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Caṕıtulo 3 Integración Numérica 3.1. Introducción Las integrales que se tratarán de resolver numéricamente son de la forma I = ∫ b a f(x)dx donde [a, b] es un intervalo finito. Se sabe que la integral definida (de Riemann) de una función sobre un intervalo finito [a, b] es un número. Si se considera f(x) ≥ 0 sobre [a, b], el numero I representa el área que está bajo la gráfica de f y sobre el eje x, limitada por los valores a y b, como se muestra en la gráfica siguiente. Figura 3.1: Integral definida Se sabe también desde el cálculo integral que si se conoce una primitiva F (x) de f(x) esto es F ′ (x) = f(x), entonces el valor de la integral es fácilmente calculable por la Regla de Barrow: I = ∫ b a f(x)dx = F (b)− F (a) Cuando este cálculo expĺıcito no puede llevarse a cabo o resulta muy complicado de realizar la evaluación de la antiderivada lo aconsejable es recurrir al cálculo de la integral usando algún método numéricamente conocido. Estos métodos numéricos generalmente dan una aproximación 49 del valor exacto de la integral. Y la mayor o menor exactitud de los resultados dependerá del tipo de función en relación al método usado. Generalmente los métodos numéricos resuelven una integral de una función fn(x) que es una aproximación de la función f(x) esto es I = ∫ b a f(x)dx ≈ ∫ b a fn(x)dx = In El objetivo es aproximar la integral definida de una función f(x) en un intervalo [a, b] evaluando f(x) en un número finito de puntos. 3.2. Integración Numérica Definición 3.2.1 Si f una función continua en [a, b] y una partición a = x0 < x1 < · · · < xn = b, del intervalo [a, b], entonces∫ b a f(x)dx = w0f(x0) + w1f(x1) + · · ·+ wnf(xn) + E(f) se llama Fórmula de Integración Numérica o de Cuadratura, el término E(f) se llama Error de Truncamiento de la fórmula. Los valores xi con i = 0, 1, ..., n se llaman Nodos de Integración o de Cuadratura y los valores wi con i = 0, 1, ..., n se llaman Pesos de la fórmula. Los nodos se eligen de diferentes maneras. Pueden elegirse subintervalos de igual longitud o subintervalos de distinta longitud. En esta asignatura sólo se verán reglas de integración para subintervalos de igual longitud. Regla del Trapecio Sea f una función continua en el intervalo [a, b]. Para calcular la integral numérica de f por la Regla del Trapecio, se emplea como aproximación de f un polinomio de Lagrange de grado uno, f1. I = ∫ b a f(x)dx ≈ ∫ b a f1(x)dx La longitud del intervalo [a, b] es h = b− a. Considerando x0 = a, x1 = b y los puntos (x0, f(x0)), (x1, f(x1)) se tiene el polinomio de interpolación de Lagrange de grado 1 f1(x) = f(x0) · l0(x) + f(x1) · l1(x) donde li = 1∏ j=0 j 6=i x− xj xi − xj 50 Gráficamente : Figura 3.2: Regla del Trapecio Aśı