newton-cotes y reglas compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/metnum/archivos/08b.%20... ·...

29
8. INTEGRACIÓN NUMÉRICA: Newton-Cotes y Reglas Compuestas. Jorge Eduardo Ortiz Triviño [email protected] http://www.docentes.unal.edu.co/jeortizt/

Upload: duongbao

Post on 08-Feb-2019

227 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

8. INTEGRACIÓN NUMÉRICA:

Newton-Cotes y Reglas Compuestas.

Jorge Eduardo Ortiz Triviño

[email protected]

http://www.docentes.unal.edu.co/jeortizt/

Page 2: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Organización general

• Errores en los cálculos numéricos

• Raíces de ecuaciones no-lineales

• Sistemas de ecuaciones lineales

• Interpolación y ajuste de curvas

• Diferenciación

• Integración

– Fórmulas de Newton-Cotes

– Reglas compuestas

• Ecuaciones diferenciales ordinarias

Page 3: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Integración numérica

Al igual que antes...

Page 4: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Integración numérica

Al igual que antes...

1. Interpolamos mediante un polinomio

2. Calculamos la integral sobre el polinomio

Page 5: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Integración: Newton-Cotes

• Con polinomios de orden 1:

método trapezoidal

• Con polinomios de orden 2:

regla de Simpson

...

• Con polinomios de orden 4:

regla de Milne

Page 6: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Newton-Cotes: trapezoidal

Aproximamos:

1

0

1

0

)()()( 101

00

10

1

x

x

x

x

dxxfxx

xxxf

xx

xxdxxf

Page 7: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Newton-Cotes: trapezoidal

Resolviendo:

)()(2

)( 1001

1

0

xfxfxx

dxxf

x

x

Page 8: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Newton-Cotes: trapezoidal

Resolviendo:

)()(2

)( 10

1

0

xfxfh

dxxf

x

x

Page 9: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Regla del trapecio Utilizando un polinomio interpolante lineal de Lagrange.

1

01

00

10

1 xfxx

xxxf

xx

xxxP

1010

01

1

01

00

10

1

22xfxf

hxfxf

xx

dxxfxx

xxxf

xx

xxdxxf

b

a

b

a

Donde h = x1 – x0 =

Esta fórmula vale cuando

f(x) tiene valores positivos.

Da valores exactos para

polinomios de grado 1.

x0 = a x1 = b

P1 f

Page 10: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

¿Es claro que …?

Muestre que se cumple la regla del trapecio

1010

01

1

01

00

10

1

22xfxf

hxfxf

xx

dxxfxx

xxxf

xx

xxdxxf

b

a

b

a

Page 11: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Newton-Cotes: Simpson

Tomamos un punto intermedio y aprox.:

dxxfxxxx

xxxx

xfxxxx

xxxx

xfxxxx

xxxxdxxf

x

x

x

x

)())((

))((

)())((

))((

)())((

))(()(

21202

10

12101

20

02010

212

0

2

0

Page 12: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Newton-Cotes: Simpson

Resolviendo:

)()(4)(3

)( 210

2

0

xfxfxfh

dxxf

x

x

Page 13: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Regla de Simpson La regla se Simpson se obtiene suponiendo el segundo polinomios

de Lagrange con los nodos x0 = a, x2 = b, x1 = a + h, h = (b – a)/2.

210

2

1202

101

2101

200

2010

21

43

xfxfxfh

dxxfxxxx

xxxxxf

xxxx

xxxxxf

xxxx

xxxxdxxf

b

a

b

a

Donde se han

despreciado los términos

de error.

La fórmula es exacta para

polinomios de hasta

tercer grado. x0 = a x2 = b

P3 f

x1

Page 14: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Comparación

f(x) x 2̂ x 4̂ 1/(x + 1) sqrt(1 + x2) sen x exp(x)

Valuación exacta 2.667 6.400 1.099 2.958 1.416 6.389

Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389

De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964 1.425 6.421

Comparación entre el valor exacto, la regla del trapecio y

la regla de Simpson para diferentes funciones en el

intervalo [0 , 2].

Page 15: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Newton-Cotes: Milne

De forma similar, dividiendo el intervalo en 4

partes pero utilizando solo algunas:

)(2)()(23

4)( 321

4

0

xfxfxfh

dxxf

x

x

Page 16: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Integración: más puntos?

• Al evaluar más puntos de la función en el

intervalo dado, podemos obtener mayor

exactitud

Page 17: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Integración: más puntos?

