Integração Numérica

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

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:

$S=\underset{a}{\overset{b}{\int }}f(x)dx$

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 mas para as quais a integral não existe (no fundo é a falta de uma primitiva)
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:

$S=\underset{a}{\overset{b}{\int }}f(x)dx=\underset{N\to \mathrm{\infty }}{\lim }\sum _{i=0}^{N}f(x_i)\mathrm{\Delta }x$

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:

$\sum _{i=0}^{N}f(x_i)\mathrm{\Delta }x.$

onde:

$\mathrm{\Delta }x=\frac{b-a}{N}$

é o comprimento dos pequenos intervalos nos quais dividimos o intervalo (b-a), $f(x_i)$ é o valor da função em algum ponto deste intervalo.
Quando $N\to \mathrm{\infty }$ o valor da soma acima é igual a área abaixo da curva.

A integral também é conhecida como antiderivada:

$\int f(x)dx=F(x)\iff \frac{dF(x)}{dx}=f(x)$

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:

$S=\underset{a}{\overset{b}{\int }}f(x)dx=F(b)-F(a)$

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

Calculando a integral entre $x$ e $x+\mathrm{\Delta }x$:

$\underset{x}{\overset{x+\mathrm{\Delta }x}{\int }}f(x^{\prime })d{x}^{\prime }=F(x+\mathrm{\Delta }x)-F(x)$

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

$\underset{x}{\overset{x+\mathrm{\Delta }x}{\int }}f(x^{\prime })d{x}^{\prime }=f(x^{″})\mathrm{\Delta }x=F(x+\mathrm{\Delta }x)-F(x)$

onde $x^{″}$ é um valor de $x$ entre os extremos do intervalo.

Passando o $\mathrm{\Delta }x$ para a direita e tomando o limite quando ele vai para zero:

$\underset{\mathrm{\Delta }x\to 0}{\lim }f(x^{″})=\underset{\mathrm{\Delta }x\to 0}{\lim }\frac{F(x+\mathrm{\Delta }x)-F(x)}{\mathrm{\Delta }x}\Rightarrow f(x)=\frac{d}{dx}F(x)$

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:

$\underset{a}{\overset{b}{\int }}f(x)dx\approx S_e=\sum _{i=0}^{N-1}f(x_i)\mathrm{\Delta }x$

-E pelos retângulos definidos pelo extremo direito de cada subintervalo:

$\underset{a}{\overset{b}{\int }}f(x)dx\approx S_d=\sum _{i=1}^{N}f(x_i)\mathrm{\Delta }x$

Regra do Trapézio:

$\underset{a}{\overset{b}{\int }}f(x)dx\approx S_t=\sum _{i=0}^{N-1}\frac{f(x_i)+f(x_i+\mathrm{\Delta }x)}{2}\mathrm{\Delta }x$

onde:

$x_i=a+i\mathrm{\Delta }x,\mathrm{\Delta }x=\frac{b-a}{N}$

Esta última pode ser reescrita como:

$(\frac{f(a)+f(b)}{2}+\sum _{i=1}^{N-1}f(x_i))\mathrm{\Delta }x$

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

$S_t=(S_e+S_d)/2$

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 $x_1,x_3$ é dada por:

$S=\underset{x_1}{\overset{x_3}{\int }}f(x)dx\approx \frac{x_3-x_1}{6}[f(x_1)+4f\left(\frac{x_1+x_3}{2}\right)+f(x_3)]$

No entanto, para integrarmos sobre toda o intervalo $[x_1;x_n]$ 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 consecutivo e a expressão final da fórmula de Simpson é então a soma da área sob todas as parábolas do intervalo $[x_1;x_n]$ :

$S=\underset{x_1}{\overset{x_n}{\int }}f(x)dx\simeq \frac{h}{3}[f(x_1)+4f(x_2)+2f(x_3)+4f(x_4)+\dots +4f(x_{n-1})+f(x_n)]$,

onde $h=(x_n-x_1)/N$ .

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 $N\to \mathrm{\infty }$. O erro aqui discutido estará vinculado ao número de divisões $N$ realizada na função $f(x)$ dentro do intervalo que se quer saber o valor da integral. Assim, o erro é definido como

$erro=\frac{Int(N)-Int(N-1)}{Int(N)}$,

onde $Int(N)$ é o valor retornado pelo método numérico utilizado utilizando $N$ divisões e $Int(N-1)$ utilizando $N-1$ divisões. Note que um teste simples para verificar quando a resposta está convergindo é aumentar $N$ e calcular o erro a cada incremento no seu valor.