Introducción a la integración numérica

Tema 7 Introducci´ on a la integraci´ on num´ erica Versi´ on: 13 de abril de 2009 7.1 Motivaci´ on La integral definida de una funci´on continua

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Tema 7

Introducci´ on a la integraci´ on num´ erica Versi´ on: 13 de abril de 2009

7.1

Motivaci´ on

La integral definida de una funci´on continua f : [a, b] ⊂ R 7→ R en el intervalo [a, b], Z

b

I(f ) =

f (x) dx

(7.1)

a

es el ´area de la regi´on del plano delimitada por la gr´afica de la funci´on, el eje de abscisas y las rectas verticales x = a y x = b (ver Figura 7.1).

a

b

´ Figura 7.1: Area encerrada entre la gr´afica de la funci´on f , el eje de abscisas y las rectas x = a y x = b. Este concepto matem´atico tiene, adem´as del c´alculo de ´areas, numerosas aplicaciones, de las que se citan s´olo algunas: La longitud del arco de la curva y = f (x) comprendido entre los puntos (a, f (a)) y (b, f (b)) viene dada por L=

Z bp

1 + (f 0 (x))2 dx

a

49

Introducci´ on a la integraci´ on num´ erica

50

La distancia recorrida por un objeto que se mueve con velocidad variable v = v(t) desde el instante t0 hasta el instante T viene dada por: Z

T

S=

v(t) dt t0

El centro de gravedad, C, del arco de la curva y = f (x), comprendido entre los puntos (a, f (a)) y (b, f (b)) tiene las coordenadas (L es la longitud de la curva): 1 xC = L

Z

b

p x 1 + y 02 dx

1 yC = L

a

Z

b

p x 1 + y 02 dx .

a

Si se conoce una primitiva, F , de la funci´on F , es bien sabido que el valor de la integral definida se puede calcular mediante la Regla de Barrow: Z

b

f (x) dx = F (b) − F (a). a

En la mayor´ıa de los casos, sin embargo, no se puede utilizar esta f´ormula, ya que no se conoce dicha primitiva. Es posible, por ejemplo, que no se conozca la expresi´on matem´atica de la funci´on f , sino s´olo sus valores en determinados puntos. Pero tambi´en hay funciones (de apariencia sencilla) para las que se puede demostrar que no tienen ninguna primitiva que pueda escribirse en t´erminos de funciones Z b 2 elementales (por ejemplo e−x dx ) a

La integraci´ on num´ erica es una herramienta de las matem´aticas que proporciona f´ ormulas y t´ ecnicas para calcular aproximaciones de integrales definidas. Gracias a ella se pueden calcular, aunque sea de forma aproximada, valores de integrales definidas que no pueden calcularse anal´ıticamente y, sobre todo, se puede realizar ese c´alculo en un ordenador.

7.2

F´ ormulas de cuadratura. Orden

Las f´ormulas que proporcionan una aproximaci´ on del valor de una integral definida se conocen con ormulas de cuadratura. el nombre de f´ En sus versiones m´as sencillas, estas f´ormulas aproximan el ´area bajo la curva por el ´area, “ parecida”, de un paralelogramo. Esto s´olo proporciona una buena aproximaci´ on si la base del paralelogramo es peque˜ na. Por ello, las f´ormulas verdaderamente u ´tiles aproximan la integral definida mediante una suma finita de ´areas de paralelogramos de “base peque˜ na”. V´eanse las Figuras 7.2 y 7.3. En general, las f´ormulas de cuadratura se pueden escribir en la forma: I ∗ (f ) =

n X

αk f (xk ),

(7.2)

k=1

variando unas de otras en la forma de elegir los puntos {x1 < · · · < xn } en el intervalo [a, b] y los coeficientes (tambi´en llamados pesos) αk , k = 1, . . . , n.

Introducci´ on a la integraci´ on num´ erica

a

51

a

b

Figura 7.2: El ´area bajo la curva se aproxima por el ´area del rect´angulo de base el segmento [a, b] y altura f (a).

b

Figura 7.3: El ´area se aproxima mediante una suma finita de ´areas de rect´angulos similares al de la Figura 7.2, pero de base “peque˜ na”.