f1(x) = f(x0) x− x1 x0 − x1 + f(x1) x− x0 x1 − x0 f1(x) = f(a) x− b a− b + f(b) x− a b− a Luego f(x) = f(a) x− b a− b + f(b) x− a b− a + f ′′ (ξ) 2! (x− a)(x− b) = f1(x) + E[f ] Entonces el área, entre a y b, bajo la recta que es la gráfica de la función f1(x), es una aproximación de la integral de f(x). Luego I = I1 + E[f ] I = ∫ b a f(x)dx ≈ ∫ b a [ f(a) x− b a− b + f(b) x− a b− a ] dx I ≈ f(a) a− b ∫ b a (x− b)dx+ f(b) b− a ∫ b a (x− a)dx I ≈ f(a) a− b (x− b)2 2 ∣∣∣∣b a + f(b) b− a (x− a)2 2 ∣∣∣∣b a I ≈ − f(a) a− b (a− b)2 2 + f(b) b− a (b− a)2 2 I ≈ − f(a) a− b (a− b)2 2 + f(b) b− a (b− a)2 2 51 I ≈ f(a)(b− a) 2 + f(b) (b− a) 2 I ≈ 1 2 (b− a)[f(a) + f(b)] Entonces se tiene I ≈ (b− a)f(a) + f(b) 2 Fórmula de la Regla del Trapecio Error de Integración Si f es una función derivable de orden 2 en el intervalo [a, b], entonces: I = I1 + E[f ] I = ∫ b a f1(x)dx+ ∫ b a E[f ]dx = (b− a) 2 [f(a) + f(b)] + ∫ b a f ′′ (ξ) 2 (x− a)(x− b)dx Entonces el error cometido al realizar la interpolación lineal viene dado por E[f ] = f ′′ (ξ) 2 ∫ b a (x− a)(x− b)dx E[f ] = f ′′ (ξ) 2 [ (x− a)(x− b)2 2 ∣∣∣∣b a − ∫ b a (x− b)2 2 dx ] E[f ] = f ′′ (ξ) 2 [ (x− a)(x− b)2 2 ∣∣∣∣b a − 1 2 (x− b)3 3 ∣∣∣∣b a ] E[f ] = f ′′ (ξ) 2 [ (x− a)(x− b)2 2 ∣∣∣∣b a + 1 6 (a− b)3 ] E[f ] = −f ′′ (ξ) 12 (b− a)3 para ξ ∈ [a, b] Entonces el error de integración está dado por: E1(ξ) = − 1 12 f ′′ (ξ)(b− a)3 Error de Integración de la Regla del Trapecio 52 Regla del trapecio usando intervalos múltiples Una forma de mejorar la exactitud de la Regla del Trapecio es dividir el intervalo de integración [a, b] en un conjunto de segmentos y aplicar entonces la regla del trapecio en cada uno de ellos. Sea f una función continua en [a, b]. Si se considera que sobre [a, b] hay n + 1 puntos igualmente espaciados, {x0, x1, . . . , xn}, entonces hay n segmentos de longitud h = b− a n Si xi = xi−1 + h con i = 1 . . . n− 1, a = x0 y b = xn, entonces se puede afirmar que: I = ∫ b a f(x)dx = ∫ x1 x0 f(x)dx+ ∫ x2 x1 f(x)dx+ · · ·+ ∫ xn xn−1 f(x)dx A continuación se ve gráficamente una situación de 4 subintervalos y de 8 subintervalos Figura 3.3: Regla del Trapecio con 4 subintervalos Figura 3.4: Regla del Trapecio con 8 subintervalos Aplicando la Regla del Trapecio a cada uno de los segmento , se tiene I ≈ hf(x0) + f(x1) 2 + h f(x1) + f(x2) 2 + · · ·+ hf(xn−1) + f(xn) 2 ≈ h 2 [f(x0) + 2f(x1) + 2f(x2) + · · ·+ 2f(xn−1) + f(xn)] ≈ h 2 [f(x0) + 2 (f(x1) + f(x2) + · · ·+ f(xn−1)) + f(xn)] ≈ h 2 [f(x0) + 2 n−1∑ i=1 f(xi) + f(xn)] ≈ (b− a) 2n [ f(x0) + 2 n−1∑ i=1 f(xi) + f(xn) ] Entonces 53 I ≈ (b− a) 2n [ f(x0) + 2 n−1∑ i=1 f(xi) + f(xn) ] Fórmula para la Regla del Trapecio para intervalos múltiples o Regla del Trapecio Compuesta . Error de Integración Para hallar el error de integración por la