Enunciado

Use a) a regra do trapézio, b) a regra do ponto médio, e c) a regra de Simpson para aproximar a a integral dada com os valores dados de n . (Aproxime sua resposta para seis casas decimais.)

Passo 1

Nesse exercício iremos analisar a seguinte integral:

∫ 0 4 ln ⁡ ( 1 + e x ) d x ,     n = 8

Antes de começar o exercício, vamos determinar qual será o tamanho do intervalo em análise:

Δ x = 4 - 0 8 → Δ x = 0,5

Vamos começar o exercício calculando a integral pela regra do trapézio, mas antes, vamos nos lembrar como é essa fórmula:

∫ a b f x d x ≅ T n = Δ x 2 f x 0 + 2 f x 1 + 2 f x 2 + … + 2 f x n - 1 + f x n

Onde nós temos:

Δ x = b - a n ,     x i = a + i Δ x

Então, nesse exercício, aplicando a fórmula do trapézio, temos:

T 8 = 0,5 2 f 0 + 2 f 0,5 + 2 f 1 + 2 f 1,5 + 2 f 2 + 2 f 2 , 5 + 2 f 3 + 2 f 3,5 + f 4 )

Então, calculando os termos nos pontos de interesse:

f 0 = 0,6931 ; f 0,5 = 0 , 9741 ; f 1 = 1,3133 ; f 1,5 = 1,7014 ; f 2 = 2,1269 ;

f 2 , 5 = 2,5789 ; f 3 = 3,0486 ; f 3,5 = 3,5297 ; f 4 = 4,018

Então, substituindo esses valores na equação anterior, o resultado será:

T 8 = 8,814278

Passo 2

Agora, na letra b), vamos utilizar a regra do ponto médio para estimar o valor da integral, para isso, vamos lembrar como é a fórmula do ponto médio:

∫ a b f x d x ≅ M n = Δ x f x - 1 + f x - 2 + … + f x - n

Onde:

Δ x = b - a n ,     x - i = 1 2 x i - 1 + x i

Então, para o nosso caso, a fórmula se torna:

M 10 = 1 2 f 0,2 5 + f 0,7 5 + f 1 , 25 + f 1,7 5 + f 2,2 5 + f 2,7 5 + f 3,2 5 + f 3 , 75

Então, precisamos calcular o valor da função nesses pontos, realizando os cálculos, temos:

f 0,2 5 = 0 , 8259 ; f 0,7 5 = 1,1369 ; f 1 , 25 = 1,5019 ; f 1,7 5 = 1,9102 ;

f 2,2 5 = 2,3502 ; f 2,7 5 = 2,8120 ; f 3,2 5 = 3,2880 ; f 3 , 75 = 3,7732 ;

Então, substituindo esses valores na equação de cima e fazendo os cálculos, temos:

M 8 = 8,799210

Passo 3

Agora, por último, vamos aproximar a integral pela regra de Simpson. Relembrando rapidinho a fórmula, temos:

∫ a b f x d x ≅ S n = Δ x 3 f x 0 + 4 f x 1 + 2 f x 2 + 4 f x 3 + … + 2 f x n - 2 + 4 f x n - 1 + f x n

Onde nós temos:

Δ x = b - a n

Então, subsituindo os valores na fórmula, temos:

S 8 = 0,5 2 f 0 + 4 f 0,5 + 2 f 1 + 4 f 1,5 + 2 f 2 + 4 f 2,5 + 2 f 3 + 4 f 3,5 + f 4 )

Pra nossa sorte, esses são os mesmos valores para a função que calculamos no passo 1, onde temos:

f 0 = 0,6931 ; f 0,5 = 0,9741 ; f 1 = 1,3133 ; f 1,5 = 1,7014 ; f 2 = 2,1269 ;

f 2,5 = 2,5789 ; f 3 = 3,0486 ; f 3,5 = 3,5297 ; f 4 = 4,018

Então, substituindo esses valores na fórmula anterior:

S 8 = 8,804228

Resposta

T 8 = 8,814278

M 8 = 8,799210

S 8 = 8,804228

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