■書ききれなかった微分積分の話(その34)

 (その26)以降,

  logx=∫dt/t

が問題となっている.自然対数は双曲線y=1/xの下の面積として定義できるというわけである.

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【1】台形公式

 区間[a−x,a+x]に対して,

  2x/a<∫dt/t<x(1/(a+x)+1/(a+x))

の左辺は矩形公式,右辺は台形公式に拠っていることはおわかり頂けるであろう.念のため説明するが,y=1/tのグラフで,t=[a−x,a,a+x]となる3点をとれば,台形公式が得られる.

  a−x=1,a+x=2→a=3/2,x=1/2より

[1]a=3/2,x=1/2→1/3<log2=∫(1,2)dt/t<3/2

  0.333<log2<1.5

となり,近似の精度を上げることはできない.

 そこで,当該不等式を2回適用することにする.

[2]a=5/4,x=1/4→2/5<∫(1,3/2)dt/t<5/12

[3]a=7/4,x=1/4→2/7<∫(3/2,2)dt/t<7/24

より

  24/35<log2=∫(1,2)dt/t<17/24

  0.685<log2<0.708

と絞り込むことができる.

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【2】数値積分

 台形則,シンプソン則,中点則をそのまま適用してみると,

[1]台形則

  ∫(a,b)f(x)dx≒(b−a)/2・{f(a)+f(b)}

=1/2・(1/1+1/2)=3/4=0.75

[2]シンプソン則(1/3則)

  ∫(a,b)f(x)dx≒(b−a)/6・{f(a)+4f((a+b)/2)+f(b)}

  =1/6・(1/1+4・2/3+1/2)=25/36=0.694

[3]中点則

  ∫(a,b)f(x)dx≒(b−a)f((a+b)/2)

  =2/3=0.6

 さらに

[4]シンプソン則(3/8則)

  ∫(a,b)f(x)dx≒3h/8・{f(a)+3f(a+h)+3f(a+2h)f(b)}  (h=(b−a)/3)

  =1/8(1/1+3・3/4+3・3/5+1/2)=111/160=0.694

[5]ブール則

  ∫(a,b)f(x)dx≒2h/45・{7f(a)+32f(a+h)+12f(a+2h)+32f(a+3h)+7f(b)}  (h=(b−a)/4)

  =1/90(7+32・4/5+12・2/3+32・4/7+7/2)=4367/6300=0.693

 シンプソン則(1/3則)の大健闘ということであろう.

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