Regla del Trapecio para intervalos múltiples, se debe tener en cuenta los errores en cada uno de los subintervalos, esto es: E = −h 3 12 f ′′ (ξ1)− h3 12 f ′′ (ξ2)− · · · − h3 12 f ′′ (ξn) con a = x0 < ξ1 < x1 < ξ2 < x2 < · · · < xn−1 < ξn < xn = b Si f ′′ es continua en [a, b] entonces existe ξ ∈ [a, b] donde f ′′ presenta un máximo, luego f ′′ (xi) ≤ f ′′ (ξ) para todo i = 1, . . . , n E ≤ ∣∣∣∣h312nf ′′(ξ) ∣∣∣∣ con a < ξ < b Como h = b− a n tenemos E ≤ ∣∣∣∣(b− a)312n3 nf ′′(ξ) ∣∣∣∣ = ∣∣∣∣(b− a)(b− a)212n2 f ′′(ξ) ∣∣∣∣ = ∣∣∣∣(b− a)h212 f ′′(ξ) ∣∣∣∣ Luego E ≤ ∣∣∣∣(b− a)h212 f ′′(ξ) ∣∣∣∣ Error de Integración para la Regla del Trapecio Compuesta Ejemplo 3.2.1 ∫ 3 0 x · e2xdx 1. Calcular la integral exacta. 2. Aproximar la integral por Regla del Trapecio. 3. Aproximar la integral por Regla del Trapecio compuesta con n = 6. 4. Observar los resultados obtenidos en los items anteriores. Solución 1. I = ∫ 3 0 x · e2xdx, aplicando integración por partes: u = x dv = e2xdx 54 du = dx v = 1 2 e2x I = x · e2x|30 − ∫ 3 0 1 2 · e2xdx I = 3 2 · e6 − 1 4 · e2x|30 = 504.5359919 2. f(x) = x · e2x, h = b− a = 3− 0 = 3 I = ∫ 3 0 x · e2xdx ≈ b− a 2 [f(a)− f(b)] = 3 2 [0 · e0 + 3 · e6] I = 1815.429571 3. f(x) = x · e2x, x0 = 0, x6 = 3, h = 3 6 = 1 2 xi x0 = 0 x1 = 0.5 x2 = 1 x3 = 1.5 x4 = 2 x5 = 2.5 x6 = 3 f(xi) 0 1.3591 7.3891 30.1283 109.1963 371.0329 1210.2863 I ≈ 3 12 [f(x0) + 2(f(x1) + f(x2) + f(x3) + f(x4) + f(x5)) + f(x6)] I ≈ 1 4 [0 + 2(1.3591 + 7.3891 + 30.1283 + 109.1963 + 371.0329) + 1210.2863] I ≈ 1 4 · 2248.4977 = 562.124425 4. Se observa que los resultados mejoran, acercándose a la solución exacta, cuando se emplean intervalos múltiples. 3.2.1. Regla de Simpson Regla de Simpson 1/3 Otra forma de obtener una estimación de la integral, más cercana a la integral exacta, consiste en aproximar f(x) usando polinomios de interpolación de orden superior a uno. La Regla de Simpson 1/3 es un método de segundo orden, es decir, es un método basado en integrar un polinomio de interpolación de segundo grado. Sea la función f continua en el intervalo [a, b], para obtener un polinomio de grado 2 se necesita considerar tres puntos. Por ejemplo se considera c, el punto medio entre a y b o seac = a+ b 2 , es decir a = x0, x1 = x0 + h b = x2 con h = b− a 2 . Con los puntos (x0, f(x0)), (x1, f(x1)) y (x2, f(x2)) se construye un polinomio de Lagrange de grado 2. 