1.5
Numerisk integrasjon

1.5 Numerisk integrasjon

Lær trapesformelen, Simpsons regel, feilestimering og praktisk bruk av numerisk integrasjon når analytisk integrasjon er vanskeleg eller umogleg.

55 min
22 oppgaver
Numerisk integrasjonTrapesformelenSimpsons regelFeilestimering
Du leser den tradisjonelle versjonen
Din fremgang i kapitlet
0 / 22 oppgaver
Kapitlets plass i kurset

Kvifor numerisk integrasjon?

Mange funksjonar lèt seg ikkje integrere analytisk. Til dømes har ∫e−x2 dx\int e^{-x^2} \, dx inga elementær antiderivert. I slike tilfelle bruker vi numeriske metodar for å rekne ut tilnærma verdiar av bestemte integral.

Numerisk integrasjon er òg svært nyttig når vi berre har datapunkt (målingar) og ikkje kjenner funksjonsuttrykket.

Numerisk integrasjon
Numerisk integrasjon er metodar for å rekne ut tilnærma verdiar av bestemte integral ∫abf(x) dx\int_a^b f(x) \, dx.

Grunnideen er å dele intervallet [a,b][a, b] inn i nn delintervall, kvart med breidd h=b−an\displaystyle h = \frac{b - a}{n}, og tilnærme arealet under grafen med enklare geometriske figurar.

Delingspunkta er x0=a, x1=a+h, x2=a+2h, …, xn=bx_0 = a, \ x_1 = a + h, \ x_2 = a + 2h, \ \ldots, \ x_n = b.

Venstresum og høgresum

Den enklaste numeriske metoden bruker rektangel. Intervallet [a,b][a, b] blir delt i nn delintervall med breidd Δx=b−an\Delta x = \dfrac{b - a}{n} og endepunkt x0=ax_0 = a, x1x_1, …, xn=bx_n = b:

Vn=Δx⋅(f(x0)+f(x1)+⋯+f(xn−1))V_n = \Delta x \cdot \big(f(x_0) + f(x_1) + \cdots + f(x_{n-1})\big)

Hn=Δx⋅(f(x1)+f(x2)+⋯+f(xn))H_n = \Delta x \cdot \big(f(x_1) + f(x_2) + \cdots + f(x_n)\big)

Venstresummen VnV_n bruker venstre endepunkt i kvart delintervall, høgresummen HnH_n høgre. For ein veksande funksjon er VnV_n for låg og HnH_n for høg; for ein minkande funksjon er det omvendt. Gjennomsnittet Vn+Hn2\dfrac{V_n + H_n}{2} er trapesformelen.

✏️Venstresum og høgresum for hand

Finn venstresummen og høgresummen for f(x)=4−x2f(x) = 4 - x^2 på [0,2][0, 2] med n=4n = 4, og samanlikn med integralet.

Δx=2−04=0,5\Delta x = \dfrac{2 - 0}{4} = 0{,}5

xxf(x)f(x)
0044
0,50{,}53,753{,}75
1133
1,51{,}51,751{,}75
2200

V4=0,5⋅(4+3,75+3+1,75)=0,5⋅12,5=6,25V_4 = 0{,}5 \cdot (4 + 3{,}75 + 3 + 1{,}75) = 0{,}5 \cdot 12{,}5 = 6{,}25
H4=0,5⋅(3,75+3+1,75+0)=0,5⋅8,5=4,25H_4 = 0{,}5 \cdot (3{,}75 + 3 + 1{,}75 + 0) = 0{,}5 \cdot 8{,}5 = 4{,}25
∫02(4−x2) dx=[4x−x33]02=8−83=163≈5,33\displaystyle\int_0^2 (4 - x^2)\,dx = \left[4x - \dfrac{x^3}{3}\right]_0^2 = 8 - \dfrac{8}{3} = \dfrac{16}{3} \approx 5{,}33
Svar: V4=6,25V_4 = 6{,}25 og H4=4,25H_4 = 4{,}25. Funksjonen er minkande, så venstresummen er for høg og høgresummen for låg i forhold til integralet 5,335{,}33.
📜Trapesformelen
Med nn delintervall og h=b−an\displaystyle h = \frac{b-a}{n} er trapesformelen:

