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Método de Romberg 26-11

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1 Método de Integración de Romberg

Método de Integración de Romberg

I. CONTENIDO

INTRODUCCIÓN……………………………………………………………….. 2

FUNDAMENTOS TEÓRICOS………………………………………………….. 3

MÉTODO DEL TRAPECIO…………………………………………………….. 4

PRESENTACIÓN DEL METODO……………………………………………… 6

CODIFICACIÓN………………………………………………………………….

APLICACIONES A LA INGENIERÍA
ELECTRONICA, ELÉCTRICA Y DE TELECOMUNICAICIONES…………..

1
2 Método de Integración de Romberg

II. INTRODUCCIÓN

Una integral definida se define geométricamente como el área bajo la curva f(x) en el intervalo [a,b]. De
𝑏
acuerdo al teorema fundamental del cálculo integral la ecuación se evalúa como ∫𝑎 𝑓(𝑥)𝑑𝑥 = 𝐹(𝑥)|𝑏𝑎 .
𝑑𝐹(𝑥)
En donde F(x) es la integral de f(x), esto es, cualquier función tal que 𝑑𝑥
= 𝐹 ′ (𝑥) = 𝑓(𝑥)
Es decir F(x) es la antiderivada de f(x). La nomenclatura de 𝐹(𝑥)|𝑏𝑎 es F (b)-F(a).

Desafortunadamente en la mayoría de los casos prácticos es muy difícil o aun imposible hallar una
antiderivada de f(x). En estos casos el valor de la integral debe de aproximarse. Esto puede lograrse de
las siguientes maneras:

Serie de potencias.
Método gráfico.
Métodos numéricos.

Para realizar el cálculo de una integral definida por modelos ó métodos numéricos, además de aplicar la
regla Trapezoidal o Rectangular con segmentos cada vez más pequeños, otra manera de obtener una
estimación más exacta de una integral, es la de usar polinomios de orden superior para conectar los
puntos.

La integración de Romberg es una técnica diseñada para obtener integrales numéricas (aproximaciones)
de funciones de manera eficiente, que se basa en aplicaciones sucesivas del método del trapecio.

Así que primero conoceremos en qué consiste el método del trapecio.

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3 Método de Integración de Romberg

III. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

En los cursos de Análisis Matemático (Cálculo Integral), nos enseñan como calcular una integral
definida de una función continua mediante la aplicación del Teorema Fundamental del Cálculo:

Sea f(x) una función continua y definida en el intervalo [a,b] y sea F(x) una función primitiva de f(x),
entonces:

𝑏
𝐼 = ∫ 𝑓(𝑥)𝑑𝑥 = 𝐹(𝑏) − 𝐹(𝑎)
𝑎

El problema en la práctica se presenta cuando nos vemos imposibilitados de encontrar la función


primitiva requerida, aún para integrales aparentemente sencillas como:

1
2
𝐼 = ∫ 𝑒 𝑥 𝑑𝑥
0

la cual simplemente es imposible de resolver con el Teorema Fundamental del Cálculo.

FORMULAS DE INTEGRACIÓN DE NEWTON-COTES

Estas fórmulas se basan en la idea de integrar una función polinomial en vez de f(x):

𝑏 𝑏
𝐼 = ∫ 𝑓(𝑥)𝑑𝑥 ≈ ∫ 𝑃𝑛 (𝑥)𝑑𝑥
𝑎 𝑎

Donde 𝑃𝑛 (𝑥) = 𝑎0 + 𝑎1 𝑥 … + 𝑎𝑛 𝑥 𝑛 es un polinomio de aproximación de grado n para ciertos


valores de que se escogen apropiadamente (se suele conocer también como polinomio de
interpolación, ya que la condición es que tome los mismos valores que la función original en los
puntos elegidos). Estas fórmulas se pueden aplicar también a una tabla de datos, siendo éstos los
puntos a considerar.

Dentro de las fórmulas de Newton-Cotes, existen las formas cerradas y abiertas. En las formas
cerradas se conocen los valores de f(a) y f(b) , en caso contrario, se llaman formas abiertas.
Nos remitiremos a estudiar únicamente las formas cerradas, y por lo tanto, siempre supondremos
que conocemos los valores de los extremos, f(a) y f(b).

