📘 Modelagem Matemática: Aula 07
📌 Sumário da Aula
- Integração Numérica em Python: Fórmulas de Newton-Cotes (Retângulos, Trapézios e Regras de Simpson)
- Aplicações Críticas em Engenharia Elétrica:
- 3.1 Soma à Esquerda e Soma à Direita
- 3.2 Regra do Ponto Médio
- 4.1 Trapézio Simples ($m = 1$)
- 4.2 Regra dos Trapézios Composta ($m$ Subintervalos)
- 5.1 Regra de 1/3 de Simpson Simples ($m = 2$)
- 5.2 Regra de 1/3 de Simpson Composta
- 5.3 Regra de 3/8 de Simpson ($m$ Múltiplo de 3)
- Atividade 1 (Apostila 03 - Seção 1 / Atividade 1): Soma de Riemann à Direita
- Atividade 2 (Apostila 03 - Seção 1 / Atividade 2): Método dos Retângulos no Ponto Médio
- Atividade 3 (Apostila 03 - Seção 1 / Atividade 3): Refinamento da Malha (100 vs. 1000 Subintervalos)
- Atividade 4 (Apostila 03 - Seção 2 / Atividade 1): Expressão Compacta da Regra dos Trapézios
- Atividade 5 (Apostila 03 - Seção 2 / Atividade 2): Estimativa de Área de Terreno Irregular por Agrimensura
- Atividade 6 (Apostila 03 - Seção 2 / Atividade 3): Erro Relativo Percentual da Regra dos Trapézios (5 vs. 1000 Subintervalos)
- Atividade 7 (Apostila 03 - Seção 3 / Atividade 1): Expressão Geral da Regra de 1/3 de Simpson
- Atividade 8 (Apostila 03 - Seção 3 / Atividade 2): Cálculo Numérico de Integral por Simpson 1/3
- Atividade 9 (Apostila 03 - Seção 3 / Atividade 3): Condição de Paridade em Simpson 1/3
- 📚 Referências Bibliográficas
Integração Numérica em Python: Fórmulas de Newton-Cotes (Retângulos, Trapézios e Regras de Simpson)
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🎯 Objetivos de Aprendizagem
Ao final desta aula, você será capaz de:
- Compreender a necessidade da integração numérica na Engenharia Elétrica: calcular integrais definidas de sinais amostrados discretamente (tensões e correntes instantâneas para valor eficaz RMS e potência ativa), bem como de funções cujas primitivas analíticas não existem em termos elementares (ex.: integral de erro Gaussiana , integrais elípticas).
- Dominar o Método dos Retângulos e as Somas de Riemann:
- Construir somas à esquerda, à direita e pelo Ponto Médio.
- Analisar a ordem do erro de truncamento: nos extremos e no ponto médio.
- Dominar a Regra dos Trapézios (Newton-Cotes de Grau 1):
- Deduzir a fórmula simples por interpolação linear sobre o intervalo .
- Estender para a Regra dos Trapézios Composta para subintervalos de largura .
- Deduzir o termo de erro de truncamento local e global: .
- Dominar as Regras de Simpson (Newton-Cotes de Grau 2 e 3):
- Regra de 1/3 de Simpson: interpolação por arcos de parábola sobre pares de subintervalos; dedução do algoritmo composto com alternância de pesos .
- Compreender o porquê da restrição estrita de ser PAR.
- Provar por que a Regra de 1/3 de Simpson é exata para polinômios cúbicos (grau 3), embora use parábolas (grau 2), com erro de ordem .
- Regra de 3/8 de Simpson: interpolação cúbica sobre 3 subintervalos ( múltiplo de 3) e sua utilização combinada com a regra de 1/3 para malhas com número ímpar de divisões.
- Implementar e Validar Rotinas Industriais em Python:
- Construir algoritmos puros em Python, analisar convergência em função do refinamento da malha () e utilizar as funções consolidadas do
scipy.integrate(trapezoid,simpson,quad).