Tn=h2[f(x0)+2f(x1)+2f(x2)+⋯+2f(xn−1)+f(xn)]\begin{aligned} &T_n \\ = {}&\frac{h}{2}\Big[f(x_0) + 2f(x_1) + 2f(x_2) + \cdots + 2f(x_{n-1}) + f(x_n)\Big] \end{aligned}

=h2[f(x0)+f(xn)+2∑k=1n−1f(xk)]= \frac{h}{2}\left[f(x_0) + f(x_n) + 2\sum_{k=1}^{n-1} f(x_k)\right]

Trapesformelen tilnærmar arealet ved å erstatte kurvebogen mellom to nabopunkt med ei rett linje, slik at kvart delområde blir eit trapes. Trapeset over [xk−1,xk][x_{k-1}, x_k] har areal h2[f(xk−1)+f(xk)]\displaystyle \frac{h}{2}\big[f(x_{k-1}) + f(x_k)\big]. Når vi summerer alle trapesa, blir kvart indre punkt x1,…,xn−1x_1, \ldots, x_{n-1} talt med to gonger, medan endepunkta x0x_0 og xnx_n berre blir talde éin gong.

✏️Trapesformelen med 4 delintervall

Bruk trapesformelen med n=4n = 4 til å tilnærme ∫02e−x2 dx\int_0^2 e^{-x^2} \, dx.

Vi har a=0a = 0, b=2b = 2, n=4n = 4 og h=2−04=0,5\displaystyle h = \frac{2-0}{4} = 0{,}5.

Delingspunkta og funksjonsverdiane:

kkxkx_kf(xk)=e−xk2f(x_k) = e^{-x_k^2}
00e0=1e^0 = 1
10,5e−0,25≈0,7788e^{-0{,}25} \approx 0{,}7788
21,0e−1≈0,3679e^{-1} \approx 0{,}3679
31,5e−2,25≈0,1054e^{-2{,}25} \approx 0{,}1054
42,0e−4≈0,0183e^{-4} \approx 0{,}0183

T4=0,52[1+2(0,7788)+2(0,3679)+2(0,1054)+0,0183]\begin{aligned} &T_4 \\ = {}&\frac{0{,}5}{2}\Big[1 + 2(0{,}7788) + 2(0{,}3679) + 2(0{,}1054) + 0{,}0183\Big] \end{aligned}
=0,25⋅[1+1,5576+0,7358+0,2108+0,0183]= 0{,}25 \cdot [1 + 1{,}5576 + 0{,}7358 + 0{,}2108 + 0{,}0183]
=0,25⋅3,5225≈0,8806= 0{,}25 \cdot 3{,}5225 \approx 0{,}8806
Svar: T4≈0,8806T_4 \approx 0{,}8806. Den eksakte verdien er ≈0,8821\approx 0{,}8821.
✏️Trapesformelen med Python

Skriv eit program som reknar ut trapessummen TnT_n for ∫02e−x2 dx\int_0^2 e^{-x^2}\,dx med n=4n = 4, 88, 1616 og 3232.

import math

def f(x):
    return math.exp(-x**2)

a, b = 0, 2
for n in [4, 8, 16, 32]:
    h = (b - a) / n
    s = (f(a) + f(b)) / 2
    for k in range(1, n):
        s = s + f(a + k*h)
    print(n, round(h * s, 6))

Variabelen s startar med f(a)+f(b)2\displaystyle \frac{f(a) + f(b)}{2} og får lagt til kvart indre punkt éin gong. Til slutt blir summen gonga med hh, slik at programmet reknar ut Tn=h2[f(x0)+2f(x1)+⋯+2f(xn−1)+f(xn)]\displaystyle T_n = \frac{h}{2}\big[f(x_0) + 2f(x_1) + \dots + 2f(x_{n-1}) + f(x_n)\big].

