x - Macroarea di Scienze
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Richiami di Matematica Nelle pagine successive sono riportate alcune concetti o formule matematiche indispensabili per seguire il corso. Mi aspetto che vi andiate a riguardare le operazioni ed i metodi che saranno NECESSARI per la comprensione degli argomenti che tratteremo. Regole fondamentali dell’algebra=> Moltiplicazione , divisione e addizione algebriche ( da riguardare da soli) Potenze Logaritmi Equazioni lineari Fattorizzazioni Equazioni di secondo grado Equazioni di curve famose Un po’ di geometria euclidea TRIGONOMETRIA!!!!! Derivate ed integrali Potenze Potenza : xm Casi particolari: x=base m=esponenziale x0=1, x1=x Basi particolari: x=10 => 10m x=e => em dove e, detto numero di Eulero, è un numero costante irrazionale pari a: e=2,71828 18284 59045 23536 02874 71352…… Operazioni tra potenze: Moltiplicazione di due potenze con stessa base: Divisione tra due potenze con la stessa base: Una potenza che ha per esponente una frazione è pari ad una radice come segue: In particolare: Potenza di potenza: x1/ 2 x x n x m x n m xn n m x xm xn / m m xn x1/ 3 3 x x n m x n m Logaritmi Il logaritmo è l’operazione inversa della potenza. x a y “il logaritmo y è l’esponente da dare ad a per ottenere x” y log a x argomento base Affinchè il logaritmo sia definito si deve avere: a1 ed x>0 Basi particolari: x=10 (base comune) => 10m x=e (base naturale) => em Proprietà dei logaritmi: log a a 1 log a 1 0 log a ab b log c (ab) log c a log c b a loga x log a a x x a log c log c a log c b b 1 log a log a b b log b x log a x log b a log c a n n log c a Funzioni esponenziale e logaritmo Funzione logaritmo f(x)=logbx Funzione esponenziale f(x)=ex la funzione esponenziale è l’elevamento a potenza con base e ex e e 1 La Funzione logaritmo è definita sulla semiretta positiva cioè l'insieme entro cui variano i valori delle x, è compreso nei valori tra (0,+∞), mentre l’insieme in cui variano i valori delle y, è (-∞,+ ∞). x Per la funzione esponenziale, l'insieme entro cui variano i valori delle x, è compreso nei valori tra (- ∞,+∞), mentre il valore dell’esponenziale varia tra (0,+∞). Equazioni Lineari (1) y mx b L’equazione lineare ha la forma generale: dove m e b sono costanti Sul piano cartesiano xy l’equazione rappresenta una retta b= intercetta della retta (il punto lungo l’asse y in cui la retta interseca l’asse stesso) y m= pendenza della retta (coefficiente angolare) (x1 ,y1 ) Definiti due punti qualsiasi, (x1,y1), (x2,y2) lungo la retta il coefficiente angolare è dato da: y2 y1 y m x2 x1 x (x2 ,y2 ) y x (0,b) Coefficiente angolare x NB: m è anche uguale alla tangente dell’angolo che la retta forma con l’asse delle x Equazioni Lineari (2) II y mx b La retta ha una pendenza positiva (I e III quadrante) y2 y1 m 0 y2 y1 x2 x1 y2 y1 m 0 x2 x1 2 1 m=0 b>0 2 I 1 1 m>0 b>0 m e b possono essere positivi , negativi o nulli: y2 y1 m 0 x2 x1 y 2 x m=0 b<0 m>0 b<0 III La retta è parallela all’asse delle x (I e II quadrante o III e IV quadrante) La retta ha una pendenza negativa (II e IV quadrante) m<0 b>0 IV Fattorizzazione di un’equazione ed equazioni di secondo grado Fattor comune: ax+by+cz= a(x+y+z) Quadrato perfetto: a2+2ab+b2=(a+b)2 Differenza di quadrati: a2-b2=(a-b)(a+b) ax2 +bx+c=0 Equazioni di secondo grado: dove a b e c sono i coefficienti (fattori numerici ) ed x è la grandezza incognita Le Soluzione dell’equazione di secondo grado