Integrovanie funkcie jednej reálnej premennej
Numerické metódy výpočtu integrálov
Príklad 1: Obdĺžníkovou metódou, pomocou delenia intervalu
\left\langle 1;2\right\rangle na
n = 10 podintervalov, vypočítajte hodnotu integrálu
\displaystyle\int\limits^2_1{x^2e^{x^2}} \ \mathrm{d}x.
Odhadnite chybu numerického výpočtu. Získané výsledky vyhoďnoťte z hľadiska presnosti.
Riešenie: Interval
\left\langle a;b\right\rangle=\left\langle 1;2\right\rangle deliacimi bodmi
x_0=1,
x_1=1,1, \dots, x_{n-1}=1,9,
x_n=2 rozdelíme na
10 ekvidistančných podintervalov. V bodoch
x_0,
x_1,\dots, x_{n-1} určíme funkčné hodnoty funkcie
f(x)=x^2e^{x^2}. Dostaneme hodnoty:
f(1,0)=2,72
f(1,1)=4,06
f(1,2)=6,08
f(1,3)=9,16
f(1,4)=13,91
f(1,5)=21,35
f(1,6)=33,12
f(1,7)=52,00
f(1,8)=82,73
f(1,9)=133,45
Približnú hodnotu integrálu
\displaystyle\int^2_1{x^2e^{x^2}}\ \mathrm{d}x vypočítame na základe vzťahu
\int^2_1{x^2e^{x^2}} dx \approx \frac{b-a}{n}\left(f(x_0)+f(x_1)+\cdots +f(x_{n-1})\right)
\int^2_1{x^2e^{x^2}} dx \approx \frac{2-1}{10}(2,72+4,06+\dots+133,45)=\frac{1}{10}\cdot 358,58=35,858.
Pre odhad chyby numerického výpočtu použijeme vzťah
\left|R_0(f)\right|\leq \frac{M_1}{2n}(b-a)^{2}, \qquad M_1=\max\limits_{\left\langle a;b\right\rangle}|f'(x)|.
f'(x)=\left(x^2e^{x^2}\right)'=2xe^{x^2}+x^2e^{x^2}2x=2xe^{x^2}(1+x^2)
Táto funkcia na intervale
\left\langle a;b\right\rangle=\left\langle 1;2\right\rangle dosahuje maximum v bode
2, preto
M_1=4 e^{2^2}(1+2^2)= 20e^4
\left|R_0(f)\right|\leq \frac{20e^4}{2\cdot 10}(2-1)^{2} = e^4 \doteq 54,5982.
Porovnaním chyby merania so získanou hodnotou integrálu zisťujeme, že náš výpočet je veľmi nepresný, skutočná hodnota integrálu sa nachádza v intervale
\left\langle 35,858-54,5982;35,858+54,5982\right\rangle=\left\langle -18,7402;90,4562\right\rangle.
Presnejší výsledok možno získať zvýšením počtu deliacich bodov, prípadne použitím inej numerickej metódy integrovania.