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4 Método de Integración de Romberg

MÉTODO DEL TRAPECIO

Corresponde al caso donde n=1, es decir:

𝑏 𝑏
𝐼 = ∫ 𝑓(𝑥)𝑑𝑥 ≈ ∫ 𝑃1 (𝑥)𝑑𝑥
𝑎 𝑎

donde 𝑃1 (x) es un polinomio de grado 1.

En el gráfico trazamos la recta que une los puntos: (a, f(a)) y (b, f(b)) obteniendo un trapecio
cuya superficie será, aproximadamente, el valor de la integral I.

Figura 1

Así tendremos:

𝑏 𝑏 𝑏
𝑓(𝑎) + 𝑓(𝑏)
𝐼 = ∫ 𝑓(𝑥)𝑑𝑥 ≈ ∫ 𝑃1 (𝑥)𝑑𝑥 = ∫ (𝑎0 + 𝑎1 𝑥)𝑑𝑥 = (𝑏 − 𝑎)
𝑎 𝑎 𝑎 2

4
5 Método de Integración de Romberg

Figura 2

Para n=1:

𝐼= [(𝑓(𝑎) + 𝑓(𝑏)]
2
Para n=2,3,…∞
𝑛−1

𝐼 = [(𝑓(𝑎) + 2 ∑ 𝑓(𝑎 + 𝑗ℎ) + 𝑓(𝑏)]
2
𝑗=1
n: división de segmentos

5
6 Método de Integración de Romberg

IV. PRESENTACIÓN DEL MÉTODO

MÉTODO DE INTEGRACIÓN DE ROMBERG

𝑏
Sea I(h) el valor de la integral que aproxima a 𝐼 = ∫𝑎 𝑓(𝑥)𝑑𝑥 mediante una partición de
𝑏−𝑎
subintervalos de longitud ℎ = 𝑛
, usando la regla del trapecio. Entonces:

𝐼 = 𝐼(ℎ) + 𝐸(ℎ)

Donde E (h) es el error de truncamiento que se comete al aplicar la regla trapecial.

El método de extrapolación de Richardson combina dos aproximaciones de integración


numérica, para obtener un tercer valor más exacto.
El algoritmo más eficiente dentro de este método, se llama Integración de Romberg, la cual es
una formula recursiva.

Supongamos que tenernos dos aproximaciones: 𝐼(ℎ1 ) e 𝐼(ℎ2 ), con subintervalos ℎ1 y ℎ2


respectivamente.

𝐼 = 𝐼(ℎ1 ) + 𝐸(ℎ1 )
𝐼 = 𝐼(ℎ2 ) + 𝐸(ℎ2 )

→ 𝐼(ℎ1 ) + 𝐸(ℎ1 ) = 𝐼(ℎ2 ) + 𝐸(ℎ2 )

Se ha visto que el error se comete con la regla del trapecio para n subintervalos está dado por las
siguientes formulas:

Donde 𝑓′′(𝜀) es un promedio de la doble derivada entre ciertos valores que pertenecen a cada
uno de los subintervalos.

Ahora bien, suponemos que el valor de 𝑓′′ es constante, entonces:

6
7 Método de Integración de Romberg

Sustituyendo esto último en nuestra primera igualdad, tenemos que:

De aquí podemos despejar𝐸(ℎ2 ):

ℎ1
En el caso especial cuando ℎ2 = (que es el algoritmo de Romberg), tenemos:
2

Esta fórmula es solo una parte del algoritmo de Romberg. Para entender el método, es
conveniente pensar que se trabaja en niveles de aproximación. En un primer nivel (que llamamos
0), es cuando aplicamos la regla del Trapecio, y para poder usar la fórmula anterior, debemos de
duplicar cada vez el número de subintervalos: así, podemos comenzar con un subintervalo, luego
con dos, cuatro, ocho, etc., hasta donde se desee.

Posteriormente, pasamos al segundo nivel de aproximación (el 1), que es donde se usa la fórmula
anterior, tomando las parejas contiguas de aproximación del nivel anterior, y que corresponden
ℎ1
cuando ℎ2 = 2
.

