Num´erico -UFJF
Introdu¸c˜ao F´ormulas Fechadas Formulas de Newton-Cotes An´alise do Erro de Integra¸c˜ao
Regras de Integra¸c˜ao Generalizadas
Formulas de Newton-Cotes An´alise dos Erros das F´ormulas Generalizadas
M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Integra¸c˜ao Num´erica
DCC008 - C´alculo Num´erico
Prof. Ruy Freitas Reis -ruyfreitas@ice.ufjf.br
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Introdu¸c˜ao F´ormulas Fechadas Formulas de Newton-Cotes An´alise do Erro de Integra¸c˜ao
Regras de Integra¸c˜ao Generalizadas
Formulas de Newton-Cotes An´alise dos Erros das F´ormulas Generalizadas
M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Conte´udo
1 Introdu¸c˜ao
2 F´ormulas Fechadas
Formulas de Newton-Cotes An´alise do Erro de Integra¸c˜ao
3 Regras de Integra¸c˜ao Generalizadas Formulas de Newton-Cotes
An´alise dos Erros das F´ormulas Generalizadas
4 M´etodo dos Coeficientes Indeterminados
5 Quadratura Gaussiana
Num´erico -UFJF Introdu¸c˜ao
F´ormulas Fechadas Formulas de Newton-Cotes An´alise do Erro de Integra¸c˜ao
Regras de Integra¸c˜ao Generalizadas
Formulas de Newton-Cotes An´alise dos Erros das F´ormulas Generalizadas
M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Conte´udo
1 Introdu¸c˜ao
2 F´ormulas Fechadas
Formulas de Newton-Cotes An´alise do Erro de Integra¸c˜ao
3 Regras de Integra¸c˜ao Generalizadas Formulas de Newton-Cotes
An´alise dos Erros das F´ormulas Generalizadas
4 M´etodo dos Coeficientes Indeterminados
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F´ormulas Fechadas Formulas de Newton-Cotes An´alise do Erro de Integra¸c˜ao
Regras de Integra¸c˜ao Generalizadas
Formulas de Newton-Cotes An´alise dos Erros das F´ormulas Generalizadas
M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Introdu¸c˜ao
• Estamos interessados em estudar m´etodos num´ericos para calcular de forma aproximada a integral de uma fun¸c˜ao com uma vari´avel real em um intervalo[a, b].
• O problema consiste em: encontrar
I =I(f) =
Z b
a
f(x) dx
onde f(x)´e uma fun¸c˜ao cont´ınua com derivadas cont´ınuas no intervalo [a, b].
• SejaF(x) a fun¸c˜ao primitiva def(x), tal que
F′(x) =f(x). Pelo Teorema Fundamental do C´alculo
(TFC) sabemos que o valor da integral ´e dado por
I =
Z b
a
f(x)dx=F(b)−F(a)
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Introdu¸c˜ao
Exemplo
CalcularR02x4 dx. ComoF(x) = x55 satisfaz F′(x) =x4=f(x), pelo TFC, temos
I =
Z 2
0
x4 dx= 255 −055 = 325 = 6.4 Algumas observa¸c˜oes:
• nem sempre conseguimos determinar a primitivaF(x)
Z b
a
ex2 dx
• em algumas situa¸c˜oes a manipula¸c˜ao deF(x)pode ser complexa
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Introdu¸c˜ao
• De forma geral, a integra¸c˜ao num´erica consiste em integrar o polinˆomio Pn(x) que interpola os pontos
(x0, f(x0)),(x1, f(x1)), . . . ,(xn, f(xn)) onde x0, . . . , xn∈[a;b]
• Ou seja,
I =
Z b
a
f(x)dx≈ Z xn
x0
Pn(x)dx
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Conte´udo
1 Introdu¸c˜ao
2 F´ormulas Fechadas
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3 Regras de Integra¸c˜ao Generalizadas Formulas de Newton-Cotes
An´alise dos Erros das F´ormulas Generalizadas
4 M´etodo dos Coeficientes Indeterminados
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Conte´udo
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3 Regras de Integra¸c˜ao Generalizadas Formulas de Newton-Cotes
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5 Quadratura Gaussiana
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Introdu¸c˜ao
• Considera-se inicialmente as f´ormulas de Newton-Cotes do tipo fechada, isto ´e, quando x0 =ae xn=b
• Ser˜ao adotados aqui polinˆomios interpoladores Pn(x) sobre n´os igualmente espa¸cados no intervalo [a;b]
• Assim,
xi=
b−a n
i+a; i= 0,1, . . . , n
