L'approccio alle scienze applicate basato sul concetto di "sistema" e' ormai riconosciuto come fondamentale sia dal punto di vista epistemologico che dal punto di vista tecnico-progettuale. Esso prevede l'elaborazione e lo studio di modelli, e richiede conoscenze avanzate di matematica. La capacita' di interpretare i fenomeni in termini sistemistici e' oggi una componente imprescindibile del bagaglio culturale del matematico interessato ai problemi dell'ingegneria.
ll corso offre un'introduzione a metodi, modelli ed applicazioni delle equazioni alle derivate ordinarie ed alle derivate parziali, con particolare riguardo ai problemi al contorno o con dati iniziali per equazioni del primo e secondo ordine lineari.
Questo insegnamento si prefigge anche di fornire e illustrare in maniera rigorosa e razionale le nozioni principali e i piu' importanti risultati relativi alla teoria matematica dei sistemi lineari con e senza ingressi e al loro controllo. Vengono trattati sia aspetti di analisi che aspetti di sintesi.

Capacita' di valutare l'indice di controllabilita' e di osservabilita' di un sistema descritto da un modello lineare, e di analizzarne le proprieta' di stabilita'.
Capacita' di costruire in situazioni semplici dispositivi che sviluppano retroazioni di compensazione, atti a migliorare le prestazioni del sistema.
Capacita' di studiare semplici problemi di ottimizzazione, determinandone le soluzioni in forma di retroazione.
Capacità di riconoscere il tipo di equazione e di impostarne la risoluzione sia in ambito classico sia in ambito variazionale.
Capacità di rappresentare in casi semplici le soluzioni di alcune equazioni lineari (di trasporto, di Laplace/Poisson, del calore, delle onde).
Capacità di studiare semplici problemi spettrali.

Calcolo differenziale e integrale per le funzioni di una e piu' variabili. Algebra lineare. Elementi di analisi funzionale. Distribuzioni. Serie di Fourier. Integrale di Lebesgue e Spazi L^p.

Nozione astratta di sistema. Richiami su sistemi lineari di equazioni differenziali ordinarie omogenei e non omogenei a coefficienti costanti. Equivalenza lineare. Forma di Jordan, forma compagna. Stabilita' della posizione d'equilibrio. Teoremi di Liapunov, funzioni di di Liapunov, equazione matriciale di di Liapunov.
Sistemi lineari con ingressi. Insiemi raggiungibili. Controllabilita' e osservabilita'. Forma di Kalman. Stabilizzabilita'. Forma di Brunowsky. Costruzione di un osservatore asintotico. Stabilita' rispetto agli ingressi. Principio di massimo di Pontrjagin per i sistemi lineari. Problema di tempo minimo, regolatore quadratico.

Concetti di base: equazioni lineari, semi-lineari, quasi-lineari, non lineari. Esempi. Soluzione in senso classico ed in senso debole. L'equazione del trasporto. Equazioni lineari del prim'ordine, linee caratteristiche.

Equazioni lineari del secondo ordine. Classificazione. Il problemi di Cauchy e i problemi al contorno. Buona positura. Alcuni risultati per l'equazione della corda vibrante. Le equazioni di Laplace e di Poisson in senso classico e distribuzionale. Interpretazione fisica. Problemi al contorno di Dirichlet, Neumann, Robin. Risultati di unicità. Interpretazione geometrica dell'operatore laplaciano. Funzioni armoniche, proprietà della media, principio del massimo forte, dipendenza continua dal dato al bordo. Principio del massimo debole, dipendenza continua dai dati per la soluzione dell'equazione di Poisson. Casi particolari: l'equazione di Poisson sulla palla in dimensione n, con dati polinomiali. Il problema di Dirichlet per l'equazione di Laplace sulla palla in dimensione 2 e in dimensione n: formula di Poisson per la soluzione. Regolarità delle funzioni armoniche. Funzioni armoniche radiali in
R^n. La soluzione fondamentale del laplaciano. La soluzione dell'equazione di Poisson in R^n ed in un aperto limitato mediante la funzione di Green.

