Equazioni differenziali: esercizi svolti e metodi di risoluzione

Equazioni differenziali: esercizi svolti e metodi di risoluzione

Un’equazione differenziale è un’equazione in cui l’incognita è una funzione e compaiono le sue derivate. Sono lo strumento matematico con cui si descrivono la crescita esponenziale, i circuiti elettrici, il moto di un pendolo e decine di altri fenomeni. In questa pagina trovi la teoria essenziale, due esercizi svolti passo per passo — un’equazione a variabili separabili e una lineare del primo ordine — e l’indice di tutti gli esercizi disponibili su MatePratica.

Indice

  1. Definizione e classificazione
  2. Equazioni a variabili separabili — metodo e esercizio svolto
  3. Equazioni lineari del primo ordine — metodo e esercizio svolto
  4. Equazioni lineari del secondo ordine — metodo e esercizio svolto
  5. Applicazioni delle equazioni differenziali
  6. Domande frequenti
  7. Esercizi svolti — indice completo

Definizione e classificazione

Un’equazione differenziale ordinaria (ODE) è un’equazione della forma $F(x,\, y,\, y’,\, y”,\, \ldots,\, y^{(n)}) = 0$, dove $y = y(x)$ è la funzione incognita. L’ordine dell’equazione è l’ordine massimo di derivata che compare.

  • Ordine 1: compare al più $y’$. Esempi: $y’ = 2x$, $\;y’ + p(x)\,y = q(x)$
  • Ordine 2: compare al più $y”$. Esempio: $y” + \omega^2 y = 0$ (oscillatore armonico)

Soluzione generale e soluzione particolare. La soluzione generale contiene costanti arbitrarie ($C$, $C_1$, $C_2$, …). La soluzione particolare si ottiene imponendo condizioni iniziali, ad esempio $y(0) = 1$ oppure $y'(0) = 0$.

Per derivare in modo sicuro — prerequisito fondamentale per le ODE — consulta la pagina Derivate: regole e esercizi svolti.


Equazioni a variabili separabili

Un’equazione differenziale del primo ordine è a variabili separabili se si può scrivere nella forma:

$$y’ = f(x) \cdot g(y)$$

Il metodo di risoluzione si articola in tre passi:

  1. Separare le variabili: $\dfrac{dy}{g(y)} = f(x)\,dx$
  2. Integrare entrambi i membri
  3. Esplicitare $y$ rispetto a $x$ (quando possibile)

Esercizio svolto 1: equazione a variabili separabili

Risolvere l’equazione differenziale $y’ = 2y$

Svolgimento

Riscrivo $y’ = \dfrac{dy}{dx}$ e separo le variabili:

$$\frac{dy}{y} = 2\,dx$$

Integro entrambi i membri (l’integrale di $1/y$ è $\ln|y|$):

$$\int \frac{dy}{y} = \int 2\,dx$$

$$\ln|y| = 2x + k, \quad k \in \mathbb{R}$$

Applico l’esponenziale ad entrambi i membri per ricavare $y$:

$$|y| = e^{2x + k} = e^k \cdot e^{2x}$$

Pongo $C = \pm e^k$ (costante reale arbitraria). L’integrale generale è:

$$\boxed{y = C\,e^{2x}, \quad C \in \mathbb{R}}$$

(La soluzione $y = 0$ corrisponde a $C = 0$ ed è inclusa.)

Verifica: $y’ = 2C e^{2x} = 2\,y$ ✓

Esempio con condizione iniziale — problema di Cauchy. Se aggiungiamo $y(0) = 3$, sostituisco $x = 0$:

$$3 = C\,e^0 = C \implies C = 3$$

La soluzione particolare è $y = 3e^{2x}$.


Equazioni lineari del primo ordine

Un’equazione lineare del primo ordine ha la forma standard:

$$y’ + p(x)\,y = q(x)$$

dove $p(x)$ e $q(x)$ sono funzioni continue. Il metodo del fattore integrante $\mu(x) = e^{\int p(x)\,dx}$ trasforma il primo membro in una derivata esatta:

$$\frac{d}{dx}\bigl[\mu(x)\cdot y\bigr] = \mu(x)\cdot q(x)$$

Integrando, la formula risolutiva è:

$$y = \frac{1}{\mu(x)}\left[\int \mu(x)\,q(x)\,dx + C\right]$$

Esercizio svolto 2: equazione lineare del primo ordine

Risolvere $y’ – y = e^{2x}$

Svolgimento

Passo 1 — identifico $p(x)$ e $q(x)$. Confrontando con la forma standard $y’ + p(x)y = q(x)$:

  • $p(x) = -1$
  • $q(x) = e^{2x}$

Passo 2 — calcolo il fattore integrante.

$$\mu(x) = e^{\int p(x)\,dx} = e^{\int (-1)\,dx} = e^{-x}$$

Passo 3 — moltiplico entrambi i membri per $\mu(x) = e^{-x}$.

$$e^{-x} y’ – e^{-x} y = e^{-x} \cdot e^{2x} = e^{x}$$

Il primo membro è la derivata del prodotto $e^{-x}\,y$:

$$\frac{d}{dx}\bigl[e^{-x}\,y\bigr] = e^{x}$$

Passo 4 — integro entrambi i membri.

$$e^{-x}\,y = \int e^{x}\,dx = e^{x} + C$$

Passo 5 — esplicito $y$ dividendo per $e^{-x}$.

$$\boxed{y = e^{2x} + C\,e^{x}, \quad C \in \mathbb{R}}$$

Verifica: $y’ = 2e^{2x} + Ce^x$; $\;y’ – y = 2e^{2x} + Ce^x – e^{2x} – Ce^x = e^{2x}$ ✓