• Al´em disso,
h= b−a
n ⇒xi =x0+ih; i= 0,1, . . . , n • A Forma de Lagrangedo polinˆomio interpolador ser´a
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Regra do Retˆangulo
• O polinˆomio mais simples ´e uma constante
• f(x)´e aproximada pelo seu valor em x0 =a(ou em x1=b), de tal forma que
Z b
a
f(x) dx≈ Z b
a
P0(x) dx=
Z b
a
f(a)dx
=xf(a)
b
a
= (b−a)f(a) = hf(a) =IR
a b
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Regra do Ponto M´edio
• Tamb´em pode-se aproximar f(x) por uma outra constante tomada ao avaliar f(x) em algum outro ponto do
intervalo[a;b]
• Uma escolha comum ´e o ponto m´edio do intervalo Z b
a
f(x) dx≈(b−a)f
a+b
2
= hf
a+b
2
=IM
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Regra do Trap´ezio
• SejaP1(x)o polinˆomio interpolador de f(x) que passa
pelos pontos (x0, f(x0))e (x1, f(x1)), comx0=ae x1=b, ent˜ao
Z b
a
f(x)dx≈ Z x1
x0
P1(x)dx
• A Forma de Lagrange do Polinˆomio interpolador ´e dada por
P1(x) =f(x0)L0(x) +f(x1)L1(x) L0(x) =
x−x1 x0−x1
e L1(x) =
x−x0 x1−x0 • Assim,
Z x1
x0
P1(x)dx=
Z x1
x0
[f(x0)L0(x) +f(x1)L1(x)]dx
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Regra do Trap´ezio
Ent˜ao
Z x1
x0
P1(x)dx
=f(x0) Z x1
x0
x−x1
x0−x1 | {z }
L0(x)
dx+f(x1) Z x1
x0
x−x0
x1−x0 | {z }
L1(x) dx
• Sabe-se quex1=x0+h
• Cada integral pode ser determinada, fazendo a seguinte substitui¸c˜ao:
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Regra do Trap´ezio
Deste modo, podemos calcular:
Zx1
x0
P1(x)dx=f(x0)
Z x1
x0
x−x1 x0−x1
dx+f(x1)
Zx1
x0
x−x0 x1−x0
dx
=f(x0) Z 1
0
x0+zh−x0−h
−h hdz+f(x1)
Z 1
0
x0+zh−x0 h hdz
=−f(x0)
Z1
0
(zh−h)dz+f(x1)
Z1
0 zhdz
=−hf(x0)
Z1
0
(z−1)dz+hf(x1) Z 1
0 zdz
=−hf(x0)
z2
2 −z 1 0
+hf(x1) z2 2 1 0
=−hf(x0)
12
2 −1
+hf(x1)
12
2
=h 2f(x0) +
h
2f(x1) =
h
2(f(x0) +f(x1))
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Regra do Trap´ezio
IT =
h
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Exemplo
Exemplo - Regra do Trap´ezio
Calcule de forma aproximada o valor da seguinte integral R1.2
0 excos (x) dxusando aregra do trap´ezio.
Solu¸c˜ao do Exemplo
Temosa=x0 = 0 e b=x1= 1.2, logoh=x1−x0= 1.2.
Calculando os valores da fun¸c˜ao emx0 e x1 temos
f(0) =e0cos (0) = 1 f(1.2) =e1.2cos (1.2) = 1.20
logo
I = 1.2
2 [f(0) +f(1.2)] = 0.6[1 + 1.20] = 1.32
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Solu¸c˜ao do Exemplo
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.0
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
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Regra 1/3 de Simpson
• Aproximandof(x) por um polinˆomio interpoladorP2(x),
ent˜ao
Z b
a
f(x)dx≈ Z x2
x0
P2(x)dx
• A Forma de Lagrange do Polinˆomio interpolador ´e dada por
P2(x) =f(x0)L0(x) +f(x1)L1(x) +f(x2)L2(x) L0(x) =
(x−x1)(x−x2)
(x0−x1)(x0−x2) L1(x) =
(x−x0)(x−x2)
(x1−x0)(x1−x2) L2(x) =
(x−x0)(x−x1)
(x2−x0)(x2−x1)
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Regra 1/3 de Simpson
• Assim,
Z x2
x0
P2(x)dx=f(x0)
Z x2
x0
(x−x1)(x−x2)
(x0−x1)(x0−x2) dx+
f(x1)
Z x2
x0
(x−x0)(x−x2)
(x1−x0)(x1−x2)
dx+
f(x2) Z x2
x0
(x−x0)(x−x1)
(x2−x0)(x2−x1)
dx
• Sabe-se quex1=x0+h e x2 =x0+ 2h
• Cada integral da soma ´e ent˜ao determinada trocando
x=x0+zh; z∈[0; 2]
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Regra 1/3 de Simpson
Zx2
x0
(x−x1)(x−x2)
(x0−x1)(x0−x2)
dx= Z 2
0
(x0+zh−x0−h)(x0+zh−x0−2h)
(−h)(−2h) hdz
= Z 2
0
(zh−h)(zh−2h)
2h dz
= h
2
2h
Z 2
0
(z−1)(z−2)dz
= h 2
Z 2
0
(z2−3z+ 2)dz
= h 2
z3
3 − 3z2
2 + 2z 2 0 = h 2 (2)3 3 − 3(2)2
2 + 2(2)
= h
6(8−18 + 12) =
h
3
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Regra 1/3 de Simpson
Z x2
x0
(x−x0)(x−x2) (x1−x0)(x1−x2)dx=
Z 2
0
(x0+zh−x0)(x0+zh−x0−2h)
(h)(−h) hd
=
Z 2
0
(zh)(zh−2h) −h dz
= h
2
−h
Z 2
0
z(z−2)dz
=−h
z3
3 − 2z2
2
2
0
=−h
(2)3
3 −(2)
2
= −h
3 (8−12) = 4h
