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Recorte 15: Fórmulas de Newton-Cotes

Introdução

No texto a seguir, vamos construir uma fórmula geral de Newton-Cotes para integração numérica fechada. Assumimos que os nós de integração são igualmente espaçados e que os pontos extremos também são incluídos na fórmula de quadratura. Isto significa que para n+1n+1 nós, temos

a=x0<x1<x2<…<xn−1<xn=b,  com  h=xk+1−xk, k=0,1,…,n−1.a = x_0 < x_1 < x_2 < \ldots < x_{n-1} < x_n = b, \ \ \text{com} \ \ h = x_{k+1} - x_k, \, k = 0,1,\ldots,n-1.

Integrar f(x)f(x) no domínio [a,b][a,b] equivale a buscar o valor de ∫abf(x) dx\int_a^b f(x) \, dx. De maneira geral, podemos ter ∫abω(x)f(x) dx\int_a^b \omega(x) f(x) \, dx, onde ω(x)≥0\omega(x) \geq 0 é uma função-peso que pode anular-se em um número finito de pontos. Entretanto, usaremos ω(x)≡1\omega(x) \equiv 1.

Para cada nó xkx_k, os valores fk=f(xk)f_k = f(x_k) são conhecidos. Numericamente, podemos aproximar o valor exato da integral por um polinômio de Lagrange de ordem nn da seguinte forma:

∫abf(x) dx≈∑k=0nfkAk=∑k=0nfk∫x0xnLn,k(x) dx,\int_a^b f(x) \, dx \approx \displaystyle \sum_{k=0}^n f_k A_k = \displaystyle \sum_{k=0}^n f_k \int_{x_0}^{x_n} \mathcal{L}_{n,k}(x) \, dx,

em que, evidentemente, Ak=∫x0xnLn,k(x) dxA_k = \int_{x_0}^{x_n} \mathcal{L}_{n,k}(x) \, dx, para a função de base de Lagrange Ln,k(x)\mathcal{L}_{n,k}(x).

Forma de Lagrange para pontos igualmente espaçados

Antes de prosseguirmos, vale a pena escrever as funções de base de Lagrange e, consequentemente, o próprio polinômio de Lagrange em uma forma especial. Para isso, vamos utilizar a seguinte mudança de variável

u=x−x0h.u = \dfrac{x-x_0}{h}.

Esta mudança está embasada em dois resultados (teoremas que podem ser provados por indução):

  1. Para r∈Z+r \in \mathbb{Z}_{+}, x−xr=(u−r)hx - x_r = (u-r)h

  2. Para r,s∈Z+r,s \in \mathbb{Z}_{+}, xr−xs=(r−s)hx_r - x_s = (r-s)h

Uma vez que o polinômio de Lagrange é dado por Pn(x)=∑k=0n fkLn,k(x)P_n(x) = \sum_{k=0}^n \, f_k \mathcal{L}_{n,k}(x) com funções de base

Ln,k(x)=(x−x0)(x−x1)…(x−xk−1)(x−xk+1)…(x−xn)(xk−x0)(x−x1)…(xk−xk−1)(xk−xk+1)…(xk−xn),\mathcal{L}_{n,k}(x) = \dfrac{ (x-x_0)(x-x_1) \ldots (x-x_{k-1})(x-x_{k+1}) \ldots (x-x_n) }{ (x_k-x_0)(x-x_1) \ldots (x_k-x_{k-1})(x_k-x_{k+1}) \ldots (x_k-x_n) },

a mudança de variável anterior permite-nos escrevê-lo como

Pn(x0+uh)=∑k=0n fkλn,k(u),P_n(x_0 + uh) = \sum_{k=0}^n \, f_k \lambda_{n,k}(u),

para

λn,k(u)=u(u−1)…(u−(k−1))(u−(k+1))…(u−n)k(k−1)…(k−(k−1))(k−(k+1))…(k−n).\lambda_{n,k}(u) = \dfrac{ u(u-1) \ldots (u-(k-1))(u-(k+1)) \ldots (u-n) }{ k(k-1) \ldots (k-(k-1))(k-(k+1)) \ldots (k-n) }.

Logo, Pn(x0+uh)P_n(x_0 + uh) é a forma de Lagrange para pontos igualmente espaçados.

