Equazioni differenziali: esercizi con soluzioni passo passo

Detto anche: equazioni differenziali ordinarie · problema di Cauchy

Esercizi gratuiti su Equazioni differenziali con schemi, suggerimenti e soluzioni svolte complete. Valori nuovi ogni volta, su tre livelli: crescita e decadimento esponenziale, Legge di raffreddamento di Newton, lineari del primo ordine.

Esercizio gratuitoFacile
ty1

Un sistema massa–molla–smorzatore è descritto da y″ + 4,8y′ + 4y = 0. Confrontalo con y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 e trova il coefficiente di smorzamento ζ.

y″ + 4,8y′ + 4y = 0
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Su cosa ti eserciti

  1. Facilecrescita e decadimento esponenziale
  2. MediaLegge di raffreddamento di Newton
  3. Difficilelineari del primo ordine

Formule chiave

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

Impara Equazioni differenziali da zero

Prima di questo: Derivate, Integrali

1Che cos’è un’equazione differenziale

Un’equazione differenziale collega una grandezza alla propria velocità di variazione. Descrive come qualcosa cambia, non che cos’è.

I batteri si dividono, quindi una colonia più grande cresce più in fretta. La velocità di crescita è proporzionale al numero di cellule N:

dN/dt = k · N

Qui dN/dt è la derivata di N rispetto al tempo t, e k è la costante di velocità. Con k = 0,4 h⁻¹ e N = 1000 cellule, la colonia in quel momento cresce di 400 cellule all’ora.

Risolvere l’equazione significa trovare la funzione N(t) stessa. Serve anche un valore iniziale, come N(0) = 200. Si chiama condizione iniziale.

Autoverifica Una popolazione segue dN/dt = 0,2 · N. In questo momento N = 500. Quanto velocemente cresce?
  1. 0,2 all’ora
  2. 100 all’ora
  3. 2500 all’ora
  4. 500 all’ora

Risposta: 100 all’ora. Inserisci i numeri nell’equazione: dN/dt = 0,2 · 500 = 100. Dividere 500 per 0,2 dà 2500, che usa k al contrario.

2Crescita e decadimento esponenziali

L’equazione dy/dt = k·y ha sempre la stessa soluzione, una funzione esponenziale:

y(t) = y0 · ekt

Qui y0 è il valore in t = 0. Un k positivo significa crescita. Per il decadimento l’equazione è dy/dt = −k·y e la soluzione è y = y0e−kt.

Il decadimento radioattivo viene spesso dato tramite il suo tempo di dimezzamento t½: il tempo dopo il quale resta metà della sostanza. La costante di velocità ne discende:

k = ln 2 / t½

Per trovare un tempo, prendi il logaritmo naturale di entrambi i membri:

t = ln(y / y0) / k

Per esempio, 200 cellule che crescono con k = 0,4 h⁻¹ raggiungono 1000 cellule dopo t = ln(5)/0,4 ≈ 4,02 h.

Autoverifica Una sostanza ha un tempo di dimezzamento di 10 giorni. Parti da 80 mg. Quanto ne resta dopo 20 giorni?
  1. 0 mg
  2. 20 mg
  3. 40 mg
  4. 60 mg

Risposta: 20 mg. 20 giorni sono due tempi di dimezzamento: 80 → 40 → 20 mg. 0 mg deriva dal pensare che due metà facciano l’intero; la quantità si dimezza ogni volta.

3Raffreddamento ed equazioni lineari

Legge del raffreddamento di Newton: un oggetto caldo si raffredda più in fretta quando è molto più caldo dell’ambiente. Con la temperatura ambiente Ta:

dT/dt = −k · (T − Ta) ⇒ T(t) = Ta + (T0 − Ta) · e−kt

La differenza T − Ta decade esponenzialmente, quindi la temperatura tende alla temperatura ambiente e non scende mai al di sotto.