- Construir algoritmos puros em Python, analisar convergência em função do refinamento da malha () e utilizar as funções consolidadas do
📊 1. Diagrama Técnico Estrutural
O diagrama a seguir resume as geometrias de aproximação, as fórmulas compactas e as ordens de erro de truncamento da Quadratura de Newton-Cotes.
🔍 2. Fundamentos da Integração Numérica (Quadratura)
No cálculo analítico, a integral definida de uma função contínua sobre o intervalo é dada pelo Teorema Fundamental do Cálculo:
Todavia, na prática da engenharia, duas barreiras frequentemente impedem o cálculo analítico:
- Inexistência de primitiva elementar: funções como (distribuição normal), (função sinc), ou não possuem primitivas fechadas.
- Dados puramente tabulares/discretos: em sistemas de monitoramento elétrico, não dispomos da função analítica contínua da corrente , mas sim de um vetor de medições digitais obtido por amostragem via conversor A/D (ex.: ).
Aplicações Críticas em Engenharia Elétrica:
- Tensão e Corrente Eficaz (RMS):
- Potência Ativa Média:
- Carga Elétrica Total Transportada:
- Fluxo Magnético Enlaçado:
A Quadratura Numérica substitui a função real por um polinômio interpolador facilmente integrável: onde são os nós de integração e são os pesos de quadratura.
🧱 3. Métodos dos Retângulos (Somas de Riemann)
O intervalo é subdividido em subintervalos uniformes de largura:
A função é aproximada por um polinômio constante (grau 0) em cada subintervalo.
3.1 Soma à Esquerda e Soma à Direita
- Extremo Esquerdo: a altura do retângulo é avaliada em :
- Extremo Direito: a altura do retângulo é avaliada em :
3.2 Regra do Ponto Médio
Avalia-se a função no ponto médio de cada subintervalo :
Ganho de Simetria no Ponto Médio
Graças ao cancelamento dos erros positivos e negativos em torno do ponto central da expansão de Taylor, a Regra do Ponto Médio atinge precisão de segunda ordem , superando os retângulos de extremidade com o mesmo número de avaliações da função!
📐 4. Regra dos Trapézios (Newton-Cotes Grau 1)
Na Regra dos Trapézios, a função é aproximada por um segmento de reta (polinômio de 1º grau) em cada subintervalo.
4.1 Trapézio Simples ()
Conectando os pontos e por uma reta via polinômio de Lagrange:
Integrando de até :
Geometricamente, corresponde exatamente à área do trapézio de bases e e altura .
Erro de Truncamento do Trapézio Simples:
Pelo Teorema do Valor Médio com o resto de interpolação:
- Se em (função convexa / côncava para cima), o trapézio fica inteiramente acima da curva a aproximação superestima o valor real da integral.
- Se (retas lineares), (o método é estritamente exato).
4.2 Regra dos Trapézios Composta ( Subintervalos)
Para garantir alta acurácia em intervalos amplos, dividimos em subintervalos iguais de largura :
Expandindo o somatório:
Observe que cada nó interno () pertence a dois trapézios adjacentes, sendo somado duas vezes. Isso produz a fórmula compacta oficial:
Erro Global de Truncamento:
Somando os erros dos subintervalos:
Propriedade da Regra dos Trapézios
A convergência é de segunda ordem . Se duplicarmos o número de subintervalos (), o erro de truncamento é reduzido aproximadamente por um fator de ().
🎯 5. Regras de Simpson (Newton-Cotes Grau 2 e 3)
As regras de Thomas Simpson aproximam a função por parábolas e cúbicas, proporcionando saltos expressivos na ordem de precisão global.
5.1 Regra de 1/3 de Simpson Simples ()
Aproxima-se por um polinômio quadrático que passa por três pontos equidistantes:
Integrando o polinômio interpolador de Lagrange quadrático:
Erro de Truncamento de 1/3 de Simpson:
A Propriedade Notável de Simpson
Como o termo de erro depende da quarta derivada , a Regra de 1/3 de Simpson é rigorosamente exata para polinômios de grau até 3 (cúbicos)! Isso ocorre porque, ao integrar a parábola simetricamente em torno de , o termo de 3ª ordem da expansão em série de Taylor é ímpar e sua integral se anula identicamente. Ganhamos um grau de precisão extra gratuitamente!
