Integración Numérica. Regla de Simpson.

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Transcripción:

Integración Numérica. Regla de Simpson. MAT-251 Dr. CIMAT A.C. e-mail: alram@cimat.mx web: http://www.cimat.mx/~alram/met_num/ Dr. Salvador Botello CIMAT A.C. e-mail: botello@cimat.mx

Lo que ya se vió Vimos que para integrar numéricamente un función, le ajustamos un polinomio y lo integramos numéricamente en un intervalo h. Los interpoladores que usamos son sencillos de tal manera que suponemos que h es pequeño y que un polinomio de bajo orden puede capturar la complejidad de la función. Notamos que si disminuye el valor de h, aumenta la precisión. 2

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Idea general de integración numérica Lo que hacemos en general es que ajustamos un polinomio de Lagrange en el intervalo [a,b] Y sabemos que el error es en general

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Regla de Simpson La idea ahora es ajustar un polinomio de grado 2 a las observaciones

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Regla de Simpson Para la deducción, sin pérdida de generalidad vamos a integrar una función en el intervalo [-h,h], usando también el punto intermedio x = 0. Interpolamos la función con el polinomio cuadrático Pasando por los puntos

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Regla de Simpson Una vez que hemos ajustado el polinomio cuadrático, podemos calcular el área de manera mas fácil como: Esto queda en términos de a y c

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Regla de Simpson Y nótese que los puntos usados para la interpolación pertenecen a la parábola, por lo tanto: Si de manera conveniente calculamos:

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Regla de Simpson Por lo tanto, el área bajo la parábola es

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Regla de Simpson La forma alternativa es presentarlo en el resultado para el intervalo [a,b], donde el punto intermedio de evaluación es xm=(a+b)/2.

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Aplicación de la regla de Simpson Consideremos la integral definida para la función continua f(x): Dividimos el intervalo en n intervalos equi-distribuidos (con n par) Lo cual nos genera los n+1 puntos Con las evaluaciones

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Aplicación de la regla de Simpson

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Aplicación de la regla de Simpson Simplificando la fórmula nos queda Z b a f(x) = x 3 2 4f(x 0 )+2 (n/2) 1 X j=1 f(x 2j )+4 n/2 X j=1 3 f(x 2j 1 )+f(x n ) 5

Ejemplo Evaluar con n=6 la siguiente integral Tenemos que Y calculamos (solo necesitamos evaluar f(x)) Quedando:

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Integrando lo anterior simbólicamente con Matlab (2*x*(x^3 + 1)^(1/2))/5 + (6*((3^(1/2)*i)/2 + 3/2)*((x + (3^(1/2)*i)/2-1/2)/((3^(1/2)*i)/2-3/2))^(1/2)*((x + 1)/((3^(1/2)*i)/2 + 3/2))^(1/2)*((1/2 + (3^(1/2)*i)/2 - x)/((3^(1/2)*i)/2 + 3/2))^(1/2)*ellipticF(asin(((x + 1)/ ((3^(1/2)*i)/2 + 3/2))^(1/2)), -((3^(1/2)*i)/2 + 3/2)/ ((3^(1/2)*i)/2-3/2)))/(5*(- (3^(1/2)*(i/2) - 1/2)*(3^(1/2)*(i/2) + 1/2) - x*((3^(1/2)*(i/2) - 1/2)*(3^(1/2)*(i/2) + 1/2) + 1) + x^3)^(1/2))

Errores de aproximación Cuando:

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Ventajas en términos de errores de aproximación Para la integración por el método de Simpson, si f C 4 [a,b], entonces existe un número en (a,b) tal que

Ventajas en términos de errores de aproximación Para la integración por el método de Simpson, si f C 4 [a,b], entonces existe un número en (a,b) tal que E( ) = f 4 ( ) 2 5 90 25 h 5

Ventajas en términos de errores de aproximación Herramientas para obtener cota aprox. : Usamos la expansión de series de Taylor de la función f(x) alrededor de x1. 1

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Ventajas en términos de errores de aproximación Herramientas para la demostración: Para esto usamos como herramienta el teorema del valor medio ponderado: ya que (x-x1) 4 nunca es negativo en [x0,x2]

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Ejemplos de las ventajas de regla de Simpson Ejemplo de evaluación de integrales en el intervalo [1,1.2] Ejemplo de evaluación de integrales en el intervalo [0,2]

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