Fórmulas gerais

A mudança de variável nos permite ter dx=hdudx = hdu, de onde segue que:

{x=x0,→u=0x=xn,→u=n\begin{cases} x=x_0,& \rightarrow u = 0 \\ x=x_n,& \rightarrow u = n \\ \end{cases}

Assim, a aproximação de nossa integral converte-se em:

∫x0xnf(x) dx≈∑k=0nfkhCkn≈∑k=0nfkh∫0nλn,k(u) du,\int_{x_0}^{x_n} f(x) \, dx \approx \displaystyle \sum_{k=0}^n f_k h C_k^n \approx \displaystyle \sum_{k=0}^n f_k h \int_{0}^{n} \lambda_{n,k}(u) \, du,

para Ckn=∫0nλn,k(u) duC_k^n = \int_{0}^{n} \lambda_{n,k}(u) \, du.

A fórmula anterior, totalmente independente dos limites de integração fornece-nos as mais diversas (e conhecidas) fórmulas de Newton-Cotes.

Regra do Trapézio Simples

Quando n=1n=1, obtemos uma fórmula de quadratura a dois pontos com polinômio de grau 1. Isto é,

∫x0x1f(x) dx≈f0hC01+f1hC11.\int_{x_0}^{x_1} f(x) \, dx \approx f_0 h C_0^1 + f_1 h C_1^1.

Porém, notemos que:

C01=∫01λ1,0(u) du=∫01u−10−1 du=∫01(1−u) du=12C11=∫01λ1,1(u) du=∫01u−01−0 du=∫01u du=12\begin{aligned} C_0^1 &= \int_{0}^{1} \lambda_{1,0}(u) \, du = \int_{0}^{1} \dfrac{u-1}{0-1} \, du = \int_{0}^{1} (1-u) \, du = \dfrac{1}{2} \\ C_1^1 &= \int_{0}^{1} \lambda_{1,1}(u) \, du = \int_{0}^{1} \dfrac{u-0}{1-0} \, du = \int_{0}^{1} u \, du = \dfrac{1}{2} \end{aligned}

Logo,

∫x0x1f(x) dx≈f0h12+f1h12=h2(f0+f1)=h2[f(x0)+f(x1)],\int_{x_0}^{x_1} f(x) \, dx \approx f_0 h \dfrac{1}{2} + f_1 h \dfrac{1}{2} = \dfrac{h}{2}(f_0 + f_1) = \dfrac{h}{2}[f(x_0) + f(x_1)],

que é a tradicional regra do trapézio simples.

Regra do Trapézio Composta

A regra do trapézio composta equivale a aplicar a regra simples para cada subintervalo de [a,b][a,b]:

∫x0xnf(x) dx≈h2[f(x0)+2(f(x1)+f(x2)+…+f(xn−1))+f(xn)],\int_{x_0}^{x_n} f(x) \, dx \approx \dfrac{h}{2}[f(x_0) + 2( f(x_1) + f(x_2) + \ldots + f(x_{n-1})) + f(x_n)],

Regra 1/3 de Simpson

Quando n=2n=2, obtemos uma fórmula de quadratura a três pontos com polinômio de grau 2. Isto é,

∫x0x2f(x) dx≈f0hC02+f1hC12+f2hC22.\int_{x_0}^{x_2} f(x) \, dx \approx f_0 h C_0^2 + f_1 h C_1^2 + f_2 h C_2^2.

Porém, notemos que:

C02=∫02λ2,0(u) du=∫02(u−1)(u−2)(0−1)(0−2) du=12∫02u2−3u+2 du=13C12=∫02λ2,1(u) du=∫02(u−0)(u−2)(1−0)(1−2) du=−∫02u2−2u du=43C22=13\begin{aligned} C_0^2 &= \int_{0}^{2} \lambda_{2,0}(u) \, du = \int_{0}^{2} \dfrac{(u-1)(u-2)}{(0-1)(0-2)} \, du = \dfrac{1}{2}\int_{0}^{2} u^2 - 3u + 2 \, du = \dfrac{1}{3} \\ C_1^2 &= \int_{0}^{2} \lambda_{2,1}(u) \, du = \int_{0}^{2} \dfrac{(u-0)(u-2)}{(1-0)(1-2)} \, du = -\int_{0}^{2} u^2 - 2u \, du = \dfrac{4}{3} \\ C_2^2 &= \dfrac{1}{3} \end{aligned}

Logo,

∫x0x2f(x) dx≈h3(f0+4f1+f2)=h3[f(x0)+4f(x1)+f(x2)],\int_{x_0}^{x_2} f(x) \, dx \approx \dfrac{h}{3}(f_0 + 4f_1 + f_2) = \dfrac{h}{3}[f(x_0) + 4f(x_1) + f(x_2)],

que é a tradicional regra 1/3 de Simpson simples.