55 Figura 3.5: Regla de Simpson 1/3 f2(x) = f(x0) · l0(x) + f(x1) · l1(x) + f(x2) · l2(x) donde li = 2∏ j=0 j 6=i x− xj xi − xj f2(x) = (x− x1)(x− x2) (x0 − x1)(x0 − x2) f(x0) + (x− x0)(x− x2) (x1 − x0)(x1 − x2) f(x1) + (x− x0)(x− x1) (x2 − x0)(x2 − x1) f(x2) Entonces si I = ∫ x2 x0 f(x)dx reemplazando se tiene que I ≈ ∫ x2 x0 [ (x− x1)(x− x2) (x0 − x1)(x0 − x2) f(x0) + (x− x0)(x− x2) (x1 − x0)(x1 − x2) f(x1) + (x− x0)(x− x1) (x2 − x0)(x2 − x0) f(x2) ] dx Usando la aditividad de la integral e integrando por partes se tiene: i) I1 = ∫ x2 x0 (x− x1)(x− x2) (x0 − x1)(x0 − x2) f(x0)dx = f(x0) (x0 − x1)(x0 − x2) ∫ x2 x0 (x− x1)(x− x2)dx x1 = x0 + h entonces x0 − x1 = −h x2 − x0 = 2h entonces x0 − x2 = −2h Además h = (b− a) 2 = (x2 − x0) 2 Tomando x− x1 = u; x− x2 = dv 56 ∫ x2 x0 (x− x1)(x− x2)dx = (x− x1) (x− x2)2 2 ∣∣∣∣x2 x0 − 1 2 ∫ x2 x0 (x− x2)2dx = −(x0 − x1) (x0 − x2)2 2 − 1 2 (x− x2)3 3 ∣∣∣∣x2 x0 = −d(x0 − x1) (x0 − x2)2 2 + 1 2 (x0 − x2)3 3 = −(−h)(−2h) 2 2 + 1 2 (−2h)3 3 = 2h3 − 8h 3 6 = 2h3 3 Luego reemplazando se tiene I1 = 2 3 h3 2h2 f(x0) = h 3 f(x0) ii) I2 = ∫ x2 x0 (x− x0)(x− x2) (x1 − x0)(x1 − x2) f(x0)dx = f(x1) (x1 − x0)(x1 − x2) ∫ x2 x0 (x− x0)(x− x2)dx Empleando integración por partes para calcular la integral del lado derecho se obtiene ∫ x2 x0 (x− x0)(x− x2)dx = (x− x0) (x− x2)2 2 ∣∣∣∣x2 x0 − 1 2 ∫ x2 x0 (x− x2)2dx = −1 2 (x− x2)3 3 ∣∣∣∣x2 x0 = 1 6 (x0 − x2)3 = 1 6 (−2h)3 = −8h 3 6 = −4 3 h3 Entonces I2 = f(x1) (x1 − x0)(x1 − x2) ( −4h 3 3 ) = − f(x1) h(−h) ( −4 3 h3 ) = 4 3 hf(x1) iii) I3 = ∫ x2 x0 (x− x0)(x− x1) (x2 − x0)(x2 − x1) )f(x2)dx = f(x2) (x2 − x0)(x2 − x1) ∫ x2 x0 (x− x0)(x− x1)dx Empleando integración por partes para calcular la integral del lado derecho se obtiene 57 ∫ x2 x0 (x− x0)(x− x1)dx = (x− x1) (x− x0)2 2 ∣∣∣∣x2 x0 − 1 2 ∫ x2 x0 (x− x0)2dx = (x2 − x1) (x2 − x0)2 2 − 1 6 (x2 − x0)3 = h (2h)2 2 − (2h) 3 6 = 2h3 − 4 3 h3 = h3 3 Luego reemplazando I3 = f(x2) 2h.h 2h3 3 = h 3 f(x2) Entonces se obtiene que I ≈ I1 + I2 + I3 ≈ h 3 [f(x0) + 4f(x1) + f(x2)] ≈ (b− a) 6 [ f(a) + 4f ( a+ b 2 ) + f(b) ] Finalmente I ≈ 1 3 h [ f(a) + 4f ( a+ b 2 ) + f(b) ] Fórmula de la Regla de Simpson 1/3 Se puede probar que el error de integración para la Regla de Simpson 1/3 está dada por: E2 = − 1 90 h5f (4)(ξ) con a < ξ < b Error de Integración Regla de Simpson 1/3 Regla de Simpson 1/3 para segmentos múltiples A igual que se hizo con la Regla del Trapecio se puede dividir el intervalo [a, b] en n subin- tervalos igualmente espaciados, de longitud h = b− a n y aplicar en cada uno de ellos la regla de Simpson 1/3. Se tiene aśı una partición x0, x1, . . . , xn del intervalo [a, b], con n un número par. 58 Se aplica el Método de Simpson 1/3 a los n 2 parejas de subintervalos se tiene en cuenta que x1, x2, . . . , xn−1 son los puntos medios de cada subintervalo y x0, x2, . . . , xn los puntos iniciales y finales de cada uno de ellos. Gráficamente Figura 3.6: Regla de Simpson 1/3 con 2 intervalos Figura 3.7: Regla de Simpson 1/3 con 4 intervalos Para la integral total se tiene: I = ∫ b=xn a=x0 f(x) dx I ≈ ∫ x2 x0 f(x) dx+ ∫ x4 x2 f(x) dx+ · · ·+ ∫ xn xn−2 f(x) dx Aplicando la Regla de Simpson 1/3 en cada una de