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Polinômios ortogonais e quadratura Gaussiana

Polinômios ortogonais e quadratura Gaussiana

Veja a apresentação no site do Professor!

Paulo Bordoni

July 22, 2016
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Transcript

  1. Um conceito importante é o de ordem de precisão de

    uma fórmula de integração numérica.
  2. O ordem de precisão de uma fórmula de integração numérica

    é o maior inteiro N para o qual ela integra = de forma exata, para = 0,1, ⋯ , . Mestra, é imediato comprovar que a regra trapezoidal tem ordem 1 de precisão.
  3. Entretanto a regra de Simpson tem ordem 3, apesar de

    utilizar uma polinomial interpoladora de grau 2. Sim, pois a polinomial interpoladora utilizada para a regra trapezoidal tem grau 1.
  4. Pois é. Mestre, faça um programinha para convencer o Surfista!

    Muito estranho Mestres, é algo totalmente inesperado!
  5. Bem Mestra, neste caso funcionou – obtivemos o mesmo valor

    para o resultado por Simpson e a integral exata. E no caso geral? Respondendo pela Mestra – você tem duas possibilidades: • Conferir com várias outras polinomiais de grau ≤ 3 e deixar assim, ou • Provar a afirmação (que só é válida para pontos igualmente espaçados). Vá à luta!
  6. 1 2 3 4 Aqui eu assinalei: 1. A entrada

    de dados, 2. O cálculo da (), 3. O cálculo da integral exata, 4. A utilização da regra de Simpson com apenas 3 pontos.
  7. Esta é a parte final do código, que gera o

    gráfico da () e da integral, correspondente à área sob a curva.
  8. Em ℒ2(, ) temos outros conjuntos ortogonais completos além do

    trigonométrico, das séries clássicas de Fourier. Um deles é constituído pelos polinômios de Legendre, ℒ = 0 , 1 , 2 , … .
  9. • 0 = 1, • 1 = , • +1

    = 2+1 +1 − +1 −1 () para = 1,2, … As polinomiais de Legendre podem ser definidas recursivamente por:
  10. • 0 = 1, • 1 = , • 2

    = 3 2 2 − 1 2 , • 3 = 5 2 3 − 3 2 , • 4 = 35 8 4 − 15 4 2 + 3 8 , • 5 = 63 8 5 − 35 4 3 + 15 8 , • 6 = 231 16 6 − 315 16 4 + 105 16 2 − 5 16 . Calculei as até = 6, pela definição depois fui pegar uma onda!
  11. Destaquei o módulo de Legendre no pacote polynomial da NumPy.

    Além do conteúdo coberto no módulo polinomial, que já estudamos, há um novo: Quadrature.
  12. Clicando lá você vem para cá, Surfista. A classe Legendre.

    O domínio padrão é o intervalo [−1,1].
  13. Este programa fornece a expressão e traça o gráfico da

    polinomial de Legendre de ordem n. Marquei os dois métodos da classe que usamos:
  14. E o método convert() que faz a mudança de base,

    para a base canônica do espaço das polinomiais.
  15. Observe Loirinha, que nas polinomiais de Legendre de grau ímpar,

    todos os coeficientes das potências pares são nulos. É mesmo, e nas de grau par todos os coeficientes das potências ímpares são nulos!
  16. Lembrem-se, uma função ↦ () é: • par se, e

    só se, − = , • ímpar se, e só se, − = − , sempre que −, ∈ (). Portanto as polinomiais de Legendre de grau par são funções pares e as de grau ímpar são funções ímpares.
  17. Sim Mestra: • f ímpar ⟹ ׬ − = 0,

    • f par ⟹ ׬ − = 2 ׬ 0 , sempre que −, ⊂ (): Funções pares e ímpares desfrutam de propriedades destacadas na integração.
  18. A prova dessas propriedades “é mole”, Mestre, basta usar que

    න − = න − 0 + න 0 mais a definição de função par ou ímpar.
  19. Na NumPy e na literatura trabalha-se com as polinomiais de

    Legendre em ℒ2 −1, 1 . Para ℒ2 , basta efetuar a mudança de variáveis : −1,1 → [, ], definida por ↦ = + + − 2 Ou colocar = [, ] e = = , na chamada.
  20. Para 0 = = 1 nem é necessário, ׬ −1

    1 0 2 = 2. Logo 0 2 = 2 Fiz um programa para calcular a 2 da polinomial de Legendre de grau k.
  21. Por hora, vamos utilizá-la sem maiores explicações. Mais adiante vamos

    explicar o que é a quadratura Gaussiana nos mínimos detalhes.
  22. Prova-se que: 2 = න −1 1 ()2 = Τ

    2 2 + 1 Assim podemos conferir todos os resultados calculados!
  23. Vamos provar a seguir que as polinomiais de Legendre são

    ortogonais, isto é, que para todos os valores de , ∈ ℕ, ≠ , temos , = න −1 1 = 0
  24. As polinomiais de Legendre são as autofunções do problema de