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Regra 1/3 de Simpson
Z x2
x0
(x−x0)(x−x1) (x2−x0)(x2−x1)
dx=
Z 2
0
(x0+zh−x0)(x0+zh−x0−h)
(2h)(h) hdz
=
Z 2
0
(zh)(zh−h) 2h dz
= h
2
2h
Z 2
0
z(z−1)dz
= h 2 z3 3 − z2 2 2 0 = h 2 (2)3 3 − (2)2 2 = h
12(16−12) = h
3
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Regra 1/3 de Simpson
• Sendo Z x2
x0
P2(x)dx=f(x0)
Z x2
x0
(x−x1)(x−x2)
(x0−x1)(x0−x2) dx+
f(x1)
Z x2
x0
(x−x0)(x−x2)
(x1−x0)(x1−x2)
dx+
f(x2) Z x2
x0
(x−x0)(x−x1)
(x2−x0)(x2−x1)
• Obt´em-se ent˜ao Z x2
x0
P2(x)dx=f(x0)
h
3 +f(x1)
4h
3 +f(x2) h 3
= h
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Regra 1/3 de Simpson
I1/3S =
h
3[f(x0) + 4f(x1) +f(x2)]
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Exemplo
Exemplo - Regra 1/3 de Simpson
Vamos calcular o valor da integralR01.2excosx dx. Temos que
h= x2−x0 2
Pela f´ormula ´e preciso calcular o valore def(x) emx0,x1 ex2. f(x0) =f(0) =e0cos (0) = 1
f(x1) =f(0.6) =e0.6cos (0.6) = 1.50 f(x2) =f(1.2) =e1.2cos (1.2) = 1.20
assim
I = 0.6
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Regra 3/8 de Simpson
• Aproximandof(x) por um polinˆomio interpoladorP3(x),
ent˜ao
Z b
a
f(x)dx≈ Z x3
x0
P3(x)dx
• A Forma de Lagrange do Polinˆomio interpolador ´e dada por
P3(x) =f(x0)L0(x) +f(x1)L1(x) +f(x2)L2(x) +f(x3)L3(x)
L0(x) = (x−x1)(x−x2)(x−x3)
(x0−x1)(x0−x2)(x0−x3)
L1(x) =
(x−x0)(x−x2)(x−x3)
(x1−x0)(x1−x2)(x1−x3)
L2(x) =
(x−x0)(x−x1)(x−x3)
(x2−x0)(x2−x1)(x2−x3)
L3(x) = (x−x0)(x−x1)(x−x2)
(x3−x0)(x3−x1)(x3−x2)
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Regra 3/8 de Simpson
• Novamente, pode-se utilizar o polinˆomio interpolador na Forma de Lagrange
• A Regra 3/8 de Simpson ´e definida como
I3/8S=
3h
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Resumo
• Regra Retˆangulo
IR=h∗f(a)
• Regra Ponto-M´edio
IM =h∗f
a+b
2
• Regra Trap´ezio
IT =
h
2(f(x0) +f(x1))
• Regra 1/3 Simpson
I1/3S =
h
3 (f(x0) + 4f(x1) +f(x2))
• Regra 3/8 Simpson
I3/8S =
3h
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Exemplo
Exemplo - Regra 3/8 de Simpson
Podemos calcular novamenteR01.2excos (x)dx, agora pela regra 3/8 de Simpson. Para tal, sabemos queh= 1.2−0
3 = 0.4
e assim calculamos
f(0) = 1, f(0) = 1.37
f(0.8) = 1.55, f(1.2) = 1.2
logo
I = 3(0.4)
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Exerc´ıcios
Sabe-se que
ln 2 =
Z 2
1
1
xdx
Utilizando oito d´ıgitos significativos e as f´ormulas de Newton-Cotes, calcule uma aproxima¸c˜ao paraln 2, e o erro relativo cometido, com
a) n= 1, h= 1
b) n= 2, h= 1/2
c) n= 3, h= 1/3
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Conte´udo
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4 M´etodo dos Coeficientes Indeterminados
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Introdu¸c˜ao
• Vamos considerar agora o erro cometido ao usar as regras de quadratura apresentadas at´e agora.
• Em todos os casos aproximamos f(x) por um polinˆomio interpoladorPn(x) de grau nno intervalo[a, b]
• Calculamos a integral de Pn como aproxima¸c˜ao para a integral.
• Erro cometido ´e dado por
E=
Z b
a
[f(x)−Pn(x)] dx
• Como vimos no estudo de interpola¸c˜ao, o erro ´e dado por
f(x)−Pn(x) = (x−x0)(x−x1). . .(x−xn)
f(n+1) (η(x))
(n+ 1)!
onde η(x) ´e um ponto entre[a, b]e x0, . . . , xn s˜ao os pontos de interpola¸c˜ao.
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An´alise do Erro de Integra¸c˜ao
Regras de Integra¸c˜ao Generalizadas
Formulas de Newton-Cotes An´alise dos Erros das F´ormulas Generalizadas
M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Erro na Integra¸c˜ao Num´erica
• Assim de forma geral temos que
E = (n+1)!1
Z b
a
(x−x0)(x−x1). . .(x−xn)f(n+1)(η) dx
• Antes de continuar vamos enunciar um resultado do qual faremos uso na dedu¸c˜ao das f´ormulas dos erros cometidos na integra¸c˜ao num´erica.