Spazi di Sobolev. Definizioni e proprietà dello spazio H^1(A), esempi di funzioni H^1. Le funzioni H^1 in dimensione 1 sono holderiane. Controesempi. Densità delle funzioni regolari in H^1. Generalizzazioni agli spazi H^k e W^{k,p}: definizioni, principali proprietà di
struttura e di densità. Caratterizzazione di H^1(\R^n) con la trasformata di Fourier. Gli spazi H^s con s reale. Teoremi di prolungamento e di traccia per H^1(A), con particolare riferimento al caso di un semispazio. Spazio H^{1/2}. Formula di integrazione per parti in
H^1(A). Spazio H^1_0(A). Disuguaglianze di Poincaré-Friedrichs e di Poincaré-Wirtinger. Teoremi di immersione continua e di immersione compatta per H^s. Gli spazi
duali di H^1 e H^1_0.

Problemi ellittici. Formulazione debole del problema con condizione miste Dirichlet-Neumann per operatori ellittici lineari del secondo ordine. Richiami al Teorema di Lax-Milgram. Buona positura, proprietà della soluzione debole, regolarità H^k all'interno, cenni sulla regolarità fino al bordo, controesempi.

Il principio del massimo di Stampacchia.

Teoria spettrale per problemi ellittici auto-aggiunti. Formualazione astratta. Esistenza di una base ortonormale di autofunzioni. Il caso particolare del laplaciano. Intepretazione
della costante di Poincaré. Applicazioni: la corda vibrante, la membrana quadrata, la membrana circolare. Cenno alle funzioni di Bessel. Risoluzione di problemi ellittici al contorno mediante sviluppo in serie di autofunzioni.

Problemi parabolici. L'equazione del calore, introduzione e prime proprietà. La conduzione del calore. Problemi ben posti in una dimensione spaziale. La frontiera parabolica. Un esempio elementare per separazione di variabili. Spazi di Sobolev dipendenti dal tempo. Formulazione debole del problema di Cauchy-Dirichlet per l'equazione del calore. Buona positura. Stime a priori. Risoluzione mediante rappresentazione in serie di autofunzioni del laplaciano (metodo di Faedo-Galerkin). Cenni sulla regolarità della soluzione nel caso di variabile spaziale unidimensionale. Nucleo del calore. Principio del massimo per il
problema di Cauchy-Dirichlet per l'equazione del calore.

Problemi iperbolici. Il problema di Cauchy-Dirichlet per l'equazione delle onde in n variabili. Formulazione debole e buona positura. Stime a priori. Rappresentazione della soluzione in
serie di autofunzioni del laplaciano. Cenni ad alcune proprietà della soluzione: regolarit\`a, conservazione dell'energia, reversibilità nel tempo.

Le esercitazioni si svolgono in aula e consistono nell'applicazione a casi concreti dei risultati teorici sviluppati nel corso. Possibilita' di semplici simulazioni in MATLAB.

Dispense del corso redatte dal docente, disponibili sul portale della didattica per gli studenti iscritti al corso.

Testo consigliato sulle equazioni alle derivate parziali e':
S. Salsa, Equazioni a derivate parziali: metodi, modelli e applicazioni, Springer, seconda edizione.
Altri testi pertinenti:
L. C Evans. Partial differential equations, AMS 1998.
P.E. Garabedian, Partial differential equations, John Wiley & Sons, 1964.
H.F. Weinberger, A first course in partial differential equations, Blaishdell Publishing Company, 1965.
A.N. Tihonov, A.A: Samarski, Equazioni della fisica matematica, Mir 1981.

Di norma l'esame consiste in una prova scritta comprensiva di quesiti teorici ed esercizi su tutti gli argomenti del corso. Dopo una prova scritta sufficiente, su richiesta del docente o dello studente, può svolgersi un colloquio orale: in questo caso il voto finale dell'esame tiene conto sia dell'esito della prova scritta che di quello del colloquio orale. In caso contrario, il voto della prova scritta costituisce il voto finale dell'esame.