HomeDidattica

La formula che Peano chiamò di Cavalieri-Simpson

La formula di Cavalieri-Simpson riguarda l’integrazione numerica. Si ottiene pensando di approssimare il grafico della funzione con archi di parabola.

Bonaventura Cavalieri (1598-1647)

La formula approssima l’area sottesa da un arco di curva C mediante la somma delle aree dei rettangoloidi ottenuti spezzettando C in un numero pari di archi di parabola. La formula è concettualmente analoga alla formula dei trapezi che, invece che con archi di parabola, approssima il grafico della funzione da integrare spezzettandolo in tanti segmenti di retta.

Della formula è stato già detto in Il calcolo di π con il metodo di Simpson. Si trattava in quel caso di dare una valutazione dell’area sottesa da un arco di circonferenza. Esattamente l’area data dall’integrale \int_{0}^{2}\sqrt{8-x^{2}

Ecco come ottenere la formula:

Supponiamo di voler calcolare l’area compresa tra il grafico della funzione y = f(x) e l’asse x in un intervallo determinato.

Supponiamo anche che tale intervallo sia quello di estremi 0 e 2.

Prendendo x = 1, punto medio di [0,2] possiamo pensare di approssimare  il grafico della funzione con l’arco della parabola che per x = 0, 1, 2 assume gli stessi valori della funzione, ossia f(0), f(1), f(2). Se ricorriamo alle parabole ausiliarie ( polinomi di interpolazione di Lagrange)

P_{0}(x)=\frac{1}{2}x^{2}-\frac{3}{2}x+1

P_{1}(x)=-x^{2}+2x

P_{2}(x)=\frac{1}{2}x^{2}-\frac{1}{2}x

Queste per x = 0, 1, 2 danno luogo alla seguente tabella:

x 0 1 2
P0(x) 1 0 0
P1(x) 0 1 0
P2(x) 0 0 1

E la parabola per i punti  (0, f (0)), (1,f (1)), (2, f (2)) ha equazione:

P(x)=f(0)P_{0}(x)+f(1)P_{1}(x)+f(2)P_{2}(x)

Si ha dunque:

\int_{0}^{2}P(x)dx=\frac{1}{3}(f(0)+4f(1)+f(2))

che si può prendere come valore approssimato di \int_{0}^{2}f(x)dx

Se l’approssimazione non soddisfa, l’intervallo [0, 2] si può spezzare in due sotto-intervalli [0, 1] e [1, 2] e in ognuno di essi  considerare gli archi delle parabole passanti per (0, f(0)), (1/2, f (1/2)),  (1, f(1)), (3/2, f (3/2)), (2, f (2)) . Iterando il procedimento, la curva, grafico di f(x), viene sostituita dalla somma di tanti ( un numero pari)  archi di parabola. Suddividendo in particolare l’intervallo [0, 2] in 2m sotto-intervalli uguali di lunghezza 2h

[x0, x2], [x2, x4], …, [x2m-2, x2m] con x0 = 0 e x2m = 2

si perviene alla formula:

\int_{0}^{2}f(x)dx\sim \frac{h}{3}\left [ f_{0}+4(f_{1}+f_{2}+ ... +f_{2m-1})+2(f_{2}+...+f_{2m-2})+f_{2m} \right ]

ove fi è il valore di f in xi che dicesi formula generalizzata di Simpson e che Giuseppe Peano chiamò di Cavalieri-Simpson pur riconoscendo nel suo latino sine flexione che «Plure Auctore voca formula praecedente formula de Simpson» [in Formulario Mathematico p. 368, a cura di U. Cassina, 1960]

Il ragionamento fatto per l’intervallo [0,2] è valido, naturalmente, per un qualsiasi intervallo a, b appartenente al dominio di definizione della funzione f.

NOTE

  • Thomas Simpson (1710 -1761) fu autore di due pregevoli manuali didattici: Treatise of Algebra e Elements of Plane Geometry: il primo vantò ( la notizia si trova in C. Boyer, Storia della Matematica, Isedi, 1976 ) almeno otto edizioni uscite a Londra tra il 1745 e il 1809, una durata oggi impensabile che significa che più generazioni imparavano dagli stessi testi e che ciò conferiva all’educazione caratteri di grande omogeneità.
  • L’articolo è tratto quasi interamente da: Emilio Ambrisi, Simpson e π, in Periodico  di Matematiche n.3/4, 1984.

 

Autore

  • Emilio Ambrisi

    Laureato in Matematica, è stato docente, dirigente scolastico e ispettore tecnico del Ministero dell’Istruzione. A partire dagli anni Ottanta ha partecipato alle tante commissioni ministeriali, tra cui quella dei “Quaranta” istituita dal ministro Franca Falcucci, incaricate della definizione dei programmi di insegnamento degli indirizzi sperimentali e, successivamente, delle Indicazioni Nazionali. Ha svolto numerosi incarichi ispettivi in Italia e all’estero e, dal 1997, ha curato la predisposizione delle prove ministeriali d’esame di maturità e di concorso. Dal 2008 al 2015 ha fatto parte del collegio di direzione della Struttura Tecnica del Ministero. Nel 1980/81 ha prestato servizio presso la Facoltà di Magistero di Roma (cattedra del prof. Mauro Laeng) incaricato di collaborare agli atti preparatori dell’indagine I.E.A., e per alcuni anni ha insegnato come professore a contratto presso le Università “Federico II” e “Vanvitelli” di Napoli. Dal 2009 al 2019 è stato Presidente nazionale della Mathesis e direttore del Periodico di Matematiche.

    Visualizza tutti gli articoli

COMMENTS

WORDPRESS: 0
DISQUS: 0