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Universidad · Cálculo I
Cálculo integral · Integral definida

Trapecios, Simpson y control del error

Un sensor registra la velocidad de un vehículo cada segundo y quieres saber cuánto ha avanzado; o te piden $\int_0^1 e^{-x^2}\,dx$, que no tiene primitiva elemental. En ambos casos no hay una primitiva que evaluar, solo valores de $f$ en unos puntos. La pregunta es doble: cómo convertir esos valores en una estimación de la integral y cuántos puntos hacen falta para que el error sea menor que una tolerancia dada.

Trapecio y punto medio

¿Por qué? Se sustituye $f$ por un polinomio sencillo que sí sabemos integrar: una recta por los extremos (trapecio) o una constante igual al valor central (punto medio). Ambas reglas son exactas para rectas.

Gráfica convexa con el trapecio que une los puntos extremos, que queda por encima de la curva. a b trapecio f convexa: T sobreestima
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Aproxima $\int_0^2x^2\,dx$ mediante la regla del trapecio simple y compara con el valor exacto. La figura ilustra los datos y relaciones del problema.

Aproxima $\int_0^2x^2\,dx$ mediante la regla del trapecio simple y compara con el valor exacto.

La figura ilustra los datos y relaciones del problema.

x y 0 1 2 1 4 (0, 0) (2, 4) y = x² Secante
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Aplica el punto medio con un único subintervalo a $\int_0^2(x+1)\,dx$. Explica por qué aquí el resultado es exacto.

Aplica el punto medio con un único subintervalo a $\int_0^2(x+1)\,dx$. Explica por qué aquí el resultado es exacto.

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Trapecio compuesto y su error

¿Por qué? Los nodos interiores pertenecen a dos trapecios contiguos y por eso pesan el doble. El error por trapecio es del orden de $h^3f''$; al sumar $n$ trapecios queda $n\,h^3\sim h^2$. Duplicar $n$ divide el error entre $4$.

Curva aproximada con cuatro trapecios consecutivos de igual anchura. h = (b − a)/n
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Calcula el trapecio compuesto con $n=2$ para $\int_0^1x^2\,dx$. La figura ilustra los datos y relaciones del problema.

Calcula el trapecio compuesto con $n=2$ para $\int_0^1x^2\,dx$.

La figura ilustra los datos y relaciones del problema.

x y 0 0,5 1 0,25 1 y = x² Secante (0,5; 0,25) (1; 1) T₁ T₂
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La velocidad de un móvil, en $\text{m/s}$, se registra en $t=0,1,2,3$ segundos con valores $0,2,3,3$. Estima el desplazamiento con trapecios y explica por qué no puedes…

La velocidad de un móvil, en $\text{m/s}$, se registra en $t=0,1,2,3$ segundos con valores $0,2,3,3$. Estima el desplazamiento con trapecios y explica por qué no puedes certificar el error con estos datos solamente.

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Para $f\in C^2([a,b])$, usa $|E_T|\le(b-a)^3\max|f''|/(12n^2)$. ¿Cuántos subintervalos iguales garantizan error menor que $10^{-3}$ al integrar $x^2$ en $[0,1]$ con…

Para $f\in C^2([a,b])$, usa $|E_T|\le(b-a)^3\max|f''|/(12n^2)$. ¿Cuántos subintervalos iguales garantizan error menor que $10^{-3}$ al integrar $x^2$ en $[0,1]$ con trapecios?

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Signo del error y convexidad

Función cóncava con la cuerda por debajo de la curva, de modo que el trapecio subestima el área. f cóncava: T subestima
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Sin integrar, decide si el trapecio compuesto sobreestima o subestima $\int_0^1\sqrt{1+x}\,dx$. Justifica geométricamente y por la segunda derivada. La figura ilustra…

Sin integrar, decide si el trapecio compuesto sobreestima o subestima $\int_0^1\sqrt{1+x}\,dx$. Justifica geométricamente y por la segunda derivada.

La figura ilustra los datos y relaciones del problema.

0 0,25 0,5 0,75 1 x 1 √2 y y = √(1 + x) T₁ T₂ T₃ T₄
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Simpson

¿Por qué? Con $n=2$, $S_2$ es la combinación $\tfrac13T_{\text{fino}}\cdot4-\tfrac13T_{\text{grueso}}$ que cancela el error de orden $h^2$ del trapecio (se verá en el último apartado). Queda un error de orden $h^4$: duplicar $n$ divide el error entre $16$.

Curva aproximada por una parábola que pasa por tres nodos equiespaciados. a m b
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Aplica Simpson simple a $\int_0^2x^3\,dx$.

Aplica Simpson simple a $\int_0^2x^3\,dx$.

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Aproxima $\int_0^1e^x\,dx$ con Simpson compuesto y $n=4$. Da la expresión exacta de la aproximación, sin redondear.

Aproxima $\int_0^1e^x\,dx$ con Simpson compuesto y $n=4$. Da la expresión exacta de la aproximación, sin redondear.

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Practica★★☆Sin empezar
Usa $|E_S|\le(b-a)^5\max|f^{(4)}|/(180n^4)$ para dar una cota del error de Simpson compuesto con $n=4$ en $\int_0^1e^x\,dx$.

Usa $|E_S|\le(b-a)^5\max|f^{(4)}|/(180n^4)$ para dar una cota del error de Simpson compuesto con $n=4$ en $\int_0^1e^x\,dx$.

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Control del error: cuándo la cota falla y cómo mejorarla

Gráfica de la raíz cuadrada en el intervalo cero uno con pendiente vertical en el origen. f″ → −∞ cuando x → 0
Practica★★☆Sin empezar
Para $\int_0^1x^4\,dx$, calcula Simpson simple, su error exacto y la cota basada en $\max|f^{(4)}|$.

Para $\int_0^1x^4\,dx$, calcula Simpson simple, su error exacto y la cota basada en $\max|f^{(4)}|$.

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Se aproxima $\int_0^1\sqrt x\,dx$ mediante trapecios uniformes. Explica por qué la cota clásica con $\max|f''|$ no se aplica y propone un cambio de variable que permita…

Se aproxima $\int_0^1\sqrt x\,dx$ mediante trapecios uniformes. Explica por qué la cota clásica con $\max|f''|$ no se aplica y propone un cambio de variable que permita integrar exactamente con trapecios.

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Para integrar $\cos x$ en $[0,\pi/2]$ con Simpson compuesto, usa la cota estándar para hallar el menor número par $n$ que garantice error menor que $10^{-6}$. Puedes…

Para integrar $\cos x$ en $[0,\pi/2]$ con Simpson compuesto, usa la cota estándar para hallar el menor número par $n$ que garantice error menor que $10^{-6}$. Puedes usar $\pi<22/7$.

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Vuelve al principio: con datos tabulados obtienes una estimación (trapecios); con una función conocida y derivadas acotadas obtienes además una cota que te dice cuántos nodos usar, y Simpson la mejora de $n^{-2}$ a $n^{-4}$.

Resumen

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