Quadratura numerica. Alvise Sommariva. Università degli Studi di Padova Dipartimento di Matematica. 25 maggio 2015

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1 Quadratura numerica Alvise Sommariva Università degli Studi di Padova Dipartimento di Matematica 25 maggio 2015 Alvise Sommariva Quadratura numerica 1/ 18

2 Quadratura numerica Problema. Un classico problema dell analisi numerica è quello di calcolare l integrale definito di una funzione f in un intervallo avente estremi di integrazione < a < b < + cioè [1, p.206, p.270]. I (f ) := I (f, a, b) = b La nostra intenzione è di approssimare I (f ) come I (f ) Q N (f ) := a f (x)dx. N w i f (x i ) (1) I termini w i e x i [a, b] sono detti rispettivamente pesi e nodi. Se I (p) = Q N (p) con p P n ma non in qualche p P n+1, allora si dice aver grado di precisione n. i=1 Alvise Sommariva Quadratura numerica 2/ 18

3 Formule di Newton-Cotes Vediamo alcune formule di Newton-Cotes. Definizione (Regola del trapezio) La formula I (f ) S 1(f ) := S 1(f, a, b) := si chiama regola del trapezio. Si dimostra che l errore compiuto è (b a) (f (a) + f (b)) 2 E 1(f ) := I (f ) S 1(f ) = h3 12 f (2) (ξ), ξ (a, b) (2) da (2), si vede che il suo grado di precisione è 1 in quanto se f P 1, allora f (2) (ξ) = 0 e quindi la formula è esatta, se f P 2 \P 1, allora f (2) (ξ) 0. Alvise Sommariva Quadratura numerica 3/ 18

4 Formule di Newton-Cotes Definizione (Regola di Cavalieri-Simpson) La formula I (f ) S 3(f ) := S 3(f, a, b) := b a 6 [ f (a) + 4f ( a + b ] ) + f (b) 2 si chiama regola di Cavalieri-Simpson. Si dimostra che l errore compiuto è E 3(f ) := I (f ) S 3(f ) = h5 90 f (4) (ξ), h = b a, ξ (a, b) 2 il grado di precisione è 3 (e non 2 come previsto!) in quanto se f P 3, allora f (4) (ξ) = 0 e quindi la formula è esatta, se f P 4 \P 3, allora f (4) (ξ) 0. Alvise Sommariva Quadratura numerica 4/ 18

5 Formule di Newton-Cotes composte Definizione (Formule composte) Si suddivida l intervallo (chiuso e limitato) [a, b] in N subintervalli T j = [x j, x j+1 ] tali che x j = a + jh con h = (b a)/n. Dalle proprietà dell integrale b a N 1 f (x) dx = j=0 xj+1 x j N 1 f (x) dx S(f, x j, x j+1 ) (3) dove S è una delle regole di quadratura finora esposte (ad esempio S 3(f )). Le formule descritte in (3) sono dette composte. In pratica, si suddivide l intervallo [a, b] in unione di sottointervalli [x j, x j+1 ] e in ognuno di essi si applica una formula di Newton-Cotes. j=0 Alvise Sommariva Quadratura numerica 5/ 18

6 Formule di Newton-Cotes composte Due casi particolari sono le formule dei trapezi e di Cavalieri-Simpson composta. Definizione (Formula dei trapezi) Siano x i = a + i 1h, i = 1,..., N con h = (b a)/n. La formula [ S (c) f (x0) 1 := h + f (x 1) f (x N 1 ) + f (x ] N) 2 2 (4) si chiama dei trapezi (o del trapezio composta). Si dimostra che l errore compiuto è per un certo ξ (a, b) E (c) 1 (f ) := I (f ) S (c) 1 (f ) = (b a) h 2 f (2) (b a) (ξ), h = 12 N. il grado di precisione è 1, ma relativamente alla Regola del trapezio, per N 1, il passo h è minore. Alvise Sommariva Quadratura numerica 6/ 18

7 Formule di Newton-Cotes composte Definizione (Formula di Cavalieri-Simpson composta) Fissati N subintervalli, sia h = b a. Siano inoltre x N k = a + kh/2, k = 0,..., 2N. La formula I (f ) S (c) 3 (f ) := h 6 [ N 1 f (x 0) + 2 r=1 N 1 f (x 2r ) + 4 è nota come di Cavalieri-Simpson composta. s=0 f (x 2s+1) + f (x 2N ) ] (5) Si dimostra che l errore compiuto è per un certo ξ (a, b) E (c) 3 (f ) := I (f ) S (c) (b a) 3 (f ) = 180 ( ) 4 h f (4) (ξ) 2 il grado di precisione è 3, ma relativamente alla regola di Cavalieri-Simpson, per N 1, il passo h è minore. Alvise Sommariva Quadratura numerica 7/ 18