Regra 1/3 de Simpson composta

A regra 1/3 de Simpson composta é obtida de forma similar. Dividimos o intervalo de integração em subintervalos de comprimento h=(b−a)/2nh = (b-a)/2n (múltiplo de 2 para que a regra simples valha a cada 3 pontos), de modo que

∫x0x2nf(x) dx≈h3[f(x0)+4f(x1)+2f(x2)+4f(x3)+2f(x4)+…+2f(x2n−2)+4f(x2n−1)+f(x2n)],\int_{x_0}^{x_{2n}} f(x) \, dx \approx \dfrac{h}{3}[f(x_0) + 4f(x_1) + 2f(x_2) + 4f(x_3) + 2f(x_4) + \ldots + 2f(x_{2n-2}) + 4f(x_{2n-1}) + f(x_{2n})],

Regra 3/8 de Simpson

Quando n=3n=3, obtemos uma fórmula de quadratura a quatro pontos com polinômio de grau 3. Isto é,

∫x0x3f(x) dx≈f0hC03+f1hC13+f2hC23+f2hC33.\int_{x_0}^{x_3} f(x) \, dx \approx f_0 h C_0^3 + f_1 h C_1^3 + f_2 h C_2^3 + f_2 h C_3^3.

Porém, notemos que:

C03=∫03λ3,0(u) du=∫03(u−1)(u−2)(u−3)(0−1)(0−2)(0−3) du=−16∫03u3−6u2+11u−6 du=38C13=∫03λ3,1(u) du=∫03u(u−2)(u−3)(1−0)(1−2)(1−3) du=12∫03u3−5u2+6u du=98C23=98C33=38\begin{aligned} C_0^3 &= \int_{0}^{3} \lambda_{3,0}(u) \, du = \int_{0}^{3} \dfrac{(u-1)(u-2)(u-3)}{(0-1)(0-2)(0-3)} \, du = -\dfrac{1}{6}\int_{0}^{3} u^3 - 6u^2 + 11u - 6 \, du = \dfrac{3}{8} \\ C_1^3 &= \int_{0}^{3} \lambda_{3,1}(u) \, du = \int_{0}^{3} \dfrac{u(u-2)(u-3)}{(1-0)(1-2)(1-3)} \, du = \dfrac{1}{2}\int_{0}^{3} u^3 - 5u^2 + 6u \, du = \dfrac{9}{8} \\ C_2^3 &= \dfrac{9}{8} \\ C_3^3 &= \dfrac{3}{8}\end{aligned}

Logo,

∫x0x3f(x) dx≈3h8(f0+3f1+3f2+f3)=3h8[f(x0)+3(f(x1)+f(x2))+f(x3)],\int_{x_0}^{x_3} f(x) \, dx \approx \dfrac{3h}{8}(f_0 + 3f_1 + 3f_2 + f_3) = \dfrac{3h}{8}[f(x_0) + 3(f(x_1) + f(x_2)) + f(x_3)],

que é regra 3/8 de Simpson simples.

Regra 3/8 de Simpson composta

A regra 3/8 de Simpson composta é obtida de forma similar. Dividimos o intervalo de integração em subintervalos de comprimento h=(b−a)/3nh = (b-a)/3n (múltiplo de 3 para que a regra simples valha a cada 4 pontos), de modo que

∫x0x3nf(x) dx≈3h8[f(x0)+3(f(x1)+f(x2))+2f(x3)+…++  2f(x3n−3)+3(f(x3n−2)+f(x3n−1))+f(x3n)],\int_{x_0}^{x_{3n}} f(x) \, dx \approx \dfrac{3h}{8}[f(x_0) + 3(f(x_1) + f(x_2)) + 2f(x_3) + \ldots + \\ + \ \ 2f(x_{3n-3}) + 3(f(x_{3n-2}) + f(x_{3n-1})) + f(x_{3n})],