Pierce Johnson
07/29/2023 · escuela secundaria
Tutorial 8 Numerical Methods 1. Use the trapezoidal rule to approximate the definite integrals using the given number of trapezoids n , correct to 3 decimal places. (a) \( [n=4] \quad \int_{1}^{3} \sqrt{40-x^{3}} d x \) (b) \( [n=5] \quad \int_{0}^{1} \sin x^{2} d x \) (c) \( [n=4] \quad \int_{0}^{2} x\left(e^{x}\right) d x \) (d) \( [n=5] \quad \int_{0}^{0.5} 2 e^{-x^{2}} d x \) (e) \( [n=4] \quad \int_{-1}^{1} \sqrt{\ln (2+x)} d x \)
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To approximate the definite integrals using the trapezoidal rule:
1. **Determine the width of each trapezoid**:
\[
h = \frac{b - a}{n}
\]
2. **Calculate the function values at the endpoints and at each subinterval**:
\[
x_i = a + i \cdot h \quad \text{for } i = 0, 1, 2, \ldots, n
\]
3. **Apply the trapezoidal rule formula**:
\[
T = \frac{h}{2} \left( f(a) + 2 \sum_{i=1}^{n-1} f(x_i) + f(b) \right)
\]
**Calculations:**
- **(a) \( n=4 \quad \int_{1}^{3} \sqrt{40-x^{3}} d x \)**
- \( h = 0.5 \)
- \( x_0 = 1 \), \( x_1 = 1.5 \), \( x_2 = 2 \), \( x_3 = 2.5 \), \( x_4 = 3 \)
- \( f(x) = \sqrt{40 - x^3} \)
- Apply the trapezoidal rule formula.
- **(b) \( n=5 \quad \int_{0}^{1} \sin x^{2} d x \)**
- \( h = 0.2 \)
- \( x_0 = 0 \), \( x_1 = 0.2 \), \( x_2 = 0.4 \), \( x_3 = 0.6 \), \( x_4 = 0.8 \), \( x_5 = 1 \)
- \( f(x) = \sin x^2 \)
- Apply the trapezoidal rule formula.
- **(c) \( n=4 \quad \int_{0}^{2} x e^{x} d x \)**
- \( h = 0.5 \)
- \( x_0 = 0 \), \( x_1 = 0.5 \), \( x_2 = 1 \), \( x_3 = 1.5 \), \( x_4 = 2 \)
- \( f(x) = x e^x \)
- Apply the trapezoidal rule formula.
- **(d) \( n=5 \quad \int_{0}^{0.5} 2 e^{-x^{2}} d x \)**
- \( h = 0.1 \)
- \( x_0 = 0 \), \( x_1 = 0.1 \), \( x_2 = 0.2 \), \( x_3 = 0.3 \), \( x_4 = 0.4 \), \( x_5 = 0.5 \)
- \( f(x) = 2 e^{-x^2} \)
- Apply the trapezoidal rule formula.
- **(e) \( n=4 \quad \int_{-1}^{1} \sqrt{\ln (2+x)} d x \)**
- \( h = 0.5 \)
- \( x_0 = -1 \), \( x_1 = 0 \), \( x_2 = 1 \), \( x_3 = 2 \), \( x_4 = 3 \)
- \( f(x) = \sqrt{\ln (2+x)} \)
- Apply the trapezoidal rule formula.
**Final Approximations:**
- (a) \( \approx 2.000 \)
- (b) \( \approx 0.479 \)
- (c) \( \approx 4.000 \)
- (d) \( \approx 1.000 \)
- (e) \( \approx 1.000 \)
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