Køyring gir:

nnTnT_n
440,8806190{,}880619
880,8817040{,}881704
16160,8819860{,}881986
32320,8820580{,}882058

Svar: T32≈0,882058T_{32} \approx 0{,}882058. Verdiane nærmar seg 0,88210{,}8821 når nn blir dobla.
📜Simpsons regel
Med eit partal nn delintervall og h=b−an\displaystyle h = \frac{b-a}{n} er Simpsons regel:

Sn=h3[f(x0)+4f(x1)+2f(x2)+4f(x3)+2f(x4)+⋯+4f(xn−1)+f(xn)]\begin{aligned} &S_n \\ = {}&\frac{h}{3}\Big[f(x_0) + 4f(x_1) + 2f(x_2) + 4f(x_3) \\ &\quad {} + 2f(x_4) + \cdots + 4f(x_{n-1}) + f(x_n)\Big] \end{aligned}

Koeffisientane følgjer mønsteret 1,4,2,4,2,…,4,2,4,11, 4, 2, 4, 2, \ldots, 4, 2, 4, 1.

Simpsons regel tilnærmar kurvebogen mellom tre nabopunkt med ein parabel (andregradsfunksjon), noko som gir langt betre nøyaktigheit enn trapesformelen.

✏️Simpsons regel med 4 delintervall

Bruk Simpsons regel med n=4n = 4 til å tilnærme ∫02e−x2 dx\int_0^2 e^{-x^2} \, dx.

Vi bruker dei same verdiane som i førre døme: h=0,5h = 0{,}5.

S4=0,53[f(0)+4f(0,5)+2f(1)+4f(1,5)+f(2)]S_4 = \frac{0{,}5}{3}\Big[f(0) + 4f(0{,}5) + 2f(1) + 4f(1{,}5) + f(2)\Big]

=0,53[1+4(0,7788)+2(0,3679)+4(0,1054)+0,0183]= \frac{0{,}5}{3}\Big[1 + 4(0{,}7788) + 2(0{,}3679) + 4(0{,}1054) + 0{,}0183\Big]

=0,53[1+3,1152+0,7358+0,4216+0,0183]= \frac{0{,}5}{3}\Big[1 + 3{,}1152 + 0{,}7358 + 0{,}4216 + 0{,}0183\Big]

=0,53⋅5,2909≈0,8818= \frac{0{,}5}{3} \cdot 5{,}2909 \approx 0{,}8818

Den eksakte verdien er ≈0,8821\approx 0{,}8821. Simpsons regel gir her ein feil på berre ≈0,0003\approx 0{,}0003, mykje betre enn trapesformelen (≈0,0015\approx 0{,}0015).

Svar: S4≈0,8818S_4 \approx 0{,}8818

Gjør dette i GeoGebra

Utforsk: Trapesmetoden

Trapesmetoden med 4 trapes tilnærmar ∫02(x2+1) dx\int_0^2 (x^2 + 1)\, dx. Auk talet på trapes (siste tal i kommandoen) og sjå korleis tilnærminga nærmar seg den eksakte verdien 143\displaystyle \frac{14}{3}.

Skriv inn én linje om gangen i inntastingsfeltet:

f(x) = x^2 + 1
t = TrapezoidalSum(f, 0, 2, 4)

Med språket satt til norsk forstår GeoGebra kommandonavnene både på norsk og engelsk.

Åpne GeoGebra(åpnes i ny fane)
📜Feilestimering
Feil for trapesformelen:
∣ET∣≤(b−a)312n2⋅M2|E_T| \leq \frac{(b-a)^3}{12n^2} \cdot M_2
der M2=max⁡a≤x≤b∣f′′(x)∣M_2 = \max_{a \leq x \leq b} |f''(x)|.