las integrales individuales y se obtiene: I ≈ 2hf(x0) + 4f(x1) + f(x2) 6 +2h f(x2) + 4f(x3) + f(x4) 6 +· · ·+2hf(xn−2) + 4f(xn−1) + f(xn) 6 ≈ (b− a) 3n [ f(x0) + 4 n∑ i=1,3,5... f(xi) + 2 n−2∑ j=2,4,6 f(xj) + f(xn) ] Aśı I ≈ h 3 [ f(x0) + 4 n∑ i=1,3,5... f(xi) + 2 n−2∑ j=2,4,6 f(xj) + f(xn) ] Fórmula de la Regla de Simpson 1/3 múltiple Con un error de integración: E2 = − 1 180 h4f (4)(ξ), con a < ξ < b Error para la Regla Simpson 1/3 múltiple 59 3.2.2. Regla de Simpson 3/8 De la misma forma en que se derivó la Regla del Trapecio y la Regla de Simpson 1/3 se puede obtener la fórmula de la Regla de Simpson 3/8, aproximando la función con un polinomio de interpolación de Lagrange de grado 3. Figura 3.8: Regla de Simpson 3/8 Al intervalo [a, b] se lo divide en 3 subintervalos igualmente espaciados con h = b− a 3 = x3 − x0 3 Esto es I = ∫ b a f(x)dx ≈ ∫ b a f3(x)dx = I3 donde f3(x) = (x− x1)(x− x2)(x− x3) (x0 − x1)(x0 − x2)(x0 − x3) f(x0) + (x− x0)(x− x2)(x− x3) (x1 − x0)(x1 − x2)x1 − x3) f(x1)+ + (x− x0)(x− x1)(x− x3) (x2 − x0)(x2 − x1)(x2 − x3) f(x2) + (x− x0)(x− x1)(x− x2) (x3 − x0)(x3 − x1)(x3 − x2) f(x3) Integrando f3(x) se obtiene∫ b a f3(x)dx = 3h 8 [f(x0) + 3f(x1) + 3f(x2) + f(x3)] con h = (b− a) 3 Aśı 60 ∫ b a f3(x)dx = (b− a) 8 [f(x0) + 3f(x1) + 3f(x2) + f(x3)] Luego I ≈ 3 8 h[f(x0) + 3f(x1) + 3f(x2) + f(x3)]] Fórmula de la Regla de Simpson 3/8 El error de integración también se puede calcular, y está dado por: E3 = − 3 80 h5f (4)(ξ), con a < ξ < b Error de Integración Regla de Simpson 3/8 De la misma forma que con la Regla del Trapecio y la Regla de Simpson 1/3 , se puede obtener la Regla de Simpson 3/8 para intervalos múltiples, pero ésta no la se tratará en este curso. Ejemplo 3.2.2 ∫ 3 0 x · e2xdx 1. Aproximar la integral por la Regla de Simpson 1/3 2. Aproximar la integral por la Regla de Simpson 1/3 para intervalos múltiples con n = 4 3. Aproximar la integral por la Regla de Simpson 3/8 4. Observar los resultados obtenidos en los items anteriores Solución 1. h = 3 2 , x0 = 0, x1 = 3 2 , x2 = 3 I = ∫ 3 0 x · e2xdx ≈ h 3 [f(x0) + 4f(x1) + f(x2)] = I ≈ 3 6 [0 + 4 · 30.12830538 + 1210.28638] = 665.399801 2. x0 = 0, x4 = 3, h = 3 4 xi x0 = 0 x1 = 0.75 x2 = 1.5 x3 = 2.25 x4 = 3 f(xi) 0 3.361266803 30.12830538 202.5385454 1210.28638 I ≈ 1 4 [f(x0) + 4(f(x1) + f(x3)) + 2(f(x2)) + f(x6)] 61 I ≈ 1 4 [0 + 2(3.361266803 + 202.5385454) + 2(30.1283) + 1210.2863] I ≈ 1 4 · 2094.14224 = 523.53556 3. x0 = 0, x3 = 3, h = 3 3 = 1 xi x0 = 0 x1 = 1 x2 = 2 x3 = 3 f(xi) 0 7.389056099 109.1963001 1210.28638 I ≈ 3 8 [f(x0) + 3(f(x1) + f(x2)) + f(x3)] I ≈ 3 8 [0 + 3(7.389056099 + 109.1963001) + 1210.2863] I ≈ 3 8 · 1560.042448 = 585.0159182 4. Se observa que los resultados mejoran cuando se emplean intervalos múltiples Observación 3.2.1 La