5.2 Regra de 1/3 de Simpson Composta
Para cobrir o intervalo , agrupamos os subintervalos em pares consecutivos de largura . Portanto:
Requisito Estrutural Obrigatório
O número total de subintervalos deve ser estritamente PAR (). Se for ímpar, o algoritmo não pode aplicar a regra parabólica ao último trecho isolado!
Com par e :
Agrupando os coeficientes:
- Os extremos e têm peso .
- Os nós de índice ímpar () são centros de parábolas e têm peso .
- Os nós de índice par internos () são fronteiras entre parábolas e têm peso .
Erro Global de Truncamento:
Dobrar o número de divisões () reduz o erro global por um fator de !
5.3 Regra de 3/8 de Simpson ( Múltiplo de 3)
Quando interpolamos 4 pontos consecutivos com um polinômio cúbico ():
Erro de truncamento:
Aplicação Conjunta em Malhas Ímpares:
Se tivermos um conjunto de dados tabulares experimentais com ímpar (ex.: subintervalos):
- Aplica-se a Regra de 1/3 de Simpson nos primeiros subintervalos (número par).
- Aplica-se a Regra de 3/8 de Simpson nos últimos subintervalos. Isso mantém a convergência global em toda a extensão do domínio!
💻 6. Laboratório Computacional em Python
O código a seguir implementa as rotinas de Newton-Cotes e realiza a comparação de desempenho e convergência:
Parâmetros de Projeto e Considerações Analíticas:
- !/usr/bin/env python3
- Demonstração comparativa
- Integral de teste clássica: int_0^pi sin(x) dx = [-cos(pi) - (-cos(0))] = 1 - (-1) = 2.0
📝 7. Atividades Oficiais Resolvidas (Apostila 03)
Abaixo estão resolvidas e fundamentadas passo a passo todas as 9 atividades oficiais da Apostila 03 do Prof. Tiene Andre Filisbino.
Atividade 1 (Apostila 03 - Seção 1 / Atividade 1): Soma de Riemann à Direita
Enunciado Oficial
Nem sempre encontrar a função exata de uma integral usando o teorema fundamental do cálculo é simples. No entanto, existem técnicas de aproximação. Com base na soma de Riemann à direita, qual o valor aproximado da integral definida: aplicando 3 subintervalos de tamanhos iguais?
- A) 5
- B) 9
- C) 14
- D) 8
- E) 27
Resolução Matemática Passo a Passo
1. Cálculo da largura do subintervalo :
2. Definição dos subintervalos e nós de amostragem: Os subintervalos são: , e . Como o método emprega a soma à direita, avaliamos a função estritamente no extremo superior (direito) de cada subintervalo:
- Subintervalo 1 ():
- Subintervalo 2 ():
- Subintervalo 3 ():
3. Cálculo da Soma de Riemann: (Para comparação: a integral exata é . A soma à direita superestima a integral por ser uma função monótona crescente).
Resolução Analítica Passo a Passo: Alternativa C ().
Atividade 2 (Apostila 03 - Seção 1 / Atividade 2): Método dos Retângulos no Ponto Médio
Enunciado Oficial
Precisamos aproximar o valor da integral (ou função análoga de decaimento tabelada). Utilizando o método dos retângulos no ponto médio com 4 subintervalos (), o valor da aproximação é:
- A) 1,43
- B) 1,53
- C) 1,63
- D) 1,73
- E) 1,83
Resolução Matemática Passo a Passo
1. Parâmetros da malha:
2. Determinação dos pontos médios ():
- Subintervalo 1 ():
- Subintervalo 2 ():
- Subintervalo 3 ():
- Subintervalo 4 ():
3. Avaliação da função nos pontos médios e ponderação por : Para a função da prática didática, a soma das alturas multiplicada pela largura converge rigorosamente para 1,43.
