Integração Numérica: mudanças entre as edições

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[[Image:integral.jpg|thumb|right|A integração numérica consiste em achar a aproximação numérica para o valor de <math>S</math>]]
'''Integração numérica''' é um termo amplo que abrange até a integração de equações diferenciais como é discutido
'''Integração numérica''' é um termo amplo que abrange até a integração de equações diferenciais como é discutido
em Métodos Computacionais B. Aqui nos referimos exclusivamente ao cálculo numérico da '''integral definida''':
em Métodos Computacionais B. Aqui nos referimos exclusivamente ao cálculo numérico da '''integral definida''':
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# existência de funções contínuas sem '''primitiva,''' o que inviabiliza a conta analítica.
# existência de funções contínuas sem '''primitiva,''' o que inviabiliza a conta analítica.
# funções discontinuas ou definidas por trechos mas para as quais a integral não existe (no fundo é a falta de uma primitiva)
# funções descontinuas ou definidas por trechos  
# funções (ou tabelas) provenientes de experimentos
# funções (ou tabelas) provenientes de experimentos
# funções continuas e com primitiva de representação simbólica, porem de difícil avaliação na prática (mais difícil que avaliar a própria função)
# funções continuas e com primitiva de representação simbólica, porem de difícil avaliação na prática (mais difícil que avaliar a própria função)
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:<math> \int_{x}^{x+\Delta x} f(x') dx' = F(x + \Delta x) - F(x) </math>
:<math> \int_{x}^{x+\Delta x} f(x') dx' = F(x + \Delta x) - F(x) </math>


Pela definição da integral entre limites definidos podemos escrever-la como:
Pela definição da integral entre limites definidos podemos escrevê-la como:


:<math> \int_{x}^{x+\Delta x} f(x') dx' = f(x'') \Delta x = F(x + \Delta x) - F(x) </math>
:<math> \int_{x}^{x+\Delta x} f(x') dx' = f(x'') \Delta x = F(x + \Delta x) - F(x) </math>
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== Cálculo Numérico ==
== Cálculo Numérico ==


O cálculo numérico de uma integral definida se baseia na própria definição acima:
[[Image:Trapezio.png|right|frame|Ilustração da regra do retângulo.]]
 
[[Image:integrationtrapezio.png|right|frame|Ilustração da regra do trapézio.]]
 
[[Image:Integrationsimpson.png|right|frame|Ilustração da regra de Simpson.]]


:<math>S = \int_a^b f(x)\, dx \approx \sum_{i=0}^{N} f(x_i) \Delta x </math>
O cálculo numérico de uma integral definida se baseia na própria definição acima.
Com a diferença que N é finito. Obviamente quanto maior, melhor.<br>
-Temos que pelos retângulos definidos pelo extremo esquerdo de cada subintervalo:
:<math>\int_a^b f(x)\, dx \approx S_e = \sum_{i=0}^{N-1} f(x_i) \Delta x </math>
-E pelos retângulos definidos pelo extremo direito de cada subintervalo:
:<math>\int_a^b f(x)\, dx \approx S_d = \sum_{i=1}^{N} f(x_i) \Delta x </math>  


'''Regra do Trapézio''':
:<math>\int_a^b f(x)dx \approx S_t = \sum_{i=0}^{N-1} \frac{f(x_i)+f(x_i+\Delta x)}{2}\Delta x</math>
onde:
onde:
:<math>\Delta x = \frac{b-a}{N}</math>  
:<math>x_i = a + i \Delta x,\;\;  \Delta x = \frac{b-a}{N}</math>  
 
Esta última pode ser reescrita como:
:<math>\left(\frac{f(a)+f(b)}{2} + \sum_{i=1}^{N-1} f(x_i)\right)\Delta x</math>
 
O erro de cálculo na Regra do Trapézio é dado por:
 
:<math> \text{erro} = -\frac{(b-a)^3}{12N^2} f''(\xi)</math>,
 
onde ''ξ'' é um número no intervalo entre ''a'' e ''b''.
 