sono: b b 2 4ac x 2a Affinchè le soluzioni siano reali il termine sotto radice (determinante) deve essere positivo o nullo. b2 4ac 0 b2 4ac Nel caso particolare di determinante nullo le due soluzioni sono coincidenti. (cioè vi è un’unica soluzione.) x b 2a Alcune equazioni “famose” Equazione di una retta: y y mx b x y Equazione di una circonferenza di raggio R e centrata nell’origine del sistema cartesiano xy x2 y 2 R2 R x y Equazione di un’ellisse centrata nell’origine a= semiasse maggiore b= semiasse minore Equazione di una parabola il cui vertice si trova in y=b. 2 2 x y 2 1 2 a b y ax b 2 b a y y a>0 b a<0 x b Se a>0 la parabola è convessa Se a<0 la parabola è concava Equazione di un’iperbole equilatera x xy costante x y x Concetti di base Teorema di Pitagora: c= ipotenusa a=cateto maggiore b=cateto minore c a b 2 c 2 b a La distanza d tra due punti di coordinate (x1,y1) ed (x2,y2) si ottiene applicando il teorema di pitagora: y d x 2 y 2 x2 x1 y2 y1 2 2 d (x2 ,y2 ) y (x1 ,y1 ) x x Se una retta interseca due rette parallele, con esse individua coppie di angoli alterni interni e coppie di angoli corrispondenti uguali tra loro e angoli interni da una stessa parte la cui somma è pari a 180° Trigonometria 1°Teorema In un triangolo rettangolo, la misura di un cateto è uguale al prodotto della misura dell’ipotenusa per il coseno dell’angolo adiacente oppure per il seno dell’angolo opposto. x r cos y r sin x cos r y sin r 2° Teorema In un triangolo rettangolo, la misura di un cateto è uguale a quella dell’altro cateto moltiplicato per la tangente dell’angolo opposto al primo, o per la cotangente dell’angolo adiacente. y P = (x,y) sin yx cos y x tg r x cos xy sin x y cotg y x Funzioni trigonometriche Le funzioni trigonometriche (sin, cos, tan, cotan, …) sono funzioni periodiche, cioè che dopo un determinato periodo si ripetono identiche a loro stesse; per le funzioni seno e coseno il periodio è pari a 2 (360°), per la tangente e la cotangente il periodo è pari a y y tan x y cosx y sinx y x /2 -/2 0 -1≤ sinx ≤1 -1 ≤ cosx ≤ 1 1 x cosx sinx tanx Periodo Periodo -∞<tanx<∞ x Identità trigonometriche a c cos c b c sin b a sin 2 cos 2 1 sin( ) sin cos cos sin sin 2 2 sin cos cos( ) cos cos sin sin cos 2 cos 2 sin 2 1 1 sin sin 2 sin cos 2 2 sin 2 2 cos 2 2 1 1 cos 1 cos 2 sin 2 2 2 1 1 cos 2 tan 2 tan 2 2 tan 1 tan 2 1 cos 1 cos 1 1 cos cos 2 cos cos 2 2 1 1 cos cos 2 sin sin 2 2 tan 2 2 tan 1 tan 2 Radiante Il radiante (generalmente indicato rad) è un numero puro ed è l'unità di misura degli angoli del SI. Tale misura rappresenta il rapporto tra la lunghezza l di un arco di circonferenza spazzato dall'angolo , e la lunghezza del raggio r di tale circonferenza. rad l r rad (l r ) 1 rad Se consideriamo una circonferenza di raggio unitario (r=1) avremo che: •L’angolo giro (360°), poiché sottende l’intera circonferenza (lunga 2) misura 2 rad •L’angolo piatto (180°), poiché sottende una semicirconferenza (lunga ), vale rad In generale, un angolo di x gradi, x°, sottende x/360 di circonferenza e quindi misura: 2 Conversione x ( rad) x rad x ( rad) x rad 360 180 gradi-radianti Conversione 180 ( rad) x x radianti-gradi Incertezza sperimentale e cifre significative La fisica è una scienza sperimentale e le misure e l’incertezza con cui vengono effettuate sono il fulcro di ogni esperimento. Le misure possono essere dirette o indirette e vengono sempre espresse mediante un numero seguito dall’errore e dall’unità