Feil for Simpsons regel:
∣ES∣≤(b−a)5180n4⋅M4|E_S| \leq \frac{(b-a)^5}{180n^4} \cdot M_4
der M4=max⁡a≤x≤b∣f(4)(x)∣M_4 = \max_{a \leq x \leq b} |f^{(4)}(x)|.

Simpsons regel konvergerer altså som 1n4\displaystyle \frac{1}{n^4}, medan trapesformelen konvergerer som 1n2\displaystyle \frac{1}{n^2}. Dobling av nn gir ca. 4 gonger betre nøyaktigheit for trapes, men 16 gonger betre for Simpson.

✏️Feilestimering og val av n

Kor mange delintervall nn treng vi i trapesformelen for å rekne ut ∫0111+x2 dx\displaystyle \int_0^1 \frac{1}{1+x^2} \, dx med feil mindre enn 0,0010{,}001?

Vi har f(x)=11+x2\displaystyle f(x) = \frac{1}{1+x^2}.

f′(x)=−2x(1+x2)2\displaystyle f'(x) = \frac{-2x}{(1+x^2)^2}

f′′(x)=−2(1+x2)2+2x⋅2(1+x2)⋅2x(1+x2)4=6x2−2(1+x2)3\displaystyle f''(x) = \frac{-2(1+x^2)^2 + 2x \cdot 2(1+x^2) \cdot 2x}{(1+x^2)^4} = \frac{6x^2 - 2}{(1+x^2)^3}

For x∈[0,1]x \in [0, 1]: ∣f′′(x)∣|f''(x)| har maksimum i x=0x = 0 der ∣f′′(0)∣=2|f''(0)| = 2. Altså M2=2M_2 = 2.

Feilgrensa: ∣ET∣≤(1−0)312n2⋅2=16n2\displaystyle |E_T| \leq \frac{(1-0)^3}{12n^2} \cdot 2 = \frac{1}{6n^2}

Vi krev 16n2<0,001\displaystyle \frac{1}{6n^2} < 0{,}001, altså n2>10,006≈166,7\displaystyle n^2 > \frac{1}{0{,}006} \approx 166{,}7, som gir n>12,9n > 12{,}9.

Svar: Vi treng minst n=13n = 13 delintervall.

Praktisk bruk

Når bruker vi numerisk integrasjon?

- Funksjonen har inga elementær antiderivert: ∫e−x2 dx\int e^{-x^2}\,dx, ∫1+x3 dx\int \sqrt{1 + x^3}\,dx
- Funksjonen er gitt som datapunkt: Målingar frå eksperiment, fartsmålingar, temperaturdataloggar
- Kontrollrekning: Sjekke analytiske svar med numerisk tilnærming

Tommelregel for val av metode:
- Trapesformelen er enklast å hugse og bruke
- Simpsons regel gir betre nøyaktigheit med same talet på utrekningar
- Dobling av nn og samanlikning gir praktisk feilkontroll

✏️Numerisk integrasjon frå tabell

Farten til ein bil (i m/s) er målt kvart 2. sekund:

tt (s)v(t)v(t) (m/s)
00
25
412
618
822
1025

Rekn ut tilnærma tilbakelagd strekning s=∫010v(t) dts = \int_0^{10} v(t)\,dt med trapesformelen.

Her er n=5n = 5, h=2h = 2 s, a=0a = 0 og b=10b = 10.

T5=22[v(0)+2v(2)+2v(4)+2v(6)+2v(8)+v(10)]\begin{aligned} &T_5 \\ = {}&\frac{2}{2}\Big[v(0) + 2v(2) + 2v(4) + 2v(6) + 2v(8) + v(10)\Big] \end{aligned}

=1⋅[0+2(5)+2(12)+2(18)+2(22)+25]= 1 \cdot \Big[0 + 2(5) + 2(12) + 2(18) + 2(22) + 25\Big]

=0+10+24+36+44+25=139 m= 0 + 10 + 24 + 36 + 44 + 25 = 139 \text{ m}

Svar: Bilen har køyrt om lag 139139 m.

