Particularmente eu achei muito esquisito o que você fez para calcular a integral no modo dos trapézios. Não tem muitos segredos ao fazer a integral com esse método. A única coisa questionável é se você define o tamanho dos trapézios ou em quantos trapézios divide o intervalo. A seguir um exemplo definindo o tamanho de cada trapézio:
function trapezio(lbda, ini, fim, delta) {
let integral = 0.0;
let last_lbda = lbda(ini);
for (let i = ini + delta; i <= fim; i += delta) {
let now_lbda = lbda(i);
integral += delta*(now_lbda+last_lbda)/2;
last_lbda = now_lbda;
}
return integral;
}
function info_trapezio_quadrado(ini, fim, delta) {
let result = trapezio((i) => i*i, ini, fim, delta);
console.log("função quadrada, de " + ini + " a " + fim +", delta = " + delta);
console.log(">integral = " + result);
}
info_trapezio_quadrado(0, 2, 1);
info_trapezio_quadrado(0, 2, 0.5);
info_trapezio_quadrado(0, 2, 0.1);
info_trapezio_quadrado(0, 2, 0.01);
info_trapezio_quadrado(0, 2, 0.001);
Explicando o código:
- os argumentos são uma função qualquer dos reais nos reais
lbda
, o intervalo [ini, fim)
e o tamanho da base dos trapézios delta
- o cálculo da área de um trapézio retângulo é
base * (altura1 + altura2)/2
- a integral é o somatório da área de todos os trapézios, começando em
ini
e terminando em fim
Uma versão que faz menos operações, porém menos legível, é:
function trapezio_menos_operacoes(lbda, ini, fim, delta) {
let lbda_ini = lbda(ini);
let somas = lbda_ini;
let last_lbda = lbda_ini;
for (let i = ini + delta; i <= fim; i += delta) {
last_lbda = lbda(i)
somas += last_lbda;
}
let integral = delta*(somas - (lbda_ini + last_lbda)/2.0);
return integral;
}
Nessa versão, estou me valendo de que cada altura dos trapézios é levada em conta duas vezes na versão original (exceto o primeiro e o último). Por exemplo, para a função quadrada com delta = 0.5 (integrando de 0 a 2):
iteração | i | f(i) | área do trapézio | área acumulada
---------+------+------+-------------------------------+----------------
0 | 0 | 0 | 0 | 0
1 | 0.50 | 0.25 | 0.5*(0.00 + 0.25)/2 = 0.0625 | 0.0625
2 | 1.00 | 1.00 | 0.5*(0.25 + 1.00)/2 = 0.3125 | 0.3750
3 | 1.50 | 2.25 | 0.5*(1.00 + 2.25)/2 = 0.8125 | 1.1875
4 | 2.00 | 4.00 | 0.5*(2.25 + 4.00)/2 = 1.5625 | 2.7500
Notou como valor de f(0.5)
se repetiu em dois momentos? Na área do trapézio da iteração 1 e na iteração 2? E que o mesmo aconteceu para f(1.0)
(iterações 2 e 3) e f(1.5)
(iterações 3 e 4)? Se eu fizesse as somas na mão seria algo assim:
delta*(f(0.0) + f(0.5))/2 + [primeiro trapézio]
delta*(f(0.5) + f(1.0))/2 + [segundo trapézio]
delta*(f(1.0) + f(1.5))/2 + [terceiro trapézio]
delta*(f(1.5) + f(2.0))/2 [quarto trapézio]
-------------------------
delta/2 * (
f(0.0) +
f(0.5) + f(0.5) +
f(1.0) + f(1.0) +
f(1.5) + f(1.5) +
f(2.0)
)
O resto foram truques matemáticos para minimizar a quantidade de operações.
Aparentemente, você deseja pegar a fórmula de algum lugar, certo? Bem, podemos pegar do input, a variável sendo x
:
function faz_leitura(form) {
let ini = Number(document.getElementById("ini").value);
let fim = Number(document.getElementById("fim").value);
let delta = Number(document.getElementById("delta").value);
let equacao = document.getElementById("equacao").value;
let pre_lambda = "(x) => " + equacao;
let lbda = eval(pre_lambda);
let result = trapezio_menos_operacoes(lbda, ini, fim, delta);
document.write("<div>Integral de " + ini + " até " + fim + " (delta " + delta + "), para a função " + pre_lambda + ": " + result + "</div>");
}
function trapezio_menos_operacoes(lbda, ini, fim, delta) {
let lbda_ini = lbda(ini);
let somas = lbda_ini;
let last_lbda = lbda_ini;
for (let i = ini + delta; i <= fim; i += delta) {
last_lbda = lbda(i)
somas += last_lbda;
}
let integral = delta*(somas - (lbda_ini + last_lbda)/2.0);
return integral;
}
<form onsubmit="faz_leitura(this); return false;">
<div>
<input required type="text" id="equacao"/>
<label>equação (use 'x' minúsculo para a variável)</label>
</div>
<div>
<input required type="text" id="ini"/>
<label>ini</label>
</div>
<div>
<input required type="text" id="fim"/>
<label>fim (deve ser maior que ini)</label>
</div>
<div>
<input required type="text" id="delta">
<label>delta (deve ser positivo)</label>
</div>
<button type="submit">Integral</button>
</form>
Notou que aqui eu separei a preocupação de cada função? Tem a função que trata da submissão do formulário, preenchendo as variáveis (faz_leitura
) e a função que realmente faz o cálculo da integral na estratégia dos trapézios (trapezio_menos_operacoes
). A minha separação não ficou boa, não sou o mais experiente em JavaScript + HTML, mas já separa a lógica de negócio da interface.
Olhando outra resposta, me deparo com o possível uso malicioso do eval()
. Então, evite o eval()
, é mais fácil. Vou editar essa questão para usar o new Function()
, mas agora estou sem condições de testar.
Referências:
Agradecimentos especiais aos seguintes usuários por me ajudarem a elaborar a resposta:
@Anderson Carlos Woss,
@Victor Stafusa,
@rray, @pss1suporte
Observações sobre as diferenças entre os dois somatórios
Sobre as duas versões da função de integração, matematicamente elas são iguais, considerando aritmética dos números reais e dos números racionais. Porém, números de ponto flutuante obedecem outras regras.
Quando se faz uma soma em ponto flutuante, você pode perder precisão. Isso é natural e às vezes até mesmo desejável. Eu discorro mais sobre o assunto em um dos pontos desta resposta.
A abordagem de não multiplicar pela base do trapézio faz com que os números sejam maiores, já que no ideal esse valor deve se aproximar de zero. Assim sendo, possivelmente o valor da função pode ser insignificante perante o total acumulado.
Outro ponto para se chamar a atenção é que, se o valor de lbda(x)
for decrescente (mesmo que o decrescimento for ficando cada vez menor) conforme x
se aproxima do limite final, o valor da somatória não irá se alterar. Isso seria apenas postergado se fosse feita a multiplicação pelo valor da base.
Uma possível medida para evitar isso seria acumular os números enquanto eles forem totalmente significativos em relação à somatória. Quando houver detecção de que o número somado terá parte da precisão perdida, ele deveria iniciar uma nova somatória é assim por diante. No final, dever-se-ia ordenar do menor para o maior e somar nessa ordem. Essa seria uma das maneiras de garantir ao máximo a precisão dos cálculos usando ponto flutuante.
=
com==
.