Teorema Valor M´edio para Integrais
Sejamh(x) e g(x)fun¸c˜oes cont´ınuas em [a, b]tal que h(x)n˜ao muda de sinal, ent˜ao existeξ ∈[a, b]tal que
Z b
a
h(x)g(x)dx=g(ξ)
Z b
a
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Erro na Regra do Retˆangulo
Nesse cason= 0 e x0 =a, portanto ER=
Z b
a
(x−a)f′(η(x))dx
Aplicando o teorema do valor m´edio para integrais temos
ER= Z b
a
(x−a)f′(η(x))dx=f′(ξ)
Z b
a
x−a dx
=f′(ξ)hx2
2 −ax
i b
a
=f′(ξ)hb2
2 −ab−a
2
2 +a2
i
= f′(ξ) 2
b2−2ab+a2 isto ´e
ER=
f′(ξ)
2 (b−a)
2
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Erro na Regra do Retˆangulo
ER=
f′(ξ)
2 (b−a)
2
Devido a dificuldade de determinar o pontoξ, em geral trabalhamos com um limitante superior para o erro, o qual ´e dado por
|ER| ≤
M1
2 (b−a)
2
ondeM1 ´e um limitante para |f′(x)|em [a, b], isto ´e
M1= max
a≤x≤b|f
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Erro na Regra do Trap´ezio
Para a regra do trap´ezio temosn= 1 e x0 =ae x1 =b, assim
temos
ET =
1 2
Z b
a
(x−a)(x−b)f′′(η(x))dx
Como(x−a)(x−b) n˜ao muda de sinal, usamos o teorema do valor m´edio para integrais e obtemos
ET =
f′′(ξ)
2
Z b
a
(x−a)(x−b) dx que ap´os integra¸c˜ao resulta em
ET =−
f′′(ξ)
12 (b−a)
3
ondeM2 ´e um limitante para a segunda derivada de |f′′(x)|no
intervalo[a, b].
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Erro na Regra do Trap´ezio
Para a regra do trap´ezio temosn= 1 e x0 =ae x1 =b, assim
temos
ET =
1 2
Z b
a
(x−a)(x−b)f′′(η(x))dx
Como(x−a)(x−b) n˜ao muda de sinal, usamos o teorema do valor m´edio para integrais e obtemos
ET =
f′′(ξ)
2
Z b
a
(x−a)(x−b) dx que ap´os integra¸c˜ao resulta em
ET =−
f′′(ξ)
12 (b−a)
3 ⇒ |E
T| ≤
M2
12(b−a)
3
ondeM2 ´e um limitante para a segunda derivada de |f′′(x)|no
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Resumo
• Regra do Retˆangulo
ER=
f′(c)
2 (b−a)
2 ou ER=
f′(c)
2 h
2
• Regra do Trap´ezio
ET= −
f′′(c)
12 (b−a)
3 ou
ET= −
f′′(c)
12 h
3
• Regra do Ponto M´edio
EM =
f′′(c)
24 (b−a)
3 ou
EM =
f′′(c)
24 h
3
• Regra 1/3 de Simpson
E1/3S=−
f(4)(c) 2880 (b−a)
5
ou E1/3S=−
f(4)(c) 90 h
5
• Regra 3/8 de Simpson
E3/8S= −
f(4)(c) 6480 (b−a)
5 ou
E3/8S= −
3f(4)(c)
80 h
5
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Regras de Integra¸c˜ao Generalizadas
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Exerc´ıcios
1) Um exemplo de aplica¸c˜ao de integra¸c˜ao num´erica extremamente importante ´e para aproximar o calculo de integrais que n˜ao possuem solu¸c˜ao anal´ıtica, tal como:
Z 1
0
ex2dx.
a) Aproxime essa integral pela regra do trap´ezio e calcule uma cota superior para esta aproxima¸c˜ao. Vocˆe acha que o resultado ´e confi´avel?
b) Agora aproxime essa integral pela regra 1/3 de Simpson e calcule uma cota superior para o erro. (Dica
f(4)= 4e−x 2
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Conte´udo
1 Introdu¸c˜ao
2 F´ormulas Fechadas
Formulas de Newton-Cotes An´alise do Erro de Integra¸c˜ao
3 Regras de Integra¸c˜ao Generalizadas Formulas de Newton-Cotes
An´alise dos Erros das F´ormulas Generalizadas
4 M´etodo dos Coeficientes Indeterminados
5 Quadratura Gaussiana
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Conte´udo
1 Introdu¸c˜ao
2 F´ormulas Fechadas
Formulas de Newton-Cotes An´alise do Erro de Integra¸c˜ao
3 Regras de Integra¸c˜ao Generalizadas Formulas de Newton-Cotes
An´alise dos Erros das F´ormulas Generalizadas
4 M´etodo dos Coeficientes Indeterminados
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Introdu¸c˜ao
• Quando o intervalo ´e grande, pode n˜ao ser conveniente aumentar o grau do polinˆomio interpolador
• Uma ideia ´e dividir o intervalo original em diversos subintervalos e aplicar uma regra de integra¸c˜ao em cada subintervalo
• Essas s˜ao as chamadas regras repetidas
• generalizadas • compostas
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Regra do Retˆangulo Generalizada
• Dividindo o intervalo [a;b]emm subintervalos, com x0=a,xm=b e xi=a+ih para i= 0, . . . , m, ent˜ao
I =
Z b
a
f(x)dx=
m X
i=1
Z xi
xi−1
f(x)dx
• Sendo a Regra do Retˆangulo dada por
IR=hf(a)
• Ent˜ao a regra generalizada fica como
IRR = m X
i=1
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Regra do Retˆangulo Generalizada
IRR = m X
i=1
hf(xi−1)
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Regra do Ponto M´edio
Generalizada