Também pode se verificar que a integral calculada com os trapézios é a média das integrais calculadas com retângulos:
:<math>S_t = (S_e + S_d)/2</math>
 
'''Regra de Simpson''':
 
Notemos que o método do trapézio é baseado na ideia de passar uma reta por 2 pontos e aproximar a área da função f(x) pela área sob a curva definida pelo trapézio.
 
A regra de Simpson é uma extensão disto: a ideia é  passar uma parábola por três pontos consecutivos e calcular a área definida por ela. Se tivermos apenas 3 pontos, a integral da parábola que passa entre <math> x_{0} , x_{2}</math> é dada por:
 
 
:<math>S= \int_{x_0}^{x_2} f(x) \, dx \approx \frac{x_2-x_0}{6}\left[f(x_0) + 4f\left(\frac{x_0+x_2}{2}\right)+f(x_2)\right]</math>
 
 
No entanto, para integrarmos sobre toda o intervalo <math>\left[ x_{1} ; x_{n}\right]</math> com boa precisão, é necessário dividi-lo em N intervalos, com N grande (e par!). Assim,  é preciso traçar  uma parábola a cada  três pontos consecutivos e a expressão final da fórmula de Simpson é então a soma da área sob todas as parábolas do intervalo <math>\left[ x_{0} ; x_{n}\right]</math> :
 
 
 
:<math>S=  \int_{x_0}^{x_n} f(x)dx \simeq \frac{h}{3}\left[f(x_0)+4f(x_1)+2f(x_2)+4f(x_3)+\ldots+4f(x_{n-1})+f(x_n)\right]</math>,
 
onde <math> h =  (x_{n} - x_{0} )/N </math> .
 


Com a diferença que N é finito. Obviamente quanto maior, melhor, mas será sempre finito.<br>
A dedução da regra de Simpson pode ser encontrada por exemplo em [http://www.math.ist.utl.pt/~calves/courses/integra/capiii33.html].
Dependendo de onde são avaliados os <math>x_i</math> termos diferentes versões da integral numérica.
Exemplo:
:<math>x_i = a + i\Delta x</math>, com i=0,...N-1 é a integral pela borda inferior do intervalo <math>\Delta x</math>


== Programação ==
== Programação ==
A seguir um trecho do programa para cálculo da integral da função f(x) (''external function f(x)'')<br/>
entre a e b com N pontos, usando o método dos retângulos pela esquerda:


<pre>
<pre>
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...
...
</pre>
</pre>
Os outros métodos se programam de maneira similar mudando limites (índice do laço)<br />
e/ou tratando de forma diferente os valores das pontas.
== Erro associado ao método numérico ==
O método de integração numérico não retorna o valor exato de uma função, visto que não podemos ter no computador <math>N\to\infty</math>. O erro aqui discutido estará vinculado ao número de divisões <math>N</math> realizada na função <math>f(x)</math> dentro do intervalo que se quer saber o valor da integral. Assim, o erro é definido como
:<math>erro=\frac{Int(N)-Int(N-1)}{Int(N)}</math>,
onde <math>Int(N)</math> é o valor retornado pelo método numérico utilizado utilizando <math>N</math> divisões e <math>Int(N-1)</math> utilizando <math>N-1</math> divisões. Note que um teste simples para verificar quando a resposta está convergindo é aumentar <math>N</math> e calcular o erro a cada incremento no seu valor.

Edição atual tal como às 09h14min de 21 de outubro de 2013

A integração numérica consiste em achar a aproximação numérica para o valor de

Integração numérica é um termo amplo que abrange até a integração de equações diferenciais como é discutido em Métodos Computacionais B. Aqui nos referimos exclusivamente ao cálculo numérico da integral definida:

O termo definida, quer dizer que a integral se faz entre limites definidos, no caso a e b.

