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Indice
1 Quel che non si pu non sapere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Gli ambienti MATLAB e Octave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 I numeri reali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Come si rappresentano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.2 Come si opera con i numeri oating-point . . . . . . . 6
1.3 I numeri complessi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.4 Le matrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.1 I vettori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.5 Le funzioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5.1 Gli zeri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.5.2 I polinomi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.5.3 Lintegrale e la derivata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.6 Errare non solo umano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.6.1 Parliamo di costi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.7 Qualche parola in pi su MATLAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331.7.1 Statement MATLAB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351.7.2 Programmare in MATLAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371.7.3 Esempi di dierenze tra linguaggi MATLAB e
Octave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401.8 Cosa non vi abbiamo detto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411.9 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2 Equazioni non lineari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.1 Alcuni problemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.2 Il metodo di bisezione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462.3 Il metodo di Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.1 Come arrestare il metodo di Newton . . . . . . . . . . . . 522.4 Il metodo delle secanti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.5 I sistemi di equazioni non lineari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
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XII Indice
2.6 Iterazioni di punto sso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592.6.1 Come arrestare uniterazione di punto sso . . . . . . 65
2.7 Accelerazione con il metodo di Aitken . . . . . . . . . . . . . . . . . 662.8 Polinomi algebrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.8.1 Il metodo di Hrner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712.8.2 Il metodo di Newton-Hrner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.9 Cosa non vi abbiamo detto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 762.10 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3 Approssimazione di funzioni e di dati . . . . . . . . . . . . . . . . . 813.1 Alcuni problemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813.2 Approssimazione con i polinomi di Taylor . . . . . . . . . . . . . 833.3 Interpolazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.3.1 Interpolazione polinomiale di Lagrange . . . . . . . . . . 853.3.2 Stabilit dellinterpolazione polinomiale . . . . . . . . . 903.3.3 Interpolazione rispetto ai nodi di Chebyshev . . . . . 923.3.4 Interpolazione trigonometrica e FFT . . . . . . . . . . . . 94
3.4 Interpolazione lineare composita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 993.5 Approssimazione con funzioni spline . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1013.6 Il metodo dei minimi quadrati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1053.7 Cosa non vi abbiamo detto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1103.8 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4 Dierenziazione ed integrazione numerica . . . . . . . . . . . . . 1154.1 Alcuni problemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1154.2 Approssimazione delle derivate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1174.3 Integrazione numerica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.3.1 La formula del punto medio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1204.3.2 La formula del trapezio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1224.3.3 La formula di Simpson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4 Formule di quadratura interpolatorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1254.5 La formula di Simpson adattiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1294.6 Cosa non vi abbiamo detto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1334.7 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5 Sistemi lineari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1375.1 Alcuni problemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1375.2 Sistemi e complessit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1425.3 Il metodo di fattorizzazione LU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1445.4 La tecnica del pivoting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.4.1 Il ll-in di una matrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1575.5 Quanto accurata la risoluzione di un sistema lineare? . . 1595.6 Come risolvere un sistema tridiagonale . . . . . . . . . . . . . . . . 1635.7 Sistemi sovradeterminati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1645.8 Cosa si nasconde dietro al comando \ . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
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Indice XIII
5.9 Metodi iterativi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1695.9.1 Come costruire un metodo iterativo . . . . . . . . . . . . . 170
5.10 Il metodo di Richardson e del gradiente . . . . . . . . . . . . . . . 1755.11 Il metodo del gradiente coniugato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1785.12 Quando conviene arrestare un metodo iterativo . . . . . . . . . 1815.13 Ed ora: metodi diretti o iterativi? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1835.14 Cosa non vi abbiamo detto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1895.15 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6 Autovalori ed autovettori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1936.1 Alcuni problemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1946.2 Il metodo delle potenze. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