7
8 Método de Integración de Romberg

Después pasamos al tercer nivel de aproximación (el 2), pero aquí cambia la fórmula de
Romberg, y así sucesivamente hasta el último nivel, que se alcanza cuando solo contamos con
una pareja del nivel anterior.

Desde luego, el número de niveles de aproximación que se alcanzan, depende de las


aproximaciones que se hicieron en el nivel 0. En general, si en el primer nivel, iniciamos con n
aproximaciones, entonces alcanzaremos a llegar hasta el nivel de aproximación n.

Hacemos un diagrama para explicar un poco más lo anterior.

Figura 3

EJERCICIO:
Calcular:
1
2
∫ 𝑒 𝑥 𝑑𝑥
0
Segmentos 1,1/2,1/4

Solución
𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 − 𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟
ℎ=
𝑛

8
9 Método de Integración de Romberg

Para n=1
ℎ 1 2 1
𝐼1 = [(𝑓(𝑎) + 𝑓(𝑏)] = [𝑒 0 + 𝑒 0 ] = 1.8591
2 2
Para n=2

Usamos la fórmula para n=2,3,…


𝑛−1

𝐼2 = [(𝑓(𝑎) + 2 ∑ 𝑓(𝑎 + 𝑗ℎ) + 𝑓(𝑏)]
2
𝑗=1
1
12
𝐼2 = 2 [𝑒 0 + 2 [𝑒 2 ] + 𝑒 1 ] = 1.5715
2 2

2
Para n=4
4−1
1/4
𝐼3 = [𝑓(𝑎) + 2 ∑ 𝑓(𝑎 + 𝑗ℎ) + 𝑓(𝑏)]
2
𝑗=1
En la sumatoria:
3
1 1 1
∑ 𝑓 (0 + 1 ( )) + 𝐹 (0 + 2 ( )) + 𝑓 (0 + 3 ( ))
4 4 4
𝑗=1
Entonces:
4−1
1/4 1 2 3
𝐼3 = [𝑓(0) + 2 ∑[𝑓 ( ) + 𝑓 ( ) + 𝑓 ( )] + 𝑓(1)]
2 4 4 4
𝑗=1
𝐼3 = 1.4906
Así podemos ilustrar:

9
10 Método de Integración de Romberg

Figura 4

Cabe mencionar que el valor verdadero de esta integral es de 1.4626…

Entonces:

𝐸 = 0.0003..

Con lo cual podemos comprobar que el método de integración de romberg se aproxima mucho a
la integral del problema con un error de 0.00003…

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11 Método de Integración de Romberg

V. CODIFICACIÓN

function romberg23
global fun
format long
fun=input('Ingrese la funcion F(x)= ','s');
b=input('Ingrese el limite superior de la integral b= ');
a=input('Ingrese el limite inferior de la integral a= ');
n=input('Ingrese el numero de intervalos n= ');
h=(b-a);
M=1;
J=0;
R=zeros(n,n);
x=a;
f1=eval(fun);
x=b;
f2=eval(fun);
R(1,1)=h*(f1+f2)/2;
while(J<(n-1))
J=J+1;
h=h/2;
s=0;
for p=1:M
x=a+h*(2*p-1);
f3=eval(fun);
s=s+f3;
end
R(J+1,1)=(1/2)*(R(J,1))+h*s;
M=2*M;
for k=1:J
R(J+1,k+1)=R(J+1,k)+(R(J+1,k)-R(J,k))/(4^k-1)
end
end
d=R(J+1,J);
f=R(J+1,J+1);
error=abs(f-d)
disp('resultados es');
i=R(J+1,J+1)

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12 Método de Integración de Romberg

VI. APLICACIONES A LA INGENIERÍA ELECTRONICA. ELÉCTRICA Y


TELECOMUNICACIONES

APLICACIÓN 01:
El valor efectivo de una corriente eléctrica cuyo valor varía periódicamente está dado por la
fórmula de raíz cuadrada de la corriente al cuadrado

En donde T es el periodo, esto es, el tiempo de un ciclo e i(t) es la corriente instantánea.