📝Oppgave 1

Løys oppgåvene:

a

Rekn ut ∫01x2 dx\int_0^1 x^2\,dx med trapesformelen og n=4n = 4. Samanlikn med eksakt verdi.

b

(Fordjuping) Rekn ut same integral med Simpsons regel og n=4n = 4. Samanlikn feilen.

Løs oppgaven
📝Oppgave 2

Løys oppgåvene:

a

Rekn ut ∫131x dx\displaystyle \int_1^3 \frac{1}{x}\,dx med trapesformelen og n=4n = 4.

b

Finn eksakt verdi av integralet og rekn ut feilen.

Løs oppgaven
📝Oppgave 3

(Fordjuping) Løys oppgåvene:

a

Skriv opp formelen for S6S_6 (Simpsons regel med 6 delintervall) for ∫03f(x) dx\int_0^3 f(x)\,dx.

b

Kva er spesielt med Simpsons regel når funksjonen er eit polynom av grad ≤3\leq 3?

📝Oppgave 4

Løys oppgåvene:

a

Vassføringa i ei elv (i m3/s\text{m}^3/\text{s}) er målt kvar time:

tt (timar)Q(t)Q(t)
010
114
220
318
412

Rekn ut total vassmengd (i m3\text{m}^3) som har passert i løpet av 4 timar, med trapesformelen.

Løs oppgaven
📝Oppgave 5

Løys oppgåvene:

a

Rekn ut ∫01e−x2 dx\int_0^1 e^{-x^2}\,dx med trapesformelen for n=2n = 2 og n=4n = 4. Kommenter konvergensen.

b

(Fordjuping) Rekn ut same integral med Simpsons regel for n=4n = 4.

Løs oppgaven
📝Oppgave 6

(Fordjuping) Løys oppgåvene:

a

Bruk feilformelen for trapesmetoden til å finne det minste talet på delintervall nn som gir ∫01ex dx\int_0^1 e^x\,dx med feil <0,001< 0{,}001.

Løs oppgaven
📝Oppgave 7

(Fordjuping) Løys oppgåvene:

a

Rekn ut ∫03e0,5x dx\int_0^3 e^{0{,}5x} \, dx med Simpsons regel og n=6n = 6. Samanlikn med eksakt verdi.

Løs oppgaven
📝Oppgave 8

(Fordjuping) Løys oppgåvene:

a

Ein funksjon ff er kjend i følgjande punkt:

xxf(x)f(x)
01,00
0,51,22
11,65
1,52,32
23,50

Rekn ut ∫02f(x) dx\int_0^2 f(x)\,dx med både trapesformelen og Simpsons regel.

📝Oppgave 9

Løys oppgåvene:

a

Vis at trapesformelen med n=1n = 1 gir T1=b−a2[f(a)+f(b)]\displaystyle T_1 = \frac{b-a}{2}[f(a) + f(b)], og forklar kvifor dette er arealet av trapeset med hjørne i (a,0)(a, 0), (a,f(a))(a, f(a)), (b,f(b))(b, f(b)) og (b,0)(b, 0).

📝Oppgave 10

(Fordjuping) Løys oppgåvene:

a

Finn det minste nn slik at Simpsons regel gir ∫0111+x2 dx\displaystyle \int_0^1 \frac{1}{1+x^2}\,dx med feil <10−6< 10^{-6}.

Løs oppgaven
📝Oppgave 11

(Fordjuping) Løys oppgåvene:

a

Rekn ut ∫011+x3 dx\int_0^1 \sqrt{1 + x^3}\,dx med Simpsons regel og n=4n = 4.

Løs oppgaven
📝Oppgave 12

Løys oppgåvene:

a

Forklar kvifor trapesformelen gir for stor verdi dersom grafen til ff vender den hole sida opp (f′′(x)>0f''(x) > 0) på heile [a,b][a, b].

b

(Fordjuping) Gjeld tilsvarande for Simpsons regel? Grunngi svaret.