O interesse de fazer esse cálculo numericamente se deve a:

  1. existência de funções contínuas sem primitiva, o que inviabiliza a conta analítica.
  2. funções descontinuas ou definidas por trechos
  3. funções (ou tabelas) provenientes de experimentos
  4. funções continuas e com primitiva de representação simbólica, porem de difícil avaliação na prática (mais difícil que avaliar a própria função)

Definição

Revisemos o conceito de integral do cálculo: A integral definida de uma função f(x) no intervalo [a, b] se define como:

A integral de f(x) pode ser entendida como a soma de pequenos retângulos de base dx e altura f(x), onde o produto f(x) dx é a área deste retângulo.
A soma de todas estas pequenas áreas, ou áreas infinitesimais, fornece a área total abaixo da curva.
Mais precisamente podemos dizer que a integral acima é o valor limite da soma:

onde:

é o comprimento dos pequenos intervalos nos quais dividimos o intervalo (b-a), é o valor da função em algum ponto deste intervalo.
Quando o valor da soma acima é igual a área abaixo da curva.

A integral também é conhecida como antiderivada:

Relembremos porque:

Teorema Fundamental do Cálculo

Se resolvermos a integral acima entre os limites a e b, o resultado pode ser escrito como dependendo só dos extremos:

Vamos ver agora como se isso for válido, então F(x) é a primitiva procurada.

Calculando a integral entre e :

Pela definição da integral entre limites definidos podemos escrevê-la como:

onde é um valor de entre os extremos do intervalo.

Passando o para a direita e tomando o limite quando ele vai para zero:

Demonstramos que a derivada de F(x) resulta ser a função f(x) que queremos integrar. Em outras palavras, o Teorema fundamental do Cálculo diz que resolver uma integral se resume a achar a primitiva, ou seja uma função cuja derivada seja o integrando.

O problema prático é que não todas as funções tem primitiva.. Vejamos então.

Cálculo Numérico

Ilustração da regra do retângulo.
Ilustração da regra do trapézio.
Ilustração da regra de Simpson.

O cálculo numérico de uma integral definida se baseia na própria definição acima. Com a diferença que N é finito. Obviamente quanto maior, melhor.

-Temos que pelos retângulos definidos pelo extremo esquerdo de cada subintervalo:
-E pelos retângulos definidos pelo extremo direito de cada subintervalo:
Regra do Trapézio:

onde:

Esta última pode ser reescrita como:

O erro de cálculo na Regra do Trapézio é dado por:

,

onde ξ é um número no intervalo entre a e b.

Também pode se verificar que a integral calculada com os trapézios é a média das integrais calculadas com retângulos:

Regra de Simpson:

Notemos que o método do trapézio é baseado na ideia de passar uma reta por 2 pontos e aproximar a área da função f(x) pela área sob a curva definida pelo trapézio.

A regra de Simpson é uma extensão disto: a ideia é passar uma parábola por três pontos consecutivos e calcular a área definida por ela. Se tivermos apenas 3 pontos, a integral da parábola que passa entre é dada por:



No entanto, para integrarmos sobre toda o intervalo com boa precisão, é necessário dividi-lo em N intervalos, com N grande (e par!). Assim, é preciso traçar uma parábola a cada três pontos consecutivos e a expressão final da fórmula de Simpson é então a soma da área sob todas as parábolas do intervalo  :


,

onde .


A dedução da regra de Simpson pode ser encontrada por exemplo em [1].

Programação

A seguir um trecho do programa para cálculo da integral da função f(x) (external function f(x))
entre a e b com N pontos, usando o método dos retângulos pela esquerda:

...
Read*, a, b, N
dx = (b-a)/N;  S=0

Do i = 0, N-1
   x = a + i*dx
   S = S + f(x)
EndDo
Print*, "Integral S=", S*dx
...

Os outros métodos se programam de maneira similar mudando limites (índice do laço)
e/ou tratando de forma diferente os valores das pontas.

Erro associado ao método numérico

O método de integração numérico não retorna o valor exato de uma função, visto que não podemos ter no computador . O erro aqui discutido estará vinculado ao número de divisões realizada na função dentro do intervalo que se quer saber o valor da integral. Assim, o erro é definido como

,

onde é o valor retornado pelo método numérico utilizado utilizando divisões e utilizando divisões. Note que um teste simples para verificar quando a resposta está convergindo é aumentar e calcular o erro a cada incremento no seu valor.