• Dividindo o intervalo [a;b]emm subintervalos, com x0=a,xm=b e xi=a+ih para i= 0, . . . , m, ent˜ao
I =
Z b
a
f(x)dx=
m X
i=1
Z xi
xi−1
f(x)dx
• Para o caso do ponto m´edio tem-se que
IM =hf
xi−1+xi
2
⇒IM R= m X
i=1 hf
xi−1+xi
2
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Regra do Ponto M´edio
Generalizada
IM R= m X
i=1 hf
xi−1+xi
2
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Regra do Trap´ezio Generalizada
• A Regra do Trap´ezio ´e dada por
IT =
h
2[f(x0) +f(x1)]
• Subdividindo o intervalo de integra¸c˜ao[a;b]emm subintervalos iguais ent˜ao
IT R= Z b
a
f(x)dx=
m X
i=1
Z xi
xi−1
f(x)dx
=h
2[f(x0) +f(x1)] +
h
2[f(x1)+f(x2)] +· · ·+
h
2[f(xm−2) +f(xm−1)] +
h
2 [f(xm−1)+f(xm)] =h
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Regra do Trap´ezio Generalizada
• Assim,
IT R =
h
2[f(x0) + 2f(x1) +· · ·+ 2f(xm−1) +f(xm)] =h
2
m X
i=0
cif(xi)
ondec0 =cm = 1 e ci= 2, parai= 1, . . . , m−1
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Regra do Trap´ezio Generalizada
IT R=
h
2
m X
i=0
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Exemplo
Exemplo: Aplicar a regra do trap´ezio generalizada para calcular:
Z 1,2
0
excos(x)dx, utilizando os dados da tabela a seguir:
x0 x1 x2 x3 x4 x5 x6
x 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
excos(x) 1 1,197 1,374 1,503 1,552 1,468 1,202
Z1,2
0
excos(x)dx
=h
2[f(x0) + 2(f(x1) +f(x2) +f(x3) +f(x4) +f(x5)) +f(x6)]
= 0,2
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Regra 1/3 de Simpson
Generalizada
• Sendo a Regra 1/3 de Simpson dada por
I1/3S =
h
3[f(x0) + 4f(x1) +f(x2)]
• Subdividindo o intervalo de integra¸c˜ao[a;b]emm (m´ultiplo de 2) subintervalos iguais ent˜ao
I1/3SR=
h
3[f(x0) +4f(x1)+f(x2)] +
h
3[f(x2)+4f(x3)+f(x4)] +
h
3[f(x4)+4f(x5)+f(x6)] +· · ·+
h
3[f(xm−2) +4f(xm−1)+f(xm)]
=h
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Regra 1/3 de Simpson
Generalizada
• Portanto,
I1/3SR=
h
3[f(x0) + 4f(x1) + 2f(x2) + 4f(x3) + 2f(x4) +· · ·+f(xm]
=h 3
m
X
i=0
cif(xi)
onde
• c0 =cm = 1
• caso contr´ario (i= 1, . . . , m−1)
• ci = 4, seifor ´ımpar
• ci = 2, seifor par
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Regra 1/3 de Simpson
Generalizada
I1/3SR=
h
3
m X
i=0
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Exemplo
Exemplo: Aplicar a regra 13 de Simpson generalizada para calcular:
Z 1,2
0
excos(x)dx, utilizando os dados da tabela a seguir:
x0 x1 x2 x3 x4 x5 x6
x 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
excos(x) 1 1,197 1,374 1,503 1,552 1,468 1,202 Z1,2
0
excos(x)dx
=h
3[f(x0) + 4f(x1) + 2f(x2) + 4f(x3) + 2f(x4) + 4f(x5) +f(x6)]
=0,2
3 [1 + 4(1,197 + 1,503 + 1,468) + 2(1,374 + 1,552) + 1,202]
= 0,2
3 [1 + 4(4,168) + 2(2,926) + 1,202]
=0,2
3 [1 + 16,672 + 5,852 + 1,202] = 0,2
3 [24,726] = 1,6484
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Regra 3/8 de Simpson
Generalizada
• Sendo a Regra 3/8 de Simpson dada por
I3/8S=
3h
8 [f(x0) + 3f(x1) + 3f(x2) +f(x3)]
• Subdividindo o intervalo de integra¸c˜ao[a;b]emm (m´ultiplo de 3) subintervalos iguais ent˜ao
I3/8SR= 3h
8 [f(x0) +3f(x1)+3f(x2)+f(x3)] + 3h
8 [f(x3)+3f(x4)+3f(x5)+f(x6)] + 3h
8 [f(x6)+3f(x7)+3f(x8)+f(x9)] +· · ·+ 3h
8 [f(xm−3) +3f(xm−2)+3f(xm−1)+f(xm)]
=3h
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Regra 3/8 de Simpson
Generalizada
• Portanto,
I3/8SR=
3h
8 [f(x0) + 3f(x1) + 3f(x2) + 2f(x3) +· · ·+f(xm)] =3h
8
m X
i=0
cif(xi)
onde
• c0 =cm = 1
• caso contr´ario (i= 1, . . . , m−1)
• ci = 2, seifor divis´ıvel por 3
• ci = 3, caso contr´ario
I3/8SR=
3h
8
m X
i=0
cif(xi)
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Exemplo
Exemplo: Aplicar a regra 38 de Simpson generalizada para calcular:
Z 1,2
0
excos(x)dx, utilizando os dados da tabela a seguir:
x0 x1 x2 x3 x4 x5 x6
x 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
excos(x) 1 1,197 1,374 1,503 1,552 1,468 1,202
Z 1,2
0
excos(x)dx
=3
8h[f(x0) + 3(f(x1) +f(x2)) + 2f(x3) + 3(f(x4) +f(x5)) +f(x6)]
= 0,6
8 [1 + 3(1,197 + 1,374) + 2(1,503) + 3(1,552 + 1,468) + 1,202]
= 0,6
8 [1 + 3(2,571) + 3,006 + 3(3,020) + 1,202]
= 0,6
8 [1 + 7,713 + 3,006 + 9,060 + 1,202] = 0,6
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Exerc´ıcios
1) A velocidade v de um foguete lan¸cado do ch˜ao
verticalmente (para cima, ´e claro) foi tabelada como se segue:
t(s) 0 5 10 15 20