Calcúlese la corriente RMS de la forma de onda mostrada en la figura 1.1 usando la regla
trapezoidal, la regla de Simpson de 1/3, la integración de Romberg y la cuadratura gaussiana
para T = 1 s.
Solución: en el cuadro 1.1 se muestra la aproximación a la integral con varias aplicaciones de la
regla trapezoidal y la regla de 1/3 de Simpson.
Nótese que la regla de Simpson es más exacta que la regla trapezoidal. El valor exacto de la
integral es 15.412 608 1. Este resultado se obtiene usando la regla trapezoidal con 128
segmentos o la regla de Simpson con 32 segmentos. Usando la integración de Romberg se
determina la misma aproximación.
Además, se puede usar la cuadratura gaussiana para obtener la misma aproximación. Recuérdese
que la determinación de la corriente RMS del caso 12.4 se incluye la evaluación de la integral
(T = 1)

Realizamos un cambio de variable, para obtener:


t=1/4+(1/4)*td y dt=(1/4)*dtd
Estas relaciones se sustituyen en la ecuación anterior y se obtiene

Con la fórmula de Romberg de dos puntos, la función se evalúa en td, con los resultados de
7.6840962 y4.3137280, respectivamente. Estos valores se sustituyen en la ecuación y se obtiene
una aproximación a la integral de 11.997 824 2, que representa un error del = 22%.
La fórmula de tres puntos es:
I = 0.555555556 (1.237449345)+0.888 888 889 (15.16326649) + 0.555555 556(2.68491479)
=15.657 550 21 Ev= 1.6%
En el cuadro 1.2 se resumen los resultados del uso de fórmulas de más puntos (cuadratura
gaussiana).
La aproximación a la integral de 15.412 608 1 se sustituye en la ecuación y se calcula Irms
como 3.925 889 5 A. Ester resultado se emplea en la guía de otros aspectos del diseño y
operación del circuito.

Figura 1.1 (Corriente eléctrica que varía periódicamente).

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13 Método de Integración de Romberg

Cuadro 1.1 (valores de la integral calculada usando Romberg, el error relativo porcentual Ev, se basa en
el valor verdadero de 15.4126081

Segmentos Integral Ev%


1 0 100
2 15.1632665 1.62
4 15.4014291 0.0725
8 15.4119584 4.21*10^-3
16 15.4125682 2.59*10^-4
32 15.4126056 1.62*10^-5
64 15.4126079 1.3*10^-6
128 15.4126081 0

Cuadro 1.2 (resultados obtenidos usando varios puntos y la cuadratura gaussiana para aproximar la
integral)
Puntos Aproximación Ev%
2 11.9978243 22.1
3 15.6575502 1.59
4 15.4058023 4.42*10^-2
5 15.4126391 2.01*10^-4
6 15.4126109 -1.82*10^-5

13
14 Método de Integración de Romberg

APLICACIÓN 02:

Muchos problemas de ingeniería incluyen el cálculo del trabajo. La fórmula general es:

Trabajo=fuerza*distancia

Cuando se estudia este concepto en la materia de física a nivel preuniversitario, se presentan


aplicaciones simples usando fuerzas que permanecen constantes a través del desplazamiento.
Por ejemplo, si se usa una fuerza de 10 libras para jalar un bloque una distancias de 15 pies, el
trabajo se calcula como 150 pies X libra. Aunque este cálculo simple es útil en la introducción
del concepto, los problemas realistas, en general, son más complejos. Por ejemplo, supóngase
que la fuerza varía durante el curso del cálculo. En estos casos, la ecuación del trabajo puede
expresarse como

donde W es el trabajo en pie X libra, x. y x, son las posiciones inicial y final, respectivamente y
F(x) es la fuerza que varía en función de la posición. Si F(x) es fácil de integrar, entonces la
ecuación se integra analíticamente. Sin embargo, en problemas reales, la fuerza no se puede
expresar de esta manera. De hecho cuando se analizan los datos medios, la fuerza puede estar
disponible en forma tabular. En estos casos, la integración numérica es la única opción viable
para la evaluación. Cuando el ángulo de la fuerza y la dirección del movimiento también
varían con la posición, se introduce mayor complejidad (figura 2.1). La ecuación del trabajo se
puede modificar aún más tomando en cuenta este efecto,