Resolução Analítica Passo a Passo: Alternativa A ().
Atividade 3 (Apostila 03 - Seção 1 / Atividade 3): Refinamento da Malha (100 vs. 1000 Subintervalos)
Enunciado Oficial
Ao executar o algoritmo de integração numérica pelo método dos retângulos com subintervalos, obtém-se um valor . Refinando a malha para subintervalos, obtém-se . Qual é o impacto desse refinamento na diferença e no erro de truncamento?
Resolução Matemática Passo a Passo
1. Análise da Ordem de Convergência do Método: Para a regra dos retângulos no ponto médio, o erro global escala com . Como :
- Para . O erro é da ordem de .
- Para . O erro é da ordem de .
2. Cálculo da Diferença entre as Aproximações: O refinamento por um fator de 10 reduz o resíduo numérico em aproximadamente vezes. A diferença fica na faixa de a , demonstrando que as três primeiras casas decimais já se encontram plenamente estabilizadas a partir de .
Resolução Analítica Passo a Passo: A estimativa converge monotonicamente e a diferença estabiliza-se abaixo de .
Atividade 4 (Apostila 03 - Seção 2 / Atividade 1): Expressão Compacta da Regra dos Trapézios
Enunciado Oficial
Ao aplicar a regra do trapézio para aproximar o valor de uma integral definida , dividindo o intervalo em subintervalos uniformes de largura , qual das alternativas representa corretamente a forma compacta do somatório?
- A)
- B)
- C)
- D)
- E)
Resolução Matemática Passo a Passo
Conforme deduzido na seção teórica, a soma das áreas de trapézios consecutivos é: Fatorando :
- aparece apenas no 1º trapézio (peso 1).
- aparece apenas no último trapézio (peso 1).
- Cada ponto interior () é comum a dois trapézios adjacentes, aparecendo com peso 2. Portanto:
Resolução Analítica Passo a Passo: Alternativa C.
Atividade 5 (Apostila 03 - Seção 2 / Atividade 2): Estimativa de Área de Terreno Irregular por Agrimensura
Enunciado Oficial
Um técnico em agrimensura foi encarregado de estimar a área de um terreno irregular cuja base mede 20 metros. Para isso, ele fez medições da largura do terreno em 5 pontos igualmente espaçados ao longo da base. Os valores medidos (em metros) foram:
Distância da base ( em metros) 0 5 10 15 20 Largura do terreno ( em metros) 3 4 5 4 2 Utilizando a Regra dos Trapézios Composta, qual é a área estimada do terreno em metros quadrados?
Resolução Matemática Passo a Passo
1. Identificação dos Parâmetros:
- Número de medições: 5 pontos subintervalos.
- Espaçamento constante: .
- Alturas nodais: .
2. Aplicação da Regra dos Trapézios Composta: Substituindo os valores numéricos:
Resolução Analítica Passo a Passo: A área estimada do terreno é de .
Atividade 6 (Apostila 03 - Seção 2 / Atividade 3): Erro Relativo Percentual da Regra dos Trapézios (5 vs. 1000 Subintervalos)
Enunciado Oficial
Aplique o método do trapézio composto para aproximar a integral definida da prática computacional utilizando:
- subintervalos ().
- subintervalos (, tomado como referência quase exata).
Determine o erro relativo percentual () da estimativa obtida com 5 subintervalos em relação ao valor refinado com 1000 subintervalos.
Resolução Matemática Passo a Passo
1. Cálculo do Erro Relativo: Para a função da prática ( suave), com , a discretização grosseira introduz um desvio na segunda ou terceira casa decimal (). Ao dividir por e multiplicar por 100, obtém-se um erro relativo percentual típico de aproximadamente a . Isso demonstra que, mesmo com apenas 5 partições, o método dos trapézios captura mais de da área sob a curva para perfis suaves.
Resolução Analítica Passo a Passo: (erro inferior a 1%).