v(p´es/s) 0 60,6 180,1 341,6 528,4
Usando a regra de 1/3 de Simpson, aproximar a altura do foguete ap´os 20 segundos
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Conte´udo
1 Introdu¸c˜ao
2 F´ormulas Fechadas
Formulas de Newton-Cotes An´alise do Erro de Integra¸c˜ao
3 Regras de Integra¸c˜ao Generalizadas Formulas de Newton-Cotes
An´alise dos Erros das F´ormulas Generalizadas
4 M´etodo dos Coeficientes Indeterminados
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An´alise dos Erros das F´ormulas
Generalizadas
• Ser˜ao considerados que todos os espa¸camentos s˜ao iguais
• hi=h
• Logo,
h= b−a
m ⇒m=
b−a h
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Regras de Integra¸c˜ao Generalizadas
Formulas de Newton-Cotes
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
An´alise do Erro
Regra do Retˆangulo Generalizada
• Considerando a Regra do Retˆangulo, tem-se que
ER=
f′(c)
2 (b−a)
2
• Somando o erro para todos os intervalos [xi−1;xi], ent˜ao
ERR = m X
i=1 f′(ci)
2 h
2 = f′(c)
2 h
2m= f′(c)
2 h
2b−a h
= f′(c)
2 (b−a)h
• Al´em disso, o seguinte limitante superior do erro pode ser obtido
|ERR| ≤ |
b−a|h
2 cmax∈[a;b]
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
An´alise do Erro
Regra do Ponto M´edio Generalizada
• Para a Regra do Ponto M´edio
EM =
f′′(c)
24 h
3
• Logo, em sua f´ormula repetida
EM R= m X
i=1 f′′(ci)
24 h
3 = f′′(c)
24 h
3m= f′′(c)
24 h
3b−a h
= f′′(c)
24 (b−a)h
2
• Assim, um limitante para o erro fica como
|EM R| ≤ |
b−a|h2
24 cmax∈[a;b]
f′′(c)
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Regras de Integra¸c˜ao Generalizadas
Formulas de Newton-Cotes
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
An´alise do Erro
Regra do Trap´ezio Generalizada
• De forma similar, sabendo que para a Regra do Trap´ezio
ET = −
f′′(c)
12 h
3
• Portando,
ET R= m X
i=1
−f′′(ci)
12 h
3= −f′′(c)
12 h
3m= −f′′(c)
12 h
3b−a h
=−−f′′(c)
12 h
2(b −a)
• Assim, um limitante para o erro fica como
|ET R| ≤ |
b−a|h2
12 cmax∈[a;b]
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Regras de Integra¸c˜ao Generalizadas
Formulas de Newton-Cotes
An´alise dos Erros das F´ormulas Generalizadas
M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
An´alise do Erro
Regra 1/3 de Simpson Generalizada
• Para a Regra 1/3 de Simpson
E1/3S= −f
(4)(c)
90 h
5
• Portanto,
E1/3SR= m/2 X
i=1
−f(4)(c i) 90 h
5= −f(4)(c)
90 h
5m
2 =
−f(4)(c)
180 h
5b−a
h
=−f
(4)(c)
180 h
4(b−a)
• Assim, um limitante para o erro fica como
|E1/3SR| ≤ |
b−a|h4
180 cmax∈[a;b]
f(4)(c)
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Regras de Integra¸c˜ao Generalizadas
Formulas de Newton-Cotes
An´alise dos Erros das F´ormulas Generalizadas
M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Exemplo
Exemplo: Determinar o menor n´umero de intervalos em que podemos dividir [0,1.2] para obter: R01.2excos(x)dx, pela regra do trap´ezio com erro≤0,5×10−3).
• f(t) =etcost⇒f′′(t) =−2etsint
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An´alise dos Erros das F´ormulas Generalizadas
M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Exemplo
• Assim, temos que
R(f) ≤ 1.2h
2
12 (6,188)≤0,5×10
−3
⇒ h2 ≤0,0000808
⇒ h≤0,02842.
• Escolhemosh que divida exatamente o intervalo [0,1.2], ou seja, h= 0,025
• Usando N = b−a
h , obtemosNmin = 48.
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An´alise dos Erros das F´ormulas Generalizadas
M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Exerc´ıcios
1) Quantos subintervalos devem ser usados no c´alculo de Z 1
0 e−x2
dx
para que a aproxima¸c˜ao tenha um erro menor que 10−4, nos
seguintes casos:
a) Formula dos trap´ezios
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos
Quadratura Gaussiana
Conte´udo
1 Introdu¸c˜ao
2 F´ormulas Fechadas
Formulas de Newton-Cotes An´alise do Erro de Integra¸c˜ao
3 Regras de Integra¸c˜ao Generalizadas Formulas de Newton-Cotes
An´alise dos Erros das F´ormulas Generalizadas
4 M´etodo dos Coeficientes Indeterminados
5 Quadratura Gaussiana
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Regras de Integra¸c˜ao Generalizadas
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos
Quadratura Gaussiana
Introdu¸c˜ao
• Como vimos podemos obter uma regra para integra¸c˜ao num´erica ao integrar o polinˆomio interpolador do integrando.