di misura 1) 2) Misure dirette : la grandezza viene confrontata con campioni multipli (o sottomultipli) dell’unità fondamentale (es: misura della lunghezza di un tavolo mediante un righello tarato) Misure indirette: la grandezza è legata ad altre grandezze che possono essere misurate direttamente ( es: volume di un parallelepipedo che si può ottenere a partire dalla misura diretta dei suoi lati) Se la misura di una stessa grandezza viene ripetuta più volte in genere si otterranno valori diversi anche se molto vicini tra loro => errore sperimentale (che può essere sistematico o casuale) Se la misura è eseguita con strumenti tarati ( come di solito avviene), alla misura stessa sarà associato un’incertezza che sarà pari alla minima variazione che lo strumento stesso riesce a definire Es: misurando un tavolo con un metro di legno che ha una sensibilità di 1 cm ( tra due tacche consecutive sullo strumento c’è la distanza di 1 cm) la misura effettuata non potrà avere una precisione maggiore del centimetro => Ltavolo = 1,50 m ±0.01m L’errore sulla misura stabilisce il numero di cifre significative che si possono garantire come esatte (approfondimento sulle cifre significative durante la prossima lezione di esercitazioni) Analisi Dimensionale(1) L’analisi dimensionale è uno strumento “teorico” di controllo della correttezza “dimensionale” delle formule che mettono in relazioni varie grandezze fisiche e di supporto nell’individuazione delle dimensioni e delle unità di misura corrette dei termini che compaiono in una formula. L’analisi dimensionale si basa sulle seguenti osservazioni: Ogni grandezza fisica ha una sua “dimensione”, cioè può essere espressa come una ben precisa combinazione delle grandezze fisiche fondamentali [T],[M] ed [L] Le dimensioni delle varie grandezze fisiche che compaiono in una relazione matematica devono rispettare alcune regole formali affinché la formula stessa abbia una propria coerenza.(prossima trasparenza) È possibile definire delle quantità adimensionali ( senza dimensioni ), che si possono ottenere come rapporto tra due quantità fisiche che hanno la stessa dimensione. Una quantità adimensionale non ha bisogno di unità di misura, e viene detta numero puro Es: Il coefficiente di attrito dinamico μd per un corpo che striscia su una superficie scabra è dato dal rapporto tra la forza di attrito dinamico Fa subita dal corpo e la componente N della forza esercitata dal corpo sulla superficie, in direzione perpendicolare al corpo stesso: 2 0 0 0 a d d 2 F N M LT M LT M L T Poichè numeratore e denominatore ( entrambi forze) hanno la stessa dimensione, il coefficiente di attrito dinamico è adimensionale Analisi dimensionale (2) Regole formali dell’analisi dimensionale : Le dimensioni di un prodotto tra grandezze fisiche si ottengono facendo il prodotto delle dimensioni dei singoli fattori. L’analogo vale anche per le dimensioni del rapporto; v v L LT 1 T s t Tutte le grandezze che compaiono in una somma o in una differenza devono avere le stesse dimensioni; s t L T Il primo membro di un’uguaglianza deve avere le stesse dimensioni del secondo membro; es: sia v una velocità, t un tempo, affinché la grandezza x possa essere: la dimensione di x deve essere quella di una lunghezza, infatti [x]=[v][t] => x=vt [v][t]=[L][T]-1[T]1=[L] L’argomento di una funzione trascendente (es. sin, cos, log, exp) deve essere un numero puro; e t t 1 T Il risultato di una funzione trascendente è un