Para determinar el grado de exactitud de una f´ormula de cuadratura, es decir el error que se comete al sustituir la integral definida por la suma finita, Z ∗

E(f ) = I(f ) − I (f ) =

b

f (x) dx − a

n X

αk f (xk ),

k=1

se suele utilizar el concepto de orden. Se dice que una f´ormula de cuadratura es de orden m (o bien que es exacta para polinomios de grado m) si el error de dicha f´ormula verifica: ( E(xk ) = 0, para k = 0, . . . , m (7.3) m+1 E(x ) 6= 0. lo cual significa que la f´ormula en cuesti´on proporciona el valor exacto de la integral definida cuando se utiliza con una funci´on f que es un polinomio de grado menor o igual que m y no proporciona, en general, el valor exacto para polinomios de grado mayor que m.

7.3

F´ ormulas de cuadratura elementales

1. Las f´ormulas de cuadratura m´as sencillas son las f´ ormulas de los rect´ angulos: Z a

Z

b

f (x) dx ≈ I1 (f ) = (b − a)f (a),

a

b

f (x) dx ≈ I2 (f ) = (b − a)f (b).

(7.4)

En el primer caso se aproxima la integral por el ´area del rect´angulo de base [a, b] y altura f (a) y en el segundo por el de altura f (b) (ver Figuras 7.4 y 7.5). Es obvio que ambas son de orden cero, es decir, exactas para polinomios constantes.

Introducci´ on a la integraci´ on num´ erica

a

52

a

b

Figura 7.4: F´ormula del rect´angulo de altura f (a).

b

Figura 7.5: F´ormula del rect´angulo de altura f (b).

2. La f´ ormula del punto medio es similar a las anteriores pero tomando como altura del rect´angulo el valor de f en el punto medio del intervalo (ver la Figura 7.6): Z

b

f (x) dx ≈ I3 (f ) = (b − a)f (

a

a+b ). 2

(7.5)

Esta f´ormula es de orden 1: Z E(1) = a

Z a

Z

b

E(x ) = a

dx − I3 (1) = (b − a) − (b − a) = 0

¸ · ¸ (a + b) 1 2 2 (b − a ) − (b − a) =0 x dx − I3 (x) = 2 2

b

E(x) = 2

b

·

·

¸ · ¸ 1 3 1 2 3 2 x dx − I3 (x ) = (b − a ) − (b − a )(a + b) 6= 0 3 4 2

2

3. En la f´ ormula del trapecio se aproxima la integral por el ´area del trapecio mostrado en la Figura 7.7. Esta f´ormula tambi´en es de orden 1: Z a

b

f (x) dx ≈ I4 (f ) =

b−a ( f (a) + f (b) ). 2

¸ b−a E(1) = dx − I4 (1) = (b − a) − 2 =0 2 a · ¸ · ¸ Z b 1 2 b−a 2 E(x) = x dx − I3 (x) = (b − a ) − (a + b) = 0 2 2 a Z

Z E(x2 ) = a

b

·

b

· x2 dx − I3 (x2 ) =

¸ · ¸ 1 3 b−a 2 (b − a3 ) − (b − a2 ) 6= 0 3 2

(7.6)

Introducci´ on a la integraci´ on num´ erica

a

c

53

a

b

Figura 7.6: F´ormula del punto medio (c = (a + b)/2).

b

Figura 7.7: F´ormula del trapecio.

4. La u ´ltima de las f´ormulas elementales que se muestran aqu´ı es la f´ ormula de Simpson. En ´esta, se aproxima la integral de f por el ´area encerrada bajo un arco de par´abola que coincide con f en tres puntos: los extremos del intervalo [a, b] y su punto medio (ver la Figura 7.7). Z a

b

b−a f (x) dx ≈ I5 (f ) = 6

a

c

µ µ ¶ ¶ a+b f (a) + 4f + f (b) . 2

(7.7)

b

Figura 7.8: F´ormula de Simpson: ´area bajo la a+b . par´abola que coincide con f en a, b y c = 2

Razonando como antes, es posible comprobar, que la f´ormula de cuadratura de Simpson es de orden 3, es decir es exacta para polinomios de grado 3.