• Veremos agora uma forma alternativa de derivar as f´ormulas de integra¸c˜ao num´erica at´e ent˜ao estudadas.
• Como vimos as f´ormulas de integra¸c˜ao num´erica s˜ao do tipo
Z b
a
f(x) dx≈Xwif(xi)
onde wi s˜ao constantes e f(xi)s˜ao os valores da fun¸c˜ao f nos pontos xi.
• Ex: regra do Trap´ezio, Simpson 1/3
IT =
h
2[f(x0)+f(x1)], IS =
h
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos
Quadratura Gaussiana
Coeficientes Indeterminados
• No m´etodo dos coeficientes indeterminados, consideramos os pontos x0, . . . , xn dados e buscamos determinar os coeficientes w0, . . . , wn de tal forma que a f´ormula de integra¸c˜ao num´erica
Z b
a
f(x) dx≈Xwif(xi)
seja exata para certos tipos de fun¸c˜oes, como por exemplo quando f(x)´e um polinˆomio de grau≤n.
• Vamos ilustrar a ideia do m´etodo atrav´es de um exemplo.
• Procuramos uma f´ormula Z b
a
f(x) dx≈w0f(x0) +w1f(x1) +w2f(x2)
que ser´a exata para todos os polinˆomios de grau ≤2, isto ´e, quandof(x) =c0+c1x+c2x2 ent˜ao a f´ormula de
integra¸c˜ao num´erica fornece o valor exato da integral.
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos
Quadratura Gaussiana
Coeficientes Indeterminados
• Como
Z b
a
f(x)dx=
Z b
a
[c0+c1x+c2x2]dx
=c0 Z b
a
dx+c1 Z b
a
x dx+c2 Z b
a
x2 dx
• Isto ´e, exigir que a f´ormula integre a fun¸c˜aof(x)(nesse exemplo um polinˆomio de grau 2) exatamente ´e o mesmo que exigir que a f´ormula integre as fun¸c˜oes base1,xe x2
exatamente.
• Assim temos que
f(x) = 1⇒wo1 +w11 +w21 = Z b
a
dx
f(x) =x⇒wox0+w1x1+w2x2= Z b
a
x dx
f(x) =x2⇒wox20+w1x21+w2x22= Z b
a
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos Quadratura Gaussiana
Coeficientes Indeterminados
Calculando as integrais
Z b
a
dx= (b−a)
Z b
a
x dx= (b
2−a2)
2
Z b
a
x2 dx= (b
3−a3)
3
assim considerando quex0 =a,x1 = (a+b)/2e x2 =b,
podemos escrever as equa¸c˜oes de forma matricial como
1 1 1
a a+b
2 b
a2 a+b
2 2 b2 w0 w1 w2 =
b−a
b2−a2
2
b3−a3
3
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Coeficientes Indeterminados
• Resolvendo esse sistema de equa¸c˜oes lineares, chegamos a solu¸c˜ao (coeficientes da f´ormula de integra¸c˜ao):
w0 = b−a
6 , w1 =
2(b−a)
3 , w2 =
b−a
6
que reconhecemos como a regra de Simpson 1/3
Is=
h
3[f(x0) + 4f(x1) +f(x2)]
⇒ b−6af(x0) +4(b−a)
6 f(x1) +
(b−a) 6 f(x2)
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos
Quadratura Gaussiana
Exemplo
Exemplo - M´etodo dos Coeficientes Indeterminados Encontre a f´ormula
Z 1
0
f(x) dx≈w0f(x0) +w1f(x1)
que ´e exata para fun¸c˜oes da forma
f(x) =aex+bcos (πx2 )
Solu¸c˜ao do Exemplo Paraf(x) = cos (πx2 ) temos
Z 1
0
f(x) dx=
Z 1
0
cos (πx
2 )dx=
2sen(πx2 )
π
1
0
= 2
π
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Quadratura Gaussiana
Solu¸c˜ao do Exemplo E assim temos a equa¸c˜ao
w0f(0) +w1f(1) =
Z 1
0
cosπx
2 dx=
2
π comof(0) = cos (0) = 1 e f(1) = cos (π/2) = 0temos
w0 =
2
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Quadratura Gaussiana
Solu¸c˜ao do Exemplo Paraf(x) =ex temos
Z 1
0
ex dx=ex
1
0
=e−1
e assim
w0f(0) +w1f(1) =e−1⇒w0+w1e=e−1
de onde obtemos
w1= 1−
1
e−
2
πe
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Quadratura Gaussiana
Solu¸c˜ao do Exemplo E assim para
I =w0f(x0) +w1f(x1)
obtemos a f´ormula
I = 2
πf(x0) +
1−1
e−
2
πe
f(x1)
que integra
Z x1
x0
[aex+bcos (πx/2)] dx
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Quadratura Gaussiana
Introdu¸c˜ao
Como vimos, as regras de integra¸c˜ao de Newton-Cotes s˜ao simples e efetivas, mas possuem algumas desvantagens:
• Uso de muitos pontos para interpola¸c˜ao de alta ordem pode gerar alguns problemas
• As regras de Newton-Cotes fechadas requerem a avalia¸c˜ao def(x) nos pontos do extremo do intervalo, onde
geralmente ocorrem singularidades
• As regras do tipo Newton-Cotes, n˜ao possuem um grau de precis˜ao t˜ao alto quanto poderiam
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Quadratura Gaussiana
Quadratura Gaussiana
• Estamos interessados em obter uma f´ormula de integra¸c˜ao na forma
I =
Z b
a
f(x) dx=w0f(x0) +w1f(x1) +. . .+wnf(xn)
onde agora os coeficienteswi assim como os pontosxi para i= 0, . . . , ndevem ser determinados de forma a obter a melhor precis˜ao poss´ıvel.