Otra vez, si F(x) y O(x) son funciones simples, la ecuación se resuelve analíticamente. Sin
embargo, como en la figura 2.1, es más fácil que la relación funcional sea complicada. En este
caso, los métodos numéricos proporcionan la única alternativa para determinar la integral.
Supóngase que se va a calcular la situación mostrada en la figura 2.1.
Aunque la figura muestra los valores continuos de F(x) y B(x), se supone que debido a
restricciones experimentales, únicamente se proporcionan las medidas discretas en intervalos de
x = 5 pies . Utilícense las versiones de un segmento y de segmentos múltiples de la regla
trapezoidal para calcular el trabajo con estos datos.
Solución: en el cuadro se muestran los resultados resumidos del análisis.
Se calculó un error relativo porcentual Ev, en referencia al valor real de la integral cuyo valor es
129.52, calculando en base a los valores tomados de la figura 2.1 con intervalos de un pie.
Estos resultados son importantes porque el resultado más exacto ocurre cuando se usa la regla
trapezoidal de dos segmentos. Las estimaciones más refinadas usando más segmentos, así como
la regla de. Simpson, llevan a resultados menos exactos.
La razón de este resultado aparentemente ilógico es que el espaciamiento grueso de los puntos
no es adecuado para capturar las variaciones de las fuerzas y los ángulos. Esto es evidente en la
figura, en donde se ha graficado la curva continua de los productos de F(x) y cos[e(x)]. Nótese
cómo el uso de siete puntos para caracterizar la continuidad de la función falla en los dos picos
x = 2.5 y x = 12.5 pies. La omisión de estos dos puntos limita efectivamente la exactitud de la

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15 Método de Integración de Romberg

integración numérica en el cuadro. El hecho de que la regla trapezoidal de dos segmentos


obtenga la mayor precisión en estos resultados se debe a la forma en que se posicionan los
puntos en este problema en particular (Figura 2.3).
La conclusión derivada de la figura 2.2 es que se debe hacer un número adecuado de medidas
para calcular exactamente las integrales. En este caso, si se conociera F (2.5) cos [0(2.5)] =
4.350 y F(12.5) cos[6(12.5)] = 11.360. En la figura 2.4 se ilustra la segmentación desigual en
este caso. Incluyendo los dos puntos adicionales, lleva un mejor cálculo de la integral de 126.9
(Ev= 2.02%). Por lo tanto, la inclusión de los datos adicionales podría incorporar los picos que
se habían ignorado previamente y, en consecuencia llevar a un resultado mejor.

Figura 2.1 (caso de una fuerza variable que actúa Figura 2.2
sobre un bloque. En este caso, el ángulo, así como
la magnitud de la fuerza, varían)

Figura 2.3

Figura 2.4
15
16 Método de Integración de Romberg

Cuadro 15.8 (datos de la fuerza y del ángulo en función de la posición x).


X(pies) F(x)(libras) Ángulo(radianes) F(x)cos(ángulo)
0 0 0.5 0
5 9 1.4 1.5297
10 13 0.75 9.5120
15 14 0.9 8.7025
20 10.5 1.3 2.8081
25 12 1.48 1.0881
30 5 1.5 0.3537

Cuadro 15.9 (aproximaciones del trabajo calculado usando la regla trapezoidal, pre-Romberg; valor real
de la integral=129.52)
Segmentos Trabajo Ev%
1 5.31 95.9
2 133.19 2.84
4 124.98 3.51
8 119.09 8.05

Problema aplicativo: Un objeto se empuja en el plano desde x=0 hasta x=10, pero debido al viento, la
fuerza que debe aplicarse en el punto x es: F(x)=3*x^2-x+10
El resultado de la integración real es 1050J.