numero puro. Analisi dimensionale (3) Quindi quando si fa l’analisi dimensionale di un’equazione bisogna 1) Assegnare a ciascun simbolo che compare nell’equazione una dimensione in accordo con la natura della grandezza che esso misura 2) Moltiplicare o dividere le dimensioni secondo la medesima algebra valida per i valori numerici 3) Accertarsi che le dimensioni che così risultano per ciascun termine dell’equazione siano le stesse NB: Questo tipo di analisi non permette di determinare il valore numerico di uno qualunque dei termini dell’equazione, né di accorgersi dell’assenza di valori adimensionali che dovrebbero essere presenti nell’equazione. Questa analisi può AIUTARE nel controllo la validità di un’equazione poiché se le dimensioni dei termini non sono coerenti l’equazione non può essere corretta. Dimensioni delle grandezze derivate Elenco di alcune grandezze derivate, usate in Meccanica ed in Elettromagnetismo, con le dimensioni corrispondenti, espresse in funzione delle 4 grandezze fondamentali: lunghezza (L), tempo (T), massa (M) ed intensità di corrente elettrica A Analisi Dimensionale (4) Es: Si scrivano le dimensioni di ciascuna delle grandezze che compaiono nell’equazione: v 2 2ax x1 v12 e si stabilisca se l’equazione è dimensionalmente corretta sapendo che v = velocità, a = accelerazione, x = spostamento Soluzione: x x1 L a L2 LT 2 T v L LT 1 T L L L 2 L L T T T L 2 v2 ax x1 v1 2 v 2 2ax x1 v12 2 L L T T 2 2 Le dimensioni di ciascun termine sono uguali e l’equazione è, almeno dal punto di vista dimensionale, corretta. Grandezze Scalari e Grandezze Vettoriali Massa, temperatura, distanza, intervallo temporale, energia, lavoro, potenza … Grandezza completamente definita da un VALORE NUMERICO (positivo o negativo) espresso nell’unità di misura appropriata Grandezze Scalari Aritmetica ordinaria somma, sottrazione, moltiplicazione, divisione,… Spostamento, velocità, accelerazione, forza, momento angolare, momento di una forza, … Grandezza completamente definita da un valore numerico positivo,detto MODULO, espresso nell’unità appropriata, da una DIREZIONE e da un VERSO Grandezze Vettoriali Vettori Algebra vettoriale somma e sottrazione di vettori, proiezioni, prodotto scalare, prodotto vettoriale, … Vettori Un vettore si rappresenta graficamente attraverso una freccia Si indica: Con una lettera in grassetto : Con una lettera e una freccia : Con gli estremi e una freccia : a a B a AB a La lunghezza del corpo della freccia indica il modulo La retta su cui giace la freccia indica la direzione A La punta della freccia indica il verso Caso particolare di vettore: Versore: vettore adimensionale di lunghezza unitaria introdotto per specificare una data direzione orientata: Notazione: Vettore entrante nel foglio â a=1 Vettore uscente Somma di Vettori(1) •Non possono essere sommati vettori associati a grandezze diverse •Non possono essere sommati vettori associati alla stessa grandezza ma espressi con unità di misura diverse ( bisogna prima effettuare una conversione ad un’unità di misura comune) A(cm) B(cm) A(cm) B(mm) Conversione di unità di misura (moltiplicando il modulo di B per cm ) 10mm Acm Acm Bmm Bcm Somma di Vettori (metodo geometrico)(2) B A A B B A Regola del parallelogramma R A B Proprietà Commutativa della somma A R A B B A B B A R B A C A B B B BC A R A B C R A B C R A B C R A B A C Proprietà associativa della somma R A B C A B C A B C B AC Vettore opposto e Differenza diVettori