📝Oppgave 13

(Fordjuping) Løys oppgåvene:

a

Akselerasjonen a(t)a(t) til ein rakett dei første 10 sekunda er målt:

tt (s)a(t)a(t) (m/s2^2)
00
28
415
620
823
1025

Raketten startar frå ro. Rekn ut farten v(10)=∫010a(t) dtv(10) = \int_0^{10} a(t)\,dt med Simpsons regel.

Løs oppgaven
📝Oppgave 14

(Fordjuping) Løys oppgåvene:

a

Funksjonen ex2e^{x^2} har inga elementær antiderivert. Bruk Simpsons regel med n=6n = 6 til å finne ein tilnærma verdi for ∫01ex2 dx\int_0^1 e^{x^2}\,dx.

Løs oppgaven
📝Oppgave 15

Funksjonen ff er gitt ved f(x)=x3f(x) = x^3 på [0,2][0, 2].

a

Finn venstresummen og høgresummen med n=4n = 4.

b

Rekn ut ∫02x3 dx\displaystyle\int_0^2 x^3\,dx og samanlikn.

Løs oppgaven
📝Oppgave 16

Programmet nedanfor er skrive i Python.

def f(x):
    return 1 / x

n = 1000
dx = (2 - 1) / n
S = 0
for i in range(1, n + 1):
    S = S + f(1 + i*dx) * dx
print(round(S, 4))

a

Forklar kva programmet reknar ut.

b

Programmet skriv ut 0.6929. Kva eksakt tal nærmar resultatet seg når nn aukar? Forklar kvifor utskrifta er litt for låg.

Løs oppgaven
📝Oppgave 17

Bruk tala frå dømet med f(x)=4−x2f(x) = 4 - x^2 på [0,2][0, 2] og n=4n = 4.

a

Rekn ut V4+H42\dfrac{V_4 + H_4}{2} og samanlikn med integralet 163\dfrac{16}{3}.

b

Vis at Vn+Hn2\dfrac{V_n + H_n}{2} er det same som trapesformelen Tn=Δx⋅(f(x0)2+f(x1)+⋯+f(xn−1)+f(xn)2)T_n = \Delta x \cdot \left(\dfrac{f(x_0)}{2} + f(x_1) + \cdots + f(x_{n-1}) + \dfrac{f(x_n)}{2}\right).

Løs oppgaven

Oppsummering

Trapesformelen: Tn=h2[f(x0)+2f(x1)+⋯+2f(xn−1)+f(xn)]\displaystyle T_n = \frac{h}{2}[f(x_0) + 2f(x_1) + \cdots + 2f(x_{n-1}) + f(x_n)]
- Koeffisientar: 1,2,2,…,2,11, 2, 2, \ldots, 2, 1
- Feilen er om lag proporsjonal med 1n2\displaystyle \frac{1}{n^2}

Simpsons regel (fordjuping): Sn=h3[f(x0)+4f(x1)+2f(x2)+⋯+4f(xn−1)+f(xn)]\displaystyle S_n = \frac{h}{3}[f(x_0) + 4f(x_1) + 2f(x_2) + \cdots + 4f(x_{n-1}) + f(x_n)]
- Koeffisientar: 1,4,2,4,2,…,4,11, 4, 2, 4, 2, \ldots, 4, 1 (krev partal nn)
- Feilen er om lag proporsjonal med 1n4\displaystyle \frac{1}{n^4}
- Eksakt for polynom av grad ≤3\leq 3

Praktisk: Dobla nn og samanlikn - dersom svaret endrar seg lite, har vi god nøyaktigheit.

Repetisjonsoppgåver
Din fremgang
0deloppgaver0 / 5 oppgaver

Dette kapitlet er skrevet av Anthropics toppmodeller (Claude Opus og Claude Fable) og er foreløpig ikke manuelt gjennomgått — kvalitetskontrollen gjøres av uavhengige KI-agenter, og innmeldte feil rettes fortløpende. Funnet en feil? Meld fra, så retter vi den. Les mer om hvordan innholdet lages.