8 Implementazione Matlab di alcune formule composte Mostreremo di seguito un implementazione in Matlab/Octave della formula composta dei trapezi e di Cavalieri-Simpson. f u n c t i o n [ x, w]= trapezi_composta ( N, a, b ) % FORMULA DEI TRAPEZI COMPOSTA. % INPUT : % N: NUMERO SUBINTERVALLI. % a, b : ESTREMI DI INTEGRAZIONE. % OUTPUT: % x : NODI INTEGRAZIONE. % w : PESI INTEGRAZIONE (INCLUDE I L PASSO! ). h=(b a ) /N ; % PASSO INTEGRAZIONE. x=a : h : b ; x=x ; % NODI INTEGRAZIONE. w=ones ( N+1,1) ; % PESI INTEGRAZIONE. w (1) =0.5; w ( N+1) =0.5; w=w h ; Alvise Sommariva Quadratura numerica 8/ 18

9 Implementazione Matlab di alcune formule composte La funzione trapezi composta appena esposta calcola i nodi e i pesi della omonima formula composta. L unica difficoltà del codice consiste nel calcolo dei pesi w. Essendo per loro definizione N I (f ) S1 c (f ) := w i f (x i ) (6) come pure per (4) S (c) 1 := h [ f (x0) 2 i=0 + f (x 1) f (x N 1 ) + f (x ] N) 2 deduciamo che w 0 = w N = h/2 mentre w 1 =... = w N 1 = h, cosa che giustifica le ultime linee della function trapezi composta. (7) Alvise Sommariva Quadratura numerica 9/ 18

10 Implementazione Matlab di alcune formule composte: trapz Si potrebbe usare il comando Matlab trapz nella sua implementazione >> h e l p t r a p z TRAPZ Trapezoidal numerical integration. Z = TRAPZ ( Y ) computes an approximation of the integral of Y via the trapezoidal method ( with unit spacing ). To compute the integral f o r spacing different from one, multiply Z by the spacing increment. For vectors, TRAPZ ( Y ) is the integral of Y e sostituire la parte relativa al calcolo dei pesi con I=h t r a p z ( fx ) ; Alvise Sommariva Quadratura numerica 10/ 18

11 Implementazione Matlab di alcune formule composte Vediamone i dettagli in Matlab per il calcolo di 1 0 sin(x)dx = cos(1) ( cos(0)) = cos(1) sia utilizzando la funzione trapz che trapezi composta >> format long ; >> [ x, w]= trapezi_composta ( 1 0, 0, 1 ) ; >> fx=s i n ( x ) ; >> I_trapezi_composta=w fx I_trapezi_composta = >> h=(1 0) /10; >> I_trapz=h t r a p z ( fx ) I_trapz = >> Alvise Sommariva Quadratura numerica 11/ 18

12 Implementazione Matlab di alcune formule composte Nota. Per implementare la regola è del tutto equivalente usare la function trapezi composta o trapz. Si osserva che è sbagliato chiamare trapz senza il passo h (nell esempio non si dividerebbe per 10, e invece di avremmo ). Evitiamo il diretto utilizzo di trapz perchè non presente in alcune vecchie versioni di Octave (ma non nella più recente ). Alvise Sommariva Quadratura numerica 12/ 18

13 Implementazione Matlab di alcune formule composte Per quanto riguarda la formula di Cavalieri-Simpson composta f u n c t i o n [ x, w]= simpson_composta ( N, a, b ) % FORMULA DI SIMPSON COMPOSTA. % INPUT : % N: NUMERO SUBINTERVALLI. % a, b : ESTREMI DI INTEGRAZIONE. % OUTPUT: % x : INTEGRAZIONE. % w : PESI INTEGRAZIONE (INCLUDE I L PASSO! ). h=(b a ) /N ; % AMPIEZZA INTERVALLO. x=a : ( h /2) : b ; x=x ; % NODI INTEGRAZIONE. w=ones (2 N+1,1) ; % PESI INTEGRAZIONE. w ( 3 : 2 : 2 N 1,1)=2 ones ( l e n g t h ( 3 : 2 : 2 N 1), 1 ) ; w ( 2 : 2 : 2 N, 1 ) =4 ones ( l e n g t h ( 2 : 2 : 2 N ), 1 ) ; w=w h / 6 ; Alvise Sommariva Quadratura numerica 13/ 18