Per trovare k da una misura, inserisci i valori noti e prendi ln: k = −ln[(T1 − Ta)/(T0 − Ta)] / t1.

Un’equazione lineare del primo ordine ha la forma y′ + p(x)·y = q(x). Moltiplicala per il fattore integrante μ:

μ = e∫p dx, (μ·y)′ = μ·q

Poi integra entrambi i membri e dividi per μ. Per p = 2/x, μ = e2 ln x = x².

Autoverifica Del tè a 90 °C viene lasciato in una stanza a 20 °C. A quale temperatura si avvicina dopo un tempo molto lungo?
  1. 0 °C
  2. 20 °C
  3. 55 °C
  4. 90 °C

Risposta: 20 °C. Il termine (T0 − Ta)e−kt tende a 0, quindi T tende a Ta = 20 °C. 0 °C sarebbe la risposta se dimenticassi la temperatura ambiente.

4Il metodo passo dopo passo

  1. Riconosci il tipo: dy/dt = ky (crescita o decadimento), raffreddamento di Newton, oppure y′ + p(x)y = q(x).
  2. Scrivi la soluzione standard per quel tipo.
  3. Usa i dati forniti per trovare le costanti: y0 dal valore iniziale, k da un tempo di dimezzamento o da una seconda misura.
  4. Rispondi alla domanda: inserisci un tempo per trovare un valore, oppure usa ln per trovare un tempo.
  5. Controlla le unità di k (h⁻¹, min⁻¹) rispetto alle unità di t.

Per un’equazione lineare: trova μ, integra (μy)′ = μq, aggiungi la costante C, poi usa la condizione iniziale per trovare C.

5Un esempio svolto

Segui ogni passaggio. Prova a prevedere il successivo prima di aprirlo.

Esempio svolto

Un tracciante radioattivo ha un tempo di dimezzamento di 8 giorni. Un campione contiene 60 mg all’inizio. Il decadimento segue dm/dt = −k·m. Quanto m resta dopo 12 giorni?

1

Riconosci il tipo

Questo è un decadimento esponenziale, quindi la soluzione è:

m(t) = m0 · e−kt, m0 = 60 mg
2

Trova k dal tempo di dimezzamento

k = ln 2 / 8 = 0,6931 / 8 = 0,08664 giorno⁻¹
3

Inserisci il tempo

k · t = 0,08664 · 12 = 1,0397
m = 60 · e−1,0397 = 60 · 0,3536 = 21,21 mg
4

Controlla il risultato

12 giorni sono 1,5 tempi di dimezzamento. Dopo 8 giorni restano 30 mg e dopo 16 giorni 15 mg, quindi 21,2 mg sta in mezzo, come previsto.

60 · 0,51,5 = 21,21 mg
tm608301615247,51221,2
Risposta

Dopo 12 giorni restano m ≈ 21,2 mg.

6Errori comuni

  • Nella legge del raffreddamento di Newton, dimenticare di sottrarre e di sommare di nuovo la temperatura ambiente Ta.
  • Usare un esponente positivo per il decadimento, così la quantità cresce invece di diminuire.
  • Usare log10 invece del logaritmo naturale ln.
  • Mescolare le unità di tempo, come k in min⁻¹ con t in ore.
  • Con un fattore integrante, moltiplicare per μ solo il membro di sinistra.
Autoverifica Un pezzo a 80 °C si raffredda in una stanza a 20 °C. A un certo istante t, e−kt = 0,5. Qual è allora la sua temperatura?
  1. 30 °C
  2. 40 °C
  3. 50 °C
  4. 60 °C

Risposta: 50 °C. T = 20 + (80 − 20) · 0,5 = 20 + 30 = 50 °C. Dimezzare direttamente 80 dà 40 °C, il che dimentica la temperatura ambiente.