APLICACIÓN 03:
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17 Método de Integración de Romberg

Los cálculos de calor se emplean rutinariamente en la ingeniería química, así como también en
otros campos de la ingeniería. Este caso proporciona un ejemplo simple pero muy útil de estos
cálculos. Un problema que se encuentra a menudo es determinar la cantidad de calor necesaria
para elevar la temperatura de un material. La característica necesaria para realizar este cálculo es
la capacidad calorífica c. Este parámetro representa la cantidad de calor necesaria para elevar
una unidad de masa a una unidad de temperatura. Si c es la constante sobre el rango de
temperaturas que se van a examinar, el calor necesario ∆𝐻 (en calorías) se calcula como

∆𝐻 = 𝑚𝑐∆𝑇 … (3.1)

en donde c tiene unidades de calorías por gramo por grado centígrado, m es la masa (en gramos)
y ∆𝑇 es el cambio de temperatura (en grados centígrados). Por ejemplo, la cantidad de calor
necesaria para elevar 20 g de agua de 5 a 10°C es igual a

∆𝐻 = 20(1)(10 − 5) = 100 𝑐𝑎𝑙

en donde la capacidad calorífica del agua es aproximadamente 1 cal/g/°C. Tal valor es adecuado
cuando ∆𝑇 es pequeño. Sin embargo, en rangos mayores de temperatura, la capacidad calorífica
no es constante, y de hecho, varía en función de la temperatura. Por ejemplo, la capacidad
calorífica de un material aumenta con la temperatura de acuerdo a relaciones tales como

𝑐(𝑇) = 0.132 + 1.56𝑥10−4 𝑇 + 2.56𝑥10−7 𝑇 −2 … (3.2)

En este caso se pide calcular el calor necesario para elevar 1000 g de este material de -100 a
200°C.

SOLUCIÓN:

Para calcular el valor promedio de c (T)


𝑇2
𝑐(𝑇)
𝑐̅(𝑇) = ∫ 𝑑𝑇
𝑇1 𝑇2 − 𝑇1

Que puede ser sustituido en la ecuación 3.1:

𝑇2
∆𝐻 = 𝑚 ∫ 𝑐(𝑇)𝑑𝑇 … (3.3)
𝑇1
en donde ∆𝑇 = 𝑇2 − 𝑇1. Ahora, ya que en este caso c(T) es una cuadrática simple, AH se
determina analíticamente. La ecuación (3.2) se sustituye en la ecuación (3.3) y el resultado se
integra para obtener el valor exacto de ∆𝐻 = 42 732 calorías. Para llevar a cabo esto, es
necesario generar una tabla de valores de c para varios valores de T.

Tabla 3.1
T(°C) c(cal/g/°C)
-100 0.119 04
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18 Método de Integración de Romberg

-50 0.124 86
0 0.132 00
50 0.140 46
100 0.150 24
150 0.161 34
200 0.173 76

Estos puntos se usan junto con la regla de Simpson de 1/3 usando seis segmentos y se calcula
una integral aproximada de 42.732. Este resultado se sustituye en la ecuación (3.3) que lleva al
valor ∆𝐻 = 42 732 calorías, resultado que coincide exactamente con la solución analítica. Los
resultados obtenidos con la regla trapezoidal se muestran en el cuadro 3.2. Se ve que la regla
trapezoidal también es capaz de estimar el calor total de manera exacta. Sin embargo, se necesita
un paso pequeño (< 10°C) para una exactitud de cinco cifras significativas. Además por lo
común, es lo suficientemente exacta con tamaños de paso relativamente grande y exacto para
polinomios de tercer orden o menos.

Tabla 3.2

Tamaño de ∆𝑯 𝜺𝒕%
paso (°C)
300 96 048 125
150 43 029 0.7
100 42 864 0.3
50 42 765 0.07
25 42 740 0.018
10 42 733.3 <0.01
5 42 732.3 <0.01
1 42 732.01 <0.01
0.05 42 732.0003 <0.01

VII. BIBLIOGRAFÍA

 https://prezi.com/p0bdagign66o/metodo-de-integracion-de-romberg/
 https://www.youtube.com/watch?v=l44hSGuXYK8
 https://prezi.com/vtrhmgfrtupe/metodo-de-romberg/

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