Si definisce opposto del vettore A quel vettore che sommato ad A dà come risultato 0 Ma quale è quel vettore che sommato ad A mi dà zero? A A R A B R A B B B A R A B 0 B A A A A 0 I vettori A e A hanno stesso modulo e direzione, ma verso opposto Possiamo vedere la sottrazione come la somma di un vettore con l’opposto dell’altro B A B B A B A B R A B B A B Moltiplicazione di un vettore per uno scalare Il prodotto s A di un vettore A per un numero s (scalare) è un vettore avente: direzione uguale a quella di A ; verso uguale a quello di A se s>0; verso opposto a quello di A se s<0; se s=0 si ottiene il vettore nullo; modulo uguale al prodotto tra il modulo di A e il valore assoluto di s. s= 2 A A sA = s= -2 2A 2A 2A Vettori (nello spazio tridimensionale) Un vettore è rappresentato graficamente da un segmento, la cui lunghezza o “modulo”, una volta fissata l’unità di misura, definisce l’intensità del vettore stesso A1 A z A2 B P(x,y,z) A3 O A Vettore libero A1 , A2 , A3 A A1 A2 A3 Vettori equipollenti: Due vettori si dicono uguali se hanno stesso modulo e puntano nella stessa direzione e verso y x B Vettore definito univocamente dal punto di applicazione (B,P) B Il modulo del vettore è pari alla lunghezza del segmento OP La direzione del vettore B nello spazio è definita dai due angoli e che il vettore forma con all’asse z e con l’asse x rispettivamente Componenti di Vettori e Versori(1) Il metodo geometrico per la somma di vettori diventa complicato da attuare quando si ha bisogno di descrivere i vettori nello spazio tridimensionale Conviene utilizzare un metodo più analitico che fa uso delle proiezioni di un vettore lungo gli assi di un sistema cartesiano ( sistema di coordinate ortogonali … sperando che questa sia una puntualizzazione ovvia) Se con la somma troviamo un vettore che rappresenta la combinazione di uno o più vettori, analogamente si può anche scomporre un vettore nella somma di altri due o più vettori ( Decomposizione) I Valori numerici Ax, Ay, Az sono le proiezioni di A sui rispettivi assi x, y, z Az z A P(A P x,Ay,Az) Ax x iˆ k̂ O ĵ Ay y iˆ, ˆj , kˆ sono i versori,della terna cartesiana. In particolare: • iˆ è diretto lungo l’asse positivo delle x • ĵ è diretto lungo l’asse positivo delle y • k̂ è diretto lungo l’asse positivo delle z A Possiamo quindi riscrivere il vettore intermini dei tre versori iˆ, ˆj , kˆ e delle sue proizioni A Axiˆ Ay ˆj Az kˆ ˆ Axiˆ, Ay ˆj, A z k sono a loro volta 3 vettori la cui somma dà il vettore A Vettori e componenti Un vettore quindi, una volta scelti gli assi cartesiani, può essere individuato anche tramite le sue componenti lungo tali assi (per comodità consideriamo solo un piano bidimensionale invece dello spazio tridimensionale): A Axiˆ Ay ˆj Ax Ay y Ay A Ay Ay ˆj ĵ O iˆ I vettori componenti: hanno per modulo il valore assoluto delle componenti e direzione e verso del versore associato all’asse di proiezione. P Teorema di Pitagora A Ax Axiˆ Ax A cos Ay sin A cos x Ay A sin Ay Modulo: Ax x A A Ax2 Ay2 Ax Angolo : tan NB: le proiezioni di un vettore possono essere anche negative tan Ay Ax Somma per componenti Abbiamo visto che un vettore può essere espresso mediante le sue componenti lungo gli assi cartesiani Domanda: Come si fa a sommare ad un vettore A di componenti Ax e Ay un vettore B di componenti Bx e By? Risposta: Si sommano le componenti lungo x e lungo y separatamente Dati i due vettori A e B , sia R A B il vettore risultante dalla