Teoria: Formule di quadratura - trapezi, Cavalieri-Simpson ed estrapolazione di RichardsonUna formula di quadratura approssima $\int_a^b f,dx$ con $\sum w_if(x_i)$ ottenuta integrando il polinomio che interpola $f$ nei nodi. Trapezio $\frac{b-a}2[f(a)+f(b)]$ (grado di esattezza 1, errore $-\frac{(b-a)^3}{12}f''(\xi)$), punto medio $(b-a)f(m)$ (grado 1, errore $+\frac{(b-a)^3}{24}f''(\xi)$), Cavalieri-Simpson $\frac{b-a}6[f(a)+4f(m)+f(b)]$ (grado 3, errore $-\frac{(b-a)^5}{2880}f^{(4)}(\xi)$). Composite con passo $h=\frac{b-a}n$: trapezi errore $-\frac{(b-a)h^2}{12}f''(\xi)$ (ordine 2, rapporto tra errori 4 se $h$ si dimezza), Simpson errore $-\frac{(b-a)h^4}{180}f^{(4)}(\xi)$ (ordine 4, rapporto 16, $n$ pari). Estrapolazione di Richardson: se $Q(h)=I+Ch^p+\dots$ allora $I\approx\frac{2^pQ(h/2)-Q(h)}{2^p-1}$; per i trapezi $p=2$ e $\frac{4T_{h/2}-T_h}3=S_{h/2}$; ripetuta dà la tabella di Romberg. Stima dell'errore a posteriori: $I-Q(h/2)\approx\frac{Q(h/2)-Q(h)}{2^p-1}$.Formule di quadratura - trapezi, Cavalieri-Simpson ed estrapolazione di Richardson →.
Testo. Si vuole approssimare I=∫12xdx=ln2.
- Calcolare l'approssimazione con la formula del punto medio, del trapezio e di Cavalieri-Simpson (una sola applicazione su tutto [1,2]).
- Calcolare l'errore vero I−Q di ciascuna e confrontarlo con la maggiorazione data dalla teoria.
- Verificare che QS=32QPM+QT.
- (Teoria) Calcolare QS per f(x)=x3 e f(x)=x4 su [0,1] e dedurre il grado di esattezza.
Soluzione
Qui a=1, b=2, H=1, m=23, f(x)=x1: f(1)=1, f(23)=32, f(2)=21. Valore esatto: ln2=0,693147.
1. Le tre formule.
QPM=Hf(m)=32=0,666667,QT=2H[f(1)+f(2)]=21(1+21)=0,75,
QS=6H[f(1)+4f(23)+f(2)]=61(1+38+21)=61⋅625=3625=0,694444.
2. Errori e maggiorazioni. Gli errori veri sono
EPM=0,693147−0,666667=+0,026481,ET=0,693147−0,75=−0,056853,ES=0,693147−0,694444=−0,001297.
Segni: f′′(x)=x32>0 (f convessa), quindi il trapezio sovrastima (ET<0) e il punto medio sottostima (EPM>0), come previsto; il rapporto EPMET=−2,15 è vicino a −2 (nelle formule c'è −121 contro +241).
Maggiorazioni: f′′(x)=x32≤2 su [1,2] (massimo in x=1) e f(4)(x)=x524≤24. Allora
∣EPM∣≤2413⋅2=0,0833,∣ET∣≤1213⋅2=0,1667,∣ES∣≤288015⋅24=0,00833.
Le maggiorazioni sono rispettate, ma pessimistiche (di un fattore 3-6): sono state calcolate nel punto peggiore x=1, mentre l'errore dipende da una media di f′′ sull'intervallo.
3. Simpson come combinazione. 32QPM+QT=31(34+43)=31⋅1225=3625=QS ✓. In generale QS=32QPM+31QT: le due formule di grado 1 hanno errori +24H3f′′ e −12H3f′′, e la combinazione con pesi 32,31 cancella il termine in f′′ (32⋅241−31⋅121=0).
4. Grado di esattezza. Su [0,1]: m=21, H=1.
- f=x3: QS=61(0+4⋅81+1)=41=∫01x3dx ✓ esatto.
- f=x4: QS=61(0+4⋅161+1)=245=0,20833=51.
Poiché sono esatti anche 1,x,x2 (per costruzione), il grado di esattezza è 3. Coerente con l'errore −2880H5f(4)(ξ), che si annulla per ogni cubico. Controllo con x4: f(4)=24, E=−288024=−0,008333; direttamente 51−245=−1201=−0,008333 ✓.
Risultati: QPM=0,6667, QT=0,75, QS=3625=0,6944 (errore −1,3⋅10−3); grado di esattezza di Simpson: 3.
Errori tipici. Dimenticare il fattore 4 sul punto medio in Simpson; usare (b−a)2 al posto di (b−a)3 nelle maggiorazioni; interpretare il segno di E=I−Q al contrario.