7Come sono fatte le domande d’esame

  • Facile: crescita e decadimento esponenziali. Trova la quantità dopo un certo tempo, o il tempo per raggiungere una quantità, spesso partendo da un tempo di dimezzamento.
  • Medio: legge del raffreddamento di Newton. Usa una misura per trovare k, poi trova una temperatura o un tempo.
  • Difficile: un’equazione lineare del primo ordine come y′ + 2y/x = 3 con y(1) = 1. Usa il fattore integrante e trova y in un altro x.

Un controllo rapido: le risposte per decadimento e raffreddamento devono stare tra il valore iniziale e il valore finale (0, oppure la temperatura ambiente).

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Esempi svolti

Esempio 1Facile
rr² + br + c?

Per l’equazione y″ + 4y′ + 3y = 0, trova la radice r dell’equazione caratteristica più vicina a zero. Stabilisce quanto lentamente si smorza la soluzione.

y″ + 4y′ + 3y = 0

Calcola r

Mostra i suggerimenti
  1. Sostituisci y = ert.
  2. r² + 4r + 3 = 0.
  3. Scomponila oppure usa la formula risolutiva.
Mostra la risposta e la soluzione passo passo

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.

Equazione caratteristica

r² + 4r + 3 = (r + 1)(r + 3) = 0

Radici

r = −1, r = −3
più vicina a zero: r = −1

Risposta

r = −1

La soluzione generale è y = A·e−1t + B·e−3t.

Esempio 2Media
t (min)T (°C)5Ta​73 °C50 °C

Una tazza di caffè a 81 °C viene lasciata in una stanza a 21 °C. Dopo 5 min la sua temperatura è 73 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo dopo l’inizio, t, impiega a raggiungere 50 °C?

T0 = 81 °CTa = 21 °CT(5) = 73 °CT = 50 °C

Calcola t (min)

Mostra i suggerimenti
  1. Trova prima k dalla misura a t = 5 min.
  2. k = ln(60/52)/5 = 0,02862 min⁻¹.
  3. t = ln((T₀ − Tₐ)/(T − Tₐ))/k.
Mostra la risposta e la soluzione passo passo

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(60/52)/5 = 0,02862 min⁻¹

Tempo per raggiungere la temperatura desiderata

t = ln(60/29)/0,02862 = 25,4 min

Risposta

t = 25,4 min
Esempio 3Difficile
ty1y(1) = ?

Risolvi y′ + y = 4e−2t con y(0) = 4. Trova y(1).

y′ + y = 4e−2ty(0) = 4

Calcola y(1)

Mostra i suggerimenti
  1. Il fattore integrante è μ = et.
  2. (ety)′ = 4e−t → ety = 4/(−1)·e−t + C.
  3. y = −4·e−2t + C·e−t. Usa y(0) per trovare C.
Mostra la risposta e la soluzione passo passo

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.

Fattore integrante

μ = et
(ety)′ = 4e−t

Soluzione generale

y = 4/(−1)·e−2t + C·e−t = −4·e−2t + C·e−t

Condizione iniziale

4 = −4 + C → C = 8

Calcola

y(1) = −4·0,1353 + 8·0,3679 = 2,402

Risposta

y(1) = 2,402

Domande e risposte

Equazioni differenziali: di cosa si tratta?

Un’equazione differenziale collega una grandezza alla propria velocità di variazione. Descrive come qualcosa cambia, non che cos’è.

I batteri si dividono, quindi una colonia più grande cresce più in fretta. La velocità di crescita è proporzionale al numero di cellule N:

Equazioni differenziali: come si risolvono gli esercizi passo per passo?

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.

Equazioni differenziali: quali sono gli errori più comuni?
  • Questa è l’altra radice, più lontana da zero; il suo termine si smorza più in fretta.
  • r² + br + c = 0 con b e c positivi ha radici negative.
  • −b/2 è il punto medio delle radici, non una radice.
Equazioni differenziali: che cosa si esercita?
  • Facile: crescita e decadimento esponenziale
  • Media: Legge di raffreddamento di Newton
  • Difficile: lineari del primo ordine

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