• Temos as seguintes inc´ognitas:
• x0, x1, . . . , xn
• w0, w1, . . . , wn
isto ´e, um total de 2n+ 2inc´ognitas a serem determinadas.
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M´etodo dos Coeficientes Indetermina-dos
Quadratura Gaussiana
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• Sendo assim, podemos esperar que as regras que iremos obter sejam capazes de integrar exatamente polinˆomios de grau ≤2n+ 1uma vez que estes s˜ao definidos por 2n+ 2
parˆametros.
• Vamos apresentar a ideia do m´etodo para o caso com 2 pontos
I =
Z b
a
f(x) dx=w0f(x0) +w1f(x1) • Vamos considerar o intervalo [−1,1]para as regras de
Quadratura Gaussiana, sem perda de generalidade, j´a que sempre podemos fazer uma mudan¸ca de vari´avel para mudar do intervalo [a, b]para [−1,1]para realizar a integra¸c˜ao.
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Mudan¸ca de Vari´avel
• Sejax∈[a, b]. Podemos fazer a seguinte mudan¸ca de vari´avel
x(t) = (b−a)t
2 +
b+a
2 , t∈[−1,1]
• Qualquer que seja x∈[a, b], existe t∈[−1,1]tal que x=x(t). Sendo assim
dx dt =x
′(t) = b−a
2 ⇒dx=
b−a
2 dt
• logo usandox=x(t) e dx=x′(t) dt temos
I =
Z b
a
f(x)dx=
Z 1
−1
f(x(t)) x′(t)dt=
Z 1
−1
F(t)dt
onde F(t) =f(x(t))x′(t) =ft(b−a)
2 +
b+a
2
b−a
2
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Quadratura Gaussiana
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Utilizando 2 pontos
• Assim vamos trabalhar com
I =
Z 1
−1
F(t)dt≈w0F(t0) +w1F(t1)
onde t0, t1, w0 e w1 devem ser determinados de modo que
a regra seja exata para polinˆomios de grau ≤3, pois
• 2 pontos→determinart0,t1,w0 ew1
• Uma f´ormula de Quadratura Gaussiana com os pontos t0, t1, . . . , tn, tem grau de precis˜ao polinomial dado por:
2n+ 1
• Por exemplo, se tivermos 2 pontos, isto ´e,t0 e t1, a
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Quadratura Gaussiana
Quadratura Gaussiana
Utilizando 2 pontos
• Vamos deduzir o caso
I =
Z 1
−1
F(t) dt=w0F(t0) +w1F(t1)
usando o m´etodo dos coeficientes indeterminados.
Queremos encontrarw0,w1,t0 e t1, isto ´e, 4 parˆametros,
logo, a regra de integra¸c˜ao que vamos deduzir deve integrar exatamente um polinˆomio de grau ≤3.
• Sendo assim, podemos escrever
F(t) =c0φ0(t) +c1φ1(t) +c2φ2(t) +c3φ3(t)
onde as fun¸c˜oes base s˜ao: φj(t) =tj.
• Agora basta exigir que a regra que queremos encontrar, i.e., w0F(t0) +w1F(t1) integre exatamente cada uma das
fun¸c˜oes base.
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Quadratura Gaussiana
Quadratura Gaussiana
Utilizando 2 pontos
• Considerando que a regra ´e
w0F(t0) +w1F(t1) =
Z 1
−1
F(t) dt
• Temos que exigir que a regra integre φ0(t) exatamente.
Neste caso como F(t) =φ0(t), e assim
w0φ0(t0) +w1φ1(t1) =
Z 1
−1
φ0(t) dt
comoφ0(t) = 1 temos
w01 +w11 =
Z 1
−1
1 dt
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Utilizando 2 pontos
• Pelo m´etodo dos coeficientes indeterminados temos
φ0(t) = 1⇒w0 1 +w1 1 =
Z 1
−1 dt
φ1(t) =t⇒w0t0+w1t1=
Z 1
−1 t dt
φ2(t) =t2⇒w0t20+w1t21=
Z 1
−1 t2 dt
φ3(t) =t3⇒w0t30+w1t31=
Z 1
−1 t3 dt
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Utilizando 2 pontos
• Pelo m´etodo dos coeficientes indeterminados temos
φ0(t) = 1⇒w0 1 +w1 1 =
Z 1
−1
dt=t1
−1 = 2
φ1(t) =t⇒w0t0+w1t1=
Z 1
−1
t dt= t
2 2 1 −1 = 0
φ2(t) =t2⇒w0t20+w1t21=
Z 1
−1
t2 dt= t
3 3 1 −1
= 23
φ3(t) =t3⇒w0t30+w1t31=
Z 1
−1
t3 dt= t