ITIS “Primo Levi” Laboratorio di matematica
Mirano (VE) Classe 5
Integrazione numerica
Premessa
Se consideriamo una funzione f(x) continua in [a,b] e si conosce una sua primitiva F(x),
l’integrale definito di questa funzione, nei limiti da a a b, può essere calcolato con la formula:
b
∫ = −
f ( x ) dx F ( b ) F ( a )
a
dove F'(x) = f(x)
Spesso però succede che:
- La primitiva di f(x) non può essere espressa con una funzione elementare;
- La determinazione della primitiva di f(x) può essere particolarmente laboriosa;
- La funzione integranda è una funzione empirica, cioè una funzione di cui non è nota una espressione analitica ma si conoscono solo alcuni valori numerici ottenuti, per esempio, da rilevazioni statistiche o esperimenti di laboratorio.
Ci occupiamo, quindi, di trovare dei metodi di integrazione numerica e cioè delle formule di quadratura.
Sappiamo che la determinazione dell’integrale definito:
b
∫ f ( x ) dx
a
equivale al calcolo dell’area del trapezoide APQB, in figura successiva, delimitato:
- Superiormente dalla curva continua di equazione y = f(x);
- Lateralmente dalle due rette parallele passanti per i punti a e b;
- Inferiormente dall’asse x. Novembre 2007
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Formule dirette
Supponiamo che: ≥ ≤ ≤
f ( x
) 0 e a x b
Per avere un valore approssimato di questa area si può dividere l’intervallo [ ] in n intervalli
a,b
−
b a
=
uguali, di ampiezza mediante i punti x = a < x < x < x …….. < x = b
h 0 1 2 3 n
n
y Q
y
2
P y
n
y
1
y
0 h
A B
O a = x x x x x x = b x
0 1 2 3 n-1 n
e consideriamo i valori che assume agli estremi dei singoli intervalli parziali, cioè:
f(x)
y = f(x ) y = f(x ) y = f(x ) …………………… Y = f(x ) y = f(x )
0 0 1 1 2 2 n-1 n-1 n n
Formiamo ora le seguenti somme: −
n 1
∑
y h + y h + y h + …………………… + y h = h y considerando l’estremo sinistro
i
0 1 2 n-1 =
i 0
n
∑
y h + y h + y h + ………………..… + y h = h y considerando l’estremo destro
i
1 2 3 n =
i 1
Sappiamo che: −
n 1 n b
∑ ∑ ∫
= = f ( x ) dx
lim h y lim h y
i i
→ ∞ → ∞
n n
= = a
i 0 i 1
Novembre 2007
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Possiamo quindi considerare come valore dell’integrale approssimato sia la prima che la seconda somma cioè porre:
−
b b a
≅
∫ + + + +
f ( x ) dx ( y y y ......... y − Formule dei rettangoli