Regla de Simpson 1/3 es a menudo de preferencia, ya que alcanza mayor exactitud de tercer orden con tres puntos contra cuatro puntos requeridos para la versión Simpson 3/8, sin embargo al integrar con puntos equiespaciados no se puede aplicar la Regla de Simpson 1/3 si el número de intervalos es impar, en este caso se usa Regla de Simpson 3/8. En el caso de tener un número impar de intervalos, se puede aplicar la Regla de Simpson 3/8 a los tres primeros intervalos o a los tres últimos y luego aplicar la Regla de Simpson 1/3 múltiple al resto de los intervalos. Puesto que el orden del error de la Regla de Simpson 3/8 es el mismo que la Regla de Simpson 1/3, las dos reglas se combinan naturalmente sin pérdida del orden de exactitud. Si se combina la Regla de Simpson con la Regla del Trapecio, el orden de exactitud del método combinado está determinado por el orden de la Regla del Trapecio. 3.2.3. Extrapolación de Richardson Si para la integral exacta I(f) = ∫ b a f(x)dx se obtienen dos aproximaciones numéricas In1(f) e In2(f), que han sido calculadas aplicando la misma regla para n1 y n2 intervalos múltiples, es decir ambas mediante Regla del Trapecio o bien ambas por cualquiera de las Reglas de Simpson, entonces se puede lograr un mejoramiento de los resultados numéricos. Considerando h1 = (b− a) n1 y h2 = (b− a) n2 , si se modifica la notación precedente se puede escribir: 62 In1(f) = I(h1) y In2(f) = I(h2). Luego I(f) = I(h1) + E(h1) = I(h2) + E(h2) (*) donde E(h1) es el error cometido al obtener la integral numérica I(h1) y E(h2) es el errorcometido al obtener la integral numérica I(h2). Si I(h1) se obtuvo, por ejemplo la Regla del Trapecio múltiple para n1 intervalos se sabe que: E(h1) = − n1 12 · f (2)(ξ1) ( b− a n1 )3 = − 1 12 n1 (b− a) n1 f (2)(ξ1) ( b− a n1 )2 = − 1 12 (b− a)h21f (2)(ξ1) para algún ξ1 ∈ [a, b]. Análogamente, si I(h2) se obtuvo, aplicando la Regla del Trapecio múltiple para n2 intervalos se sabe que: E(h2) = − 1 12 (b− a)h22f (2)(ξ2) para algún ξ2 ∈ [a, b]. Si además se supone que f (2)(ξ1) ≈ f (2)(ξ2) entonces E(h2) E(h1) ≈ ( h2 h1 )2 y se obtiene que : E(h2) ≈ E(h1) ( h2 h1 )2 Reemplazando en (*) se obtiene: I(f) = I(h1) + E(h1) = I(h2) + E(h1) ( h2 h1 )2 Luego I(h1)− I(h2) = E(h1) ( h2 h1 )2 − E(h1) Aśı E(h1) ≈ I(h1)− I(h2)[( h2 h1 )2 − 1 ] 63 Es decir, se ha obtenido una expresión del error en base a las integrales calculadas y en base a los pasos de integración h1 y h2. Con esta expresión del error se obtiene un nuevo valor de la integral numérica I =≈ I(h1) + I(h1)− I(h2)[( h2 h1 )2 − 1 ] Fórmula de Extrapolación de Richardson El valor I es una aproximación de la integral exacta I(f) que mejora los resultados obtenidos en I(h1) y en I(h2). 64
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