• Al evaluar más puntos de la función en el

intervalo dado, podemos obtener mayor

exactitud

• Pero los polinomios de alto orden nos

traen problemas numéricos...

Page 18: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Integración: más puntos?

• Al evaluar más puntos de la función en el

intervalo dado, podemos obtener mayor

exactitud

• Pero los polinomios de alto orden nos

traen problemas numéricos...

• ¿Y si integramos un polinomio de bajo

orden por cada segmento?

Page 19: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Reglas compuestas

Elegimos n puntos en el intervalo e

integramos mediante:

dxxfdxxfdxxfdxxfn

n

n x

x

x

x

x

x

x

x

1

2

1

1

00

)()()()(

Page 20: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Reglas compuestas

Elegimos n puntos en el intervalo e

integramos mediante:

¿Cómo resolvemos estas integrales?

dxxfdxxfdxxfdxxfn

n

n x

x

x

x

x

x

x

x

1

2

1

1

00

)()()()(

Page 21: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Reglas compuestas: trapecios

Cada segmento se integra por trapecios:

)()(2

)()(2

)()(2

)(

1

21

10

0

nn

x

x

xfxfh

xfxfh

xfxfh

dxxfn

Page 22: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Reglas compuestas: trapecios

Simplificando:

)()(2)(2)(2

)( 110

0

nn

x

x

xfxfxfxfh

dxxfn

Page 23: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Reglas compuestas: Simpson

De forma similar a trapecios por segmento:

)()(4)(2

)(2)(4)(3

)(

12

210

0

nnn

x

x

xfxfxf

xfxfxfh

dxxfn

Page 24: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Ejemplo: Integración numérica

compuesta

76958.56´43

2 4204

0 eeedxex

Integrando ex por Simpson en [0,4]

El error es: Abs[53.59815 – 56.76958] = +3.17143

Separando en dos integrales:

86385.53

4243

1

43

14

3

1

4320

43220

4

2

2

0

4

0

eeeee

eeeeee

dxedxedxe xxx

Page 25: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Dividiendo en 4 intervalos

61622.53

42424243

1

46

14

6

1

46

14

6

1

4320

4332

20

4

3

3

2

2

1

1

0

4

0

27

25

23

21

27

25

23

21

eeeeeeeee

eeeeee

eeeeee

dxedxedxedxedxe xxxxx

El error es: Abs[53.59815 – 53.61622] =

+0.01807

Page 26: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Regla compuesta de Simpson

bfxfxfafh

dxxfn

j

j

n

j

j

b

a

2/

0

12

12/

0

2 423

Teorema. Sea f C4[a, b], n par, h = (b – a)/n, y xj = a + jh para

cada j = 0, 1, 2, ... n . La regla de Simpson para n subintervalos

puede escribirse como:

x0 = a xn = b

y= f(x)

x2 x2j-1 x2j x2j+1

Page 27: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Regla compuesta del trapecio

bfxfafh

dxxfn

j

j

b

a

1

1

22

x0 = a xn = b

y= f(x)

x1 xj-1 xj xn–1

Teorema. Sea f C4[a, b], n par, h = (b – a)/n, y xj = a + jh para

cada j = 0, 1, 2, ... n . La regla del trapecio para n subintervalos

puede escribirse como:

Page 28: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Regla compuesta del punto

medio

2/

0

22n

j

j

b

axfhdxxf

x0 = a xn+1 = b

y= f(x)

x0 xj-1 xj xn x1 xj+1

Teorema. Sea f C4[a, b], n par, h = (b – a)/(n+2), y xj = a +

(j+1)h para cada j = –1, 0, 1, 2, ... n+1. La regla de compuesta

del punto medio para n subintervalos puede escribirse como:

Page 29: Newton-Cotes y Reglas Compuestas.disi.unal.edu.co/profesores/jeortizt/MetNum/Archivos/08B.%20... · Trapecio 4.000 16.000 1.333 3.236 0.909 8.389 De Simpson 2.667 6.667 1.111 2.964

Datos con espaciamiento

irregular

Si los datos están espaciados de forma irregular, como en el caso de datos

experimentales, la integración puede llevarse a cabo mediante la aplicación de la

regla del trapecio a cada subintervalo.

2

...22

1212

101

nnn

xfxfh

xfxfh

xfxfhI

Donde hi = ancho del segmento i.