Regra Simples

O método do Trapézio Simples é uma técnica de aproximação para o cálculo de integrais definidas. Ele utiliza a ideia de aproximar a área sob a curva de uma função \( f(x) \) por um trapézio, considerando apenas os pontos nos limites de integração \( a \) e \( b \).

A fórmula para o cálculo da integral de uma função \( f(x) \) no intervalo \( [a, b] \) é:

$$ \int_{a}^{b}f(x)dx = \frac{b - a}{2} \left( f(a) + f(b) \right)+ \varepsilon $$ $$ \int_{a}^{b}f(x)dx = \frac{h}{2} \left( y_0 + y_1 \right)+ \varepsilon $$

Onde:

Erro do Método do Trapézio Simples

O erro associado ao método do Trapézio Simples é dado por:

$$ \varepsilon = -\frac{h^3}{12} f''(\xi) $$

Onde:

Obs.: Esse erro depende da curvatura da função. Se a função for muito curva, o erro tende a ser maior.

Exemplo do Trapézio Simples

Vamos calcular a integral de \( f(x) = x^2 \) no intervalo \( [1, 3] \) usando o método do Trapézio Simples:

$$ I_T = \int_{1}^{3}x^2dx = \frac{h}{2} \left( y_0 + y_1 \right)+ \varepsilon $$ $$ I_T = \frac{(3-1)}{2} \left( f(1) + f(3) \right)+ \varepsilon $$ $$ I_T = \frac{(2)}{2} \left( 1^2 + 3^2 \right)+ \varepsilon $$ $$ I_T = 10 + \varepsilon $$

A integral exata é:

$$ I_e = \int_1^3 x^2 \, dx = \left[\frac{x^3}{3}\right]_1^3 $$ $$ I_e = \frac{27}{3} - \frac{1}{3} = \frac{26}{3} \approx 8.6667 $$

O erro estimado pela fórmula é:

$$ \varepsilon = -\frac{(h)^3}{12} f''(\xi) = -\frac{(2)^3}{12} 2 $$ $$ \varepsilon = -\frac{16}{12} = -1.3333 $$

Obs.: Neste exemplo pode calcular o erro de outra maneira:

$$ \varepsilon = I_e - I_T $$ $$ \varepsilon = 8.6667 - 10 = -1.3333 $$

Regra do Trapézio Repetida

O método do Trapézio Reepetido divide o intervalo \( [a, b] \) em \( n \) subintervalos de igual comprimento e aplica o método do Trapézio Simples em cada subintervalo. Ele é mais preciso que o método simples, pois utiliza mais pontos de avaliação da função.

A fórmula para o Trapézio Composto é dada por:

$$ T_n = \frac{h}{2} \left( f(x_0) + 2 \sum_{i=1}^{n-1} f(x_i) + f(x_n) \right) $$

Onde:

Erro do Método do Trapézio Repetido

Para \( n \) repetições, o erro é dado pela fórmula:

$$ \varepsilon_{T_R} = -n.\frac{(h)^3}{12} f''(\xi) $$

O erro depende de \( n \) (número de subintervalos) e da curvatura da função. Quanto maior o valor de \( n \), menor o erro.

Exemplo do Trapézio Repetido

Vamos calcular a integral de \( f(x) = x^2 \) no intervalo \( [1, 3] \) usando o método do Trapézio Composto com \( n = 2 \) subintervalos:

Dividindo o intervalo \( [1, 3] \) em 2 subintervalos, temos \( h = \frac{3 - 1}{2} = 1 \). Então, os pontos de avaliação são \( x_0 = 1 \), \( x_1 = 2 \), e \( x_2 = 3 \).

A fórmula do Trapézio Composto fica:

$$ I_{T_2} = \int_{1}^{3}x^2dx = \frac{h}{2} \left( y_1 + 2y_2 + y_3 \right) + \varepsilon $$ $$ I_{T_2} = \frac{1}{2} \left( 1^2 + 2.2^2 + 3 \right) + \varepsilon $$ $$ I_{T_2} = \frac{1}{2} \left( 18 \right) + \varepsilon = 9 + \varepsilon $$

O valor aproximado da integral é 9. O erro estimado será:

$$ \varepsilon_{T_R} = -n.\frac{(h)^3}{12} f''(\xi) $$ $$ \varepsilon_{T_R} = -2.\frac{1^3}{12}.2 = -\frac{4}{12} \approx -0.3333 $$

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