Introducci´ on a la integraci´ on num´ erica

54

EJEMPLO: Se considera la funci´on f (x) = cos(2x), para la que se tiene Z

1

I(f ) =

cos(2x) dx = 0

1 sen(2) = 0.4546 2

1. F´ormulas de los rect´angulos: I1 (f ) = cos(0) = 1,

I2 (f ) = cos(2) = −0.4161,

2. F´ormula del punto medio: I3 (f ) = cos(1) = 0.5403, 3. F´ormula del trapecio: 1 I4 (f ) = (cos(0) + cos(2)) = 0.2919 2 4. F´ormula de Simpson: 1 I5 (f ) = (cos(0) + 4 cos(1) + cos(2)) = 0.4575 6

Es posible proponer otras f´ormulas de cuadratura del estilo de las anteriores, por ejemplo utilizando el valor de la funci´on en m´as puntos, o tambi´en, eligiendo los puntos de manera ´optima para conseguir que la f´ormula de cuadratura asociada sea del mayor orden posible. Pero ese estudio queda fuera del ´ambito de estas notas. Para m´as detalles se pueden consultar, por ejemplo las referencias [1] y [2].

7.4

F´ ormulas de cuadratura compuestas

Cuando el n´ umero de puntos aumenta (n grande), las f´ormulas de cuadratura simples consideradas en la secci´on anterior, en general no proporcionan aproximaciones muy “fiables” de la integral. En la pr´actica, se usan las f´ ormulas de cuadratura compuestas, cuya idea de base es descomponer la integral definida en una suma de integrales sobre sub-intervalos “peque˜ nos” y aplicar las f´ormulas anteriores sobre cada uno de ellos: Sean {a = x1 < x2 · · · < xn = b} un conjunto de n puntos en el intervalo [a, b]. Por las propiedades de la integral se tiene: Z

Z

b

f (x) dx = a

Z

x2

f (x)dx + x1

Z

x3

xn

f (x) dx + · · · + x2

f (x) dx = xn−1

n−1 X i=1

Z

xi+1

f (x) dx xi

(7.8)

Introducci´ on a la integraci´ on num´ erica

55

Se utiliza alguna de las f´ormulas elementales (sea Ik ) en cada sub-intervalo: Z

b

f (x) dx = a

Z

n−1 X

xi+1

f (x) dx ≈ xi

i=1

n−1 X

Ik (f ; [xi , xi+1 ]).

(7.9)

i=1

Las f´ormulas mostradas en la Secci´on 6.3 dan lugar, as´ı, a las siguientes f´ormulas compuestas. 1. F´ ormulas de los rect´ angulos compuestas: (ver las Figuras 7.9 y 7.10): Z a

Z

b

a

b

f (x) dx ≈ I1c (f ) =

n−1 X

I1 (f ; [xi , xi+1 ]) =

i=1

f (x) dx ≈ I2c (f ) =

n−1 X

n−1 X

(xi+1 − xi )f (xi ),

i=1

I2 (f ; [xi , xi+1 ]) =

i=1

n−1 X

(xi+1 − xi )f (xi+1 ).

i=1

En el caso particular en que todos los sub-intervalos tienen la misma longitud, h, como en la Figura 7.12, las f´ormulas anteriores se simplifican, tomando la forma: I1c (f ) =

n−1 X

(xi+1 − xi )f (xi ) =

i=1

I2c (f )

=

n−1 X

h f (xi ) = h

i=1

(xi+1 − xi )f (xi+1 ) =

i=1

x1x2 x3

n−1 X

n−1 X

f (xi .

i=1

h f (xi+1 ) = h

i=1

n−1 X

f (xi+1 ),

i=1

x1

xn

Figura 7.9: F´ormula de los rect´angulos compuesta (I1c ).

n−1 X

xn

h h

Figura 7.10: F´ormula de los rect´angulos compuesta (I2c ). Sub-intervalos de igual longitud.

2. F´ ormula del punto medio compuesta: (ver la Figura 7.11): Z a

b

f (x) dx ≈ I3c (f ) =

n−1 X i=1

I3 (f ; [xi , xi+1 ]) =

n−1 X i=1

(xi+1 − xi )f (

xi + xi+1 ), 2

Introducci´ on a la integraci´ on num´ erica

56

que, en el caso en que todos los sub-intervalos son de igual longitud se escribe: Z

b

a

x1

n−1 X

f (x) dx ≈ I3c (f ) =

h f(

i=1

n−1 X xi + xi+1 xi + xi+1 )=h f( ). 2 2 i=1

xn

h h

x1

Figura 7.11: F´ormula del punto medio compuesta.

h

h

xn

Figura 7.12: F´ormula de los trapecios compuesta.