somma di essi. A Ax iˆ Ay ˆj R A B A iˆ A ˆj B iˆ B ˆj A B iˆ A B ˆj x y x y x x y y B Bx iˆ B y ˆj Rx Ry R Rxiˆ Ry ˆj y Rx Ax Bx Ry Ay By Modulo R Rx R y 2 2 Angolo tan Ax Bx Ay By 2 Ry Rx Ay B y Ax Bx 2 Ry R By Ay O B A Ax Bx Rx x Moltiplicazione di vettori I vettori sono quantità più complicate degli scalari ‼ la somma di due scalari è una semplice operazione algebrica ( es: 2 s +3 s = 5 s senza ambiguità) ‼ la somma di due vettori non è la semplice somma delle intensità dei due vettori, (queste al massimo danno solo il limite inferiore ed il limite superiore dell’intervallo di valori che il modulo del vettore risultante potrebbe acquisire senza sapere le direzioni ed i versi dei due vettori), ma un’operazione che tiene conto anche della direzione e del verso che i due vettori hanno l’uno rispetto all’altro Lo stesso discorso vale per la moltiplicazione tra vettori… tanto che, se per gli scalari esiste un’unica operazione di moltiplicazione, per i vettori ne esistono 2. 1) Prodotto scalare A B “A scalar B” 2) Prodotto vettoriale A B “A vettor B” Moltiplicazione di vettori-Prodotto scalare(1) Il prodotto scalare di due vettori A e B , si scrive A B è una grandezza scalare uguale al prodotto dei moduli dei due vettori con dell’angolo () formato tra di essi (l’angolo minore dei due) il coseno y AA R B 2- 2- A x Prodotto scalare tra A e B Rcos= Rcos(2-) R A B AB cos cos2 cos cos sin sin cos 0 cos 2 2 cos2 cos 1 0 A B AB cos2 AB cos Altro modo di vedere il prodotto scalare: A e B è una grandezza scalare Il prodotto scalare di due vettori qualsiasi uguale al prodotto del modulo di A moltiplicato per la proiezione di B su A B B B Proiezione di B A A B cos A su B A A B AB cos Moltiplicazione di vettori-Prodotto scalare(2) Proprietà del prodotto scalare e casi particolari: Il prodotto scalare PUÒ avvenire tra vettori con unità di misura diverse e le unità di misura del risultato del prodotto sono semplicemente il prodotto delle unità di misura (ne vedremo diversi esempi) Proprietà Commutativa A B B A Proprietà distributiva della moltiplicazione: A B C A B AC il loro prodotto scalare è: A B AB cos 0 A B 1 SeA B il loro prodotto scalare è: A B AB cos 90 0 0 Se A B 0 il loro prodotto scalare è nullo: A B 0 0 0 Se A // B Se consideriamo i tre versori ortogonali iˆ, ˆj , kˆ iˆ iˆ ˆj ˆj kˆ kˆ 1 iˆ ˆj iˆ kˆ ˆj kˆ 0 Moltiplicazione di vettori-Prodotto scalare(3) Definito un sistema di coordinate cartesiane di riferimento, il prodotto scalare si può anche scrivere nella forma: A B Ax Bx Ay By Az Bz (dimostrazione alla lavagna) Ed in particolare: A A Ax Ax Ay Ay Az Az Ax2 Ay2 Az2 A2 Le due equazioni che descrivono il prodotto scalare, sono del tutto equivalenti e la scelta di una o dell’altra per determinare il prodotto scalare dipende da come vengono definiti i vettori ( se viene fornito l’angolo conviene la prima espressione, se vengono fornite le componenti, la seconda) Moltiplicazione di vettori-Prodotto vettoriale(2) Il prodotto vettoriale di due vettori A e B , si scrive A B ed è un vettore che ha per modulo il prodotto dei moduli dei due vettori con il seno dell’angolo () minore formato tra di essi. C A B B 2 Modulo A C C AB sin NB: sin sin2 sin 2 sin cos sin cos sin 2 2 0 1 La direzione di C è PERPENDICOLARE al piano definito dai due vettori Il verso è quello dato dalla regola della mano destra. (pollice lungo il primo vettore, indice lungo il secondo, il medio definisce il verso del vettore risultante)