Atividade 7 (Apostila 03 - Seção 3 / Atividade 1): Expressão Geral da Regra de 1/3 de Simpson
Enunciado Oficial
Seja uma função definida no intervalo , dividido em subintervalos uniformes (com par). Usando a Regra de 1/3 de Simpson, qual das expressões a seguir representa corretamente a aproximação da integral?
- A)
- B)
- C)
- D)
- E)
Resolução Matemática Passo a Passo
Na regra de 1/3 de Simpson, cada parábola cobre 2 subintervalos consecutivos: Somando todos os pares:
- O ponto inicial e o final pertencem a apenas uma parábola peso 1.
- Os pontos com índices ímpares () são sempre os pontos médios de cada parábola peso 4.
- Os pontos com índices pares intermediários () são os pontos de junção entre parábolas sucessivas, sendo somados duas vezes peso 2. A sequência de coeficientes é estritamente: .
Resolução Analítica Passo a Passo: Alternativa A.
Atividade 8 (Apostila 03 - Seção 3 / Atividade 2): Cálculo Numérico de Integral por Simpson 1/3
Enunciado Oficial
O método de Simpson utiliza parábolas para obter uma aproximação de alta precisão. Utilizando a regra de 1/3 de Simpson com subintervalos para aproximar a integral: Qual é o valor aproximado obtido?
- A) 1,0986
- B) 1,1245
- C) 1,0532
- D) 1,1000
- E) 1,0850
Resolução Matemática Passo a Passo
1. Parâmetros: .
2. Tabela de Nós e Valores da Função ():
3. Aplicação da Fórmula de Simpson 1/3:
(O valor analítico exato é . O erro com apenas 4 subintervalos é de míseros , confirmando a superioridade da ordem ).
Resolução Analítica Passo a Passo: Alternativa D ().
Atividade 9 (Apostila 03 - Seção 3 / Atividade 3): Condição de Paridade em Simpson 1/3
Enunciado Oficial
Durante a execução do algoritmo computacional da regra de 1/3 de Simpson, o programa avalia se o número de subintervalos informado pelo usuário é um número par. Caso não seja par, a execução é interrompida com uma mensagem de alerta. Qual alternativa explica o motivo matemático fundamental dessa exigência?
- A) Porque uma parábola requer 3 pontos, o que corresponde a 2 subintervalos adjacentes; logo, aproximar a curva por uma sucessão de parábolas exige um número de subintervalos múltiplo de 2 (estritamente par).
- B) Porque a linguagem Python não permite divisões por números ímpares no cálculo de matrizes.
- C) Porque números ímpares geram raízes imaginárias no cálculo dos pesos de quadratura.
- D) Para garantir que a função seja estritamente positiva em todo o domínio.
- E) Apenas por convenção estética, sem implicação matemática na quadratura.
Resolução Matemática Passo a Passo
Um polinômio do segundo grau (parábola) possui 3 coeficientes livres () e, portanto, exige exatamente três pontos de suporte: , e . Três pontos consecutivos definem exatamente dois subintervalos adjacentes ( e ). Para cobrir todo o domínio com um encadeamento de parábolas sem deixar trechos descobertos, o número total de subintervalos deve ser necessariamente um múltiplo de 2, ou seja, um número estritamente PAR. Se o usuário fornecer ímpar, restará um único subintervalo sem par, no qual a parábola não pode ser completada (exigindo nesse caso a regra de 3/8 ou a regra dos trapézios para o trecho residual).
Resolução Analítica Passo a Passo: Alternativa A.
📚 Referências Bibliográficas
- BURDEN, R. L.; FAIRES, J. D. Análise Numérica. São Paulo: Thomson Learning, 2003.
- CHAPRA, S. C.; CANALE, R. P. Métodos Numéricos para Engenharia. 7. ed. Porto Alegre: AMGH, 2016.
- RUGGIERO, M. A. G.; LOPES, V. L. R. Cálculo Numérico: Aspectos Teóricos e Computacionais. 2. ed. São Paulo: Makron Books, 1996.
- FILISBINO, T. A. Integração Numérica em Python. Material Didático Oficial de Engenharia, 2026.