3. La F´ ormula de los trapecios compuesta se construye de igual forma (ver la Figura 7.12): Z

b

f (x) dx ≈ a

I4c (f )

=

n−1 X

I4 (f ; [xi , xi+1 ]) =

i=1

n−1 X

(xi+1 − xi )

i=1

f (xi ) + f (xi+1 ) , 2

y, en el caso de sub-intervalos de igual longitud, I4c (f ) =

n−1 X

n−1

(xi+1 − xi )

i=1

f (xi ) + f (xi+1 ) X f (xi ) + f (xi+1 ) = h = 2 2 i=1

n−1 h X h (f (xi ) + f (xi+1 )) = 2 2

à f (x1 ) + 2

i=1

n−1 X

! f (xi ) + f (xn )

i=2

4. Por u ´ltimo, la F´ ormula de Simpson compuesta se escribe: Z

b

f (x) dx ≈ a n−1 X i=1

I5c (f )

=

n−1 X

I5 (f ; [xi , xi+1 ]) =

i=1

(xi+1 − xi ) 6

µ µ ¶ ¶ xi + xi+1 f (xi ) + 4 f + f (xi+1 ) , 2

que, en el caso de sub-intervalos de igual longitud, se transforma en: I5c (f )

=

n−1 X i=1

h 6

µ µ ¶ ¶ xi + xi+1 f (xi ) + 4 f + f (xi+1 ) = 2

Introducci´ on a la integraci´ on num´ erica

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¶ ¶ µ n−1 µ h X xi + xi+1 + f (xi+1 ) = f (xi ) + 4 f 6 2 h 6

i=1

(

f (x1 ) + 2

n−1 X

f (xi ) + f (xn ) + 4

i=2

n−1 X

µ f

i=1

xi + xi+1 2

¶) .

EJEMPLO: Se considera de nuevo la integral definida del ejemplo anterior, Z 1 1 I(f ) = cos(2x) dx = sen(2) = 0.4546. 2 0 Utilizando la f´ormula de los puntos medios con 5 sub-intervalos de igual longitud (es decir, h = 1/5 = 0.2 y {xi }6i=1 = {0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1}), se obtiene: I3c (f )

=h

5 X i=1

¶ µ 5 X xi + xi+1 = 0.2 cos(xi + xi+1 ) cos 2 2 i=1

= 0.2 (cos(0.2) + cos(0.6) + cos(1) + cos(1.4) + cos(1.8)) = 0.4577 Utilizando la f´ormula de los trapecios, tambi´en con 5 sub-intervalos de igual longitud se obtendr´ıa: 5 h X (cos(2xi ) + cos(2xi+1 )) I4c (f ) = 2 i=1

= 0.1 (cos(0) + 2[cos(0.4) + cos(0.8) + cos(1.2) + cos(1.6)] + cos(2)) = 0.4486 Y finalmente, con la f´ormula de Simpson compuesta con los mismos sub-intervalos se obtiene I5c (f )

µ ¶ ¶ 5 µ h X xi + xi+1 = cos(2xi ) + 4 cos 2 + cos(2xi+1 ) 6 2 i=1

= 0, 3333 {cos(0) + 2(cos(0.4) + cos(0.8) + cos(1.2) + cos(1.6)) + cos(2) + 4(cos(0.2) + cos(0.6) + cos(1) + cos(1.4) + cos(1.8))} = 0.4546

Bibliograf´ıa Versi´ on: 13 de abril de 2009

´n Gonza ´ lez Un Curso de C´ [1] A. Doubova, F. Guille alculo Num´erico: Interpolaci´ on, Aproximaci´ on, Integraci´ on y Resoluci´ on de Ecuaciones Diferenciales, Secretariado de Publicaciones, Univ. de Sevilla, 2007. [2] J.H. Mathews, K.D. Fink, M´etodos Num´ericos con MATLAB, Prentice-Hall, 2000.

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