Equazioni lineari del secondo ordine a coefficienti costanti

La forma standard è:

$$a\,y” + b\,y’ + c\,y = f(x), \quad a,b,c \in \mathbb{R},\; a \neq 0$$

La soluzione si costruisce in due passi:

  1. Soluzione omogenea $y_o$. Si risolve $a\lambda^2 + b\lambda + c = 0$ (equazione caratteristica):

    • Due radici reali distinte $\lambda_1 \neq \lambda_2$: $\quad y_o = C_1 e^{\lambda_1 x} + C_2 e^{\lambda_2 x}$
    • Radice doppia $\lambda_1 = \lambda_2 = \lambda$: $\quad y_o = (C_1 + C_2 x)\,e^{\lambda x}$
    • Radici complesse coniugate $\lambda = \alpha \pm i\beta$: $\quad y_o = e^{\alpha x}(C_1 \cos\beta x + C_2 \sin\beta x)$
  2. Soluzione particolare $y_p$. Si cerca con il metodo dei coefficienti indeterminati (se $f(x)$ è un polinomio, un esponenziale o un seno/coseno) oppure con la variazione delle costanti.

La soluzione generale è $y = y_o + y_p$.

Esercizio svolto 3: equazione lineare del secondo ordine omogenea

Risolvere $y” – 5y’ + 6y = 0$

Svolgimento

Passo 1 — scrivo l’equazione caratteristica. Sostituisco $y = e^{\lambda x}$; siccome $y’ = \lambda e^{\lambda x}$ e $y” = \lambda^2 e^{\lambda x}$, il tutto diviso $e^{\lambda x} \neq 0$ dà:

$$\lambda^2 – 5\lambda + 6 = 0$$

Passo 2 — risolvo l’equazione di secondo grado.

$$\Delta = 25 – 24 = 1 > 0 \quad \Rightarrow \quad \lambda_{1,2} = \frac{5 \pm 1}{2}$$

$$\lambda_1 = 3, \quad \lambda_2 = 2$$

Passo 3 — scrivo la soluzione generale. Due radici reali distinte $\Rightarrow$ caso $\Delta > 0$:

$$\boxed{y = C_1\,e^{3x} + C_2\,e^{2x}, \quad C_1, C_2 \in \mathbb{R}}$$

Verifica: $y’ = 3C_1 e^{3x} + 2C_2 e^{2x}$; $\;y” = 9C_1 e^{3x} + 4C_2 e^{2x}$.
Sostituendo: $y” – 5y’ + 6y = (9-15+6)C_1 e^{3x} + (4-10+6)C_2 e^{2x} = 0$ ✓


Applicazioni delle equazioni differenziali

Le equazioni differenziali modellano fenomeni fisici e ingegneristici fondamentali:

  • Crescita e decadimento esponenziale: $y’ = ky$ — crescita batterica, decadimento radioattivo, interesse composto continuo. Soluzione: $y = y_0 e^{kt}$.
  • Raffreddamento di Newton: $T’ = -k(T – T_{\text{amb}})$ — equazione a variabili separabili. Descrive la temperatura di un corpo che si raffredda nell’ambiente.
  • Oscillatore armonico: $y” + \omega^2 y = 0$ — pendolo ideale, molla senza attrito. Soluzione: $y = C_1 \cos\omega t + C_2 \sin\omega t$.
  • Circuito RC: $RC\,q’ + q = \mathcal{E}$ — equazione lineare del primo ordine che descrive la carica di un condensatore.

Per lo studio di funzioni che si ottengono come soluzioni di ODE: Studio di funzione — metodo completo ed esercizi svolti →


Domande frequenti sulle equazioni differenziali

Cos’è un’equazione differenziale?
Un’equazione differenziale è un’equazione in cui compare la funzione incognita $y(x)$ e almeno una delle sue derivate ($y’$, $y”$, …). A differenza di un’equazione algebrica (dove si cerca un numero), la soluzione di un’ODE è una funzione.

Come si risolve un’equazione differenziale a variabili separabili?
Si separano i termini in $y$ da quelli in $x$: $\dfrac{dy}{g(y)} = f(x)\,dx$. Poi si integra entrambi i membri separatamente e si esplicita $y$. Se è dato un problema di Cauchy (condizione iniziale), si sostituisce per trovare la costante $C$.

Cos’è il fattore integrante e quando si usa?
Il fattore integrante $\mu(x) = e^{\int p(x)\,dx}$ si usa per risolvere equazioni lineari del primo ordine $y’ + p(x)\,y = q(x)$. Moltiplicando entrambi i membri per $\mu(x)$, il lato sinistro diventa la derivata del prodotto $(\mu\,y)’$, permettendo di integrare direttamente.

Come si risolve un’equazione differenziale lineare del secondo ordine?
Si risolve prima l’equazione omogenea associata ($f(x) = 0$) tramite l’equazione caratteristica $a\lambda^2 + b\lambda + c = 0$, ottenendo la soluzione $y_o$. Se $f(x) \neq 0$, si aggiunge una soluzione particolare $y_p$ trovata con il metodo dei coefficienti indeterminati. La soluzione generale è $y = y_o + y_p$.

Qual è la differenza tra soluzione generale e soluzione particolare?
La soluzione generale contiene costanti arbitrarie ($C$, $C_1$, $C_2$) e rappresenta tutta la famiglia di funzioni che soddisfano l’ODE. La soluzione particolare si ottiene imponendo le condizioni iniziali (problema di Cauchy) e ha costanti determinate.


Esercizi svolti — indice completo

Di seguito trovi gli esercizi sulle equazioni differenziali e gli argomenti strettamente collegati disponibili su MatePratica.

Prerequisiti fondamentali

Argomenti correlati


Argomenti precedenti nel percorso di analisi:
Derivate · Studio di funzione

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