14 Implementazione Matlab di alcune formule composte Una volta noti il vettore (colonna) x dei nodi e w dei pesi di integrazione, se la funzione f è richiamata da un m-file f.m, basta fx=f ( x ) ; % VALUT. FUNZIONE. I=w fx ; % VALORE INTEGRALE. per calcolare il risultato fornito dalla formula di quad. composta. Ricordiamo che se w = (w k ) k=1,...,m, fx = (f (x k )) k=1,...,m sono due vettori colonna allora il prodotto scalare M M w fx := w k fx k := w k f (x k ) k=1 si scrive in Matlab/Octave come w *fx (dimensionalmente il prodotto di un vettore 1 M con un vettore M 1 dà uno scalare (cioè un vettore 1 1)). k=1 Alvise Sommariva Quadratura numerica 14/ 18

15 Implementazione Matlab di alcune formule composte Applichiamo ora la formula composta di Cavalieri-Simpson all esempio precedente in cui ottenendo 1 >> format long ; >> [ x, w]= simpson_composta ( 5, 0, 1 ) ; >> fx=s i n ( x ) ; >> I_simpson=w fx I_simpson = >> l e n g t h ( x ) ans = 11 >> 0 sin(x)dx Alvise Sommariva Quadratura numerica 15/ 18

16 Implementazione Matlab di alcune formule composte Facciamo ora un altro esempio. Calcoliamo numericamente utilizzando le formule composte sopra citate 1 1 x 20 dx = (1 21 /21) ( 1) 21 /21 = 2/ A tal proposito scriviamo il seguente codice demo composte. a= 1; b=1; N =11; %SCEGLIERE N DISPARI. N_trap=N 1; [ x_trap, w_trap ]= trapezi_composta ( N_trap, a, b ) ; fx_trap=x_trap. ˆ 20; % VALUT. FUNZIONE. I_trap=w_trap fx_trap ; % TRAPEZI COMPOSTA. N_simpson=(N 1) /2; [ x_simp, w_simp ]= simpson_composta ( N_simpson, a, b ) fx_simp=x_simp. ˆ 20; % VALUT. FUNZIONE. I_simp=w_simp fx_simp ; % SIMPSON COMPOSTA. f p r i n t f ( \n\ t [ TPZ COMP] [ PTS] : % 4. 0 f, l e n g t h ( x_trap ) ) ; f p r i n t f ( \n\ t [ TPZ COMP] [ RIS ] : % f, I_trap ) ; f p r i n t f ( \n\ t [ SIMPS.COMP] [ PTS] : % 4. 0 f, l e n g t h ( x_simp ) ) ; f p r i n t f ( \n\ t [ SIMPS.COMP] [ RIS ] : % f, I_simp ) ; ottenendo [ TPZ COMP ] [ PTS ] : 11 [ TPZ COMP ] [ RIS ] : [ SIMPS. COMP ] [ PTS ] : 11 [ SIMPS. COMP ] [ RIS ] : Alvise Sommariva Quadratura numerica 16/ 18

17 Esercizio Usando la formula composta dei trapezi e di Cavalieri-Simpson, con n = 2, 4, 8,..., 512 suddivisioni equispaziate dell intervallo di integrazione, calcolare π 0 1 exp (x) cos (4x)dx = exp (π) 1 17 ; x 5/2 dx = 2 ; 0 7 π exp (cos (x))dx = ; π π/4 exp (cos (x))dx = ; 0 1 x 1/2 dx = Descrivere come decresce l errore in scala semilogaritmica e quale sia l andamento del rapporto E n(f )/E n+1(f ), dove E n = I (f ) I n(f ) con I (f ) integrale esatto e I n(f ) valore fornito dalla formula di quadratura. Alvise Sommariva Quadratura numerica 17/ 18

18 Bibliografia K. Atkinson, Introduction to Numerical Analysis, Wiley, K. Atkinson e W. Han, Theoretical Numerical Analysis, Springer, V. Comincioli, Analisi Numerica, metodi modelli applicazioni, Mc Graw-Hill, S.D. Conte e C. de Boor, Elementary Numerical Analysis, 3rd Edition, Mc Graw-Hill, A. Quarteroni e F. Saleri, Introduzione al calcolo scientifico, Springer Verlag, A. Suli e D. Mayers, An Introduction to Numerical Analysis, Cambridge University Press, Wikipedia, Regola del trapezio, del trapezio. Wikipedia, Regola di Cavalieri-Simpson, di Cavalieri-Simpson. Alvise Sommariva Quadratura numerica 18/ 18