6.2.1 Analisi di convergenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1996.3 Generalizzazione del metodo delle potenze . . . . . . . . . . . . . 2016.4 Come calcolare lo shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2036.5 Calcolo di tutti gli autovalori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2066.6 Cosa non vi abbiamo detto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2106.7 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7 Ottimizzazione numerica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2137.1 Alcuni problemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2147.2 Ottimizzazione non vincolata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2177.3 Metodi derivative free . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
7.3.1 I metodi della sezione aurea e dellinterpolazionequadratica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
7.3.2 Il metodo di Nelder e Mead . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2247.4 Il metodo di Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2277.5 Metodi di discesa o line-search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
7.5.1 Direzioni di discesa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2297.5.2 Strategie per il calcolo del passo k . . . . . . . . . . . . . 2317.5.3 Il metodo di discesa con direzioni di Newton . . . . . 2387.5.4 Metodi di discesa con direzioni quasi-Newton . . . . 2387.5.5 Metodi di discesa del gradiente e del gradiente
coniugato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2417.6 Metodi di tipo trust region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2437.7 Il metodo dei minimi quadrati non lineari . . . . . . . . . . . . . 250
7.7.1 Il metodo di Gauss-Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2507.7.2 Il metodo di Levenberg-Marquardt . . . . . . . . . . . . . 254
7.8 Ottimizzazione vincolata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2557.8.1 Il metodo di penalizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2607.8.2 Il metodo della Lagrangiana aumentata . . . . . . . . . 266
7.9 Cosa non vi abbiamo detto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2697.10 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
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XIV Indice
8 Equazioni dierenziali ordinarie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2738.1 Alcuni problemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2738.2 Il problema di Cauchy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2768.3 I metodi di Eulero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
8.3.1 Analisi di convergenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2808.4 Il metodo di Crank-Nicolson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2848.5 Zero-stabilit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2868.6 Stabilit su intervalli illimitati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
8.6.1 La regione di assoluta stabilit . . . . . . . . . . . . . . . . . 2928.6.2 Lassoluta stabilit controlla le perturbazioni . . . . 2938.6.3 Adattivit del passo per il metodo di Eulero in
avanti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2998.7 Metodi di ordine elevato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3028.8 I metodi predictor-corrector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3078.9 Sistemi di equazioni dierenziali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3108.10 Alcuni esempi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
8.10.1 Il pendolo sferico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3178.10.2 Il problema dei tre corpi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3208.10.3 Alcuni problemi sti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
8.11 Cosa non vi abbiamo detto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3308.12 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
9 Metodi numerici per problemi ai limiti . . . . . . . . . . . . . . . . 3339.1 Alcuni problemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3349.2 Approssimazione di problemi ai limiti . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
9.2.1 Approssimazione alle dierenze nite delproblema di Poisson monodimensionale . . . . . . . . . . 337
9.2.2 Approssimazione alle dierenze nite di unproblema di diusione-trasporto a trasportodominante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
9.2.3 Approssimazione agli elementi niti del problemadi Poisson monodimensionale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
9.2.4 Approssimazione alle dierenze nite delproblema di Poisson in 2 dimensioni . . . . . . . . . . . . 345
9.2.5 Consistenza e convergenza della discretizzazionecon dierenze nite del problema di Poisson . . . . . 351
9.2.6 Approssimazione alle dierenze nitedellequazione del calore monodimensionale . . . . . . 352
9.2.7 Approssimazione ad elementi niti dellequazionedel calore monodimensionale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
9.3 Equazioni iperboliche: un problema di trasporto scalare . 3609.3.1 Metodi alle dierenze nite per la discretizzazione
dellequazione scalare iperbolica . . . . . . . . . . . . . . . . 3629.3.2 Analisi dei metodi alle dierenze nite per
lequazione scalare iperbolica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
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Indice XV
9.3.3 Discretizzazione in spazio dellequazione scalareiperbolica con elementi niti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
9.4 Lequazione delle onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3729.4.1 Discretizzazione dellequazione delle onde . . . . . . . . 374
9.5 Che cosa non vi abbiamo detto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3799.6 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
10 Soluzione degli esercizi proposti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38310.1 Capitolo 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38310.2 Capitolo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38610.3 Capitolo 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39210.4 Capitolo 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39510.5 Capitolo 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40010.6 Capitolo 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40710.7 Capitolo 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41010.8 Capitolo 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41710.9 Capitolo 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
Riferimenti bibliograci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
Indice analitico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
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