    Sturm-Liouville 1 − 2 () = −() correspondentes aos autovalores = ( + 1). Cruzes Galileu, de onde você tirou isso?
  25. Ah coleguinha, é só pegar a expressão de uma e

    efetuar as operações indicadas no lado esquerdo da equação de Sturm Liouville que chegamos no lado direito. Comprovei isto para as 2 = 3 2 2 − 1 2 e 3 = 5 2 3 − 3 2 . O resultado geral, segue dessa sua ideia e da definição recursiva das , por indução finita em k.
  26. Portanto satisfaz ′ = − + 1 , com =

    1 − 2 . Multiplicando essa equação por e integrando em [−1, 1], obtemos න −1 1 ′ = −( + 1) න −1 1
  27. Integrando por partes o lado esquerdo dessa igualdade, obtemos න

    −1 1 ′ = () ′ |−1 1 + න −1 1 ′ ′ Então obtemos a identidade + 1 න −1 1 = න −1 1 ′ ′ pois −1 = 1 = 0. 2 = 3 2 2 − 1 2
  28. Trocando os papéis de e nessa identidade obtemos + 1

    න −1 1 = න −1 1 ′ ′ Juntando as duas temos + 1 න −1 1 = + 1 න −1 1
  29. Acabamos de provar que as polinomiais de Legendre são ortogonais,

    visto que para todos os valores de , ∈ ℕ, ≠ , temos , = න −1 1 = 0 Em outras palavras [ + 1 − ( + 1)]න −1 1 = 0
  30. Modificando um pouquinho o último programa do Mestre, poderemos calcular

    o produto interno , = ׬ −1 1 . Em particular, para = , recalculamos a 2 . Para ≠ poderemos até confirmar a demonstração de ortogonalidade, embora isto não seja necessário!
  31. Claro Loirinha, definindo Τ = 2 , = 0,1,2, …

    temos que ∙ , ∶ ℒ2[−1,1] → ℝ é um aparelho medidor de doses de Legendre. Lembrei-me do dosador do Surfista!
  32. Sim, para ∈ ℒ2[−1,1] a dose de que f possui

    é dada por = , = 1 2 න −1 1 E a sequência 0 , 1 , 2 , … é o espectro de Legendre de f.
  33. Decidi calcular o espectro da função ∶ −1, 1 →

    [−1, 1] definida por = cos(). Vou te ajudar. Como f é uma função par seu espectro não terá componentes ímpares. Por exemplo: , 1 = 0.
  34. O cocktail de Legendre de uma função polinomial é finito.

    Diferente dos cocktails para sen(x), exp(x) etc, cujos espectros são infinitos. Qualquer que seja a função polinomial p temos: • ∈ ℒ2 −1,1 , • p possui um espectro finito.
  35. Em outras palavras, se é uma polinomial de grau n

    existem n+1 números 0 , 1 , … , tais que = ෍ =0
  36. Agora exploraremos uma ideia importantíssima na integração numérica. A quadratura

    Gaussiana – as primeiras ideias foram apresentadas por Gauss em 1886. Gauss, C. F., "Methodus nova integralium valores per approximationem inveniendi" , Werke , 3 , K. Gesellschaft Wissenschaft. Göttingen (1886) pp. 163–196
  37. Uma regra de quadratura é uma fórmula de integração aproximada

    de uma função () através de alguma função de ponderação (). São fórmulas do tipo: න −1 1 ≅ ෍ =1 ( )
  38. A regra trapezoidal composta se enquadra na definição de regra

    de quadratura: න ≅ ෍ =0 , na qual = ቊ Τ ℎ 2, = 0, ℎ , = 1,2, … − 1 e os são igualmente espaçados de h.
  39. A regra de Simpson composta também se encaixa na definição

    de regra de quadratura; න ≅ ෍ =0 , na qual = ൞ Τ ℎ 3 , = 0, Τ 4ℎ 3 , = 1, … , − 1 í Τ 2ℎ 3 , = 1, … , − 1 e os são igualmente espaçados de h.
  40. Ponderar: considerar o que é importante. Quando você vai adquirir

    algum bem, p/ex. uma casa, você pondera diversas coisas para efetuar a compra. O coeficiente de rendimento, CR, no seu histórico escolar é uma média ponderada das notas de cada disciplina. Os pesos são proporcionais à carga horária de cada disciplina, para valorizar as disciplinas com maior carga horária.
  41. A quadradura gaussiana é uma regra de quadratura construída para

    produzir um resultado exato para polinômios de grau 2 − 1, ou menor, mediante uma escolha apropriada dos pontos 1 , 2 , … , e pesos 1 , 2 , … .
  42. Observe que a polinomial interpoladora tem grau 1, mas os

    nós de interpolação não são (0. , exp 0. ) e (2. , exp(2.0)), como em Lagrange.
  43. Sabemos que න 0 2 = 2 − 1 =

    6.389 … e o resultado da quadratura gaussiana de grau 1 foi 6.3681..., preciso na 1ª casa decimal. Vou mostrar que uma polinomial interpoladora de Lagrange de grau 2 integra corretamente polinomiais de grau 5.
  44. O Mestre fez um programa para calcular aproximações para a

    integral , , = ׬ , via a rotina fixed_quad( ) de quadratura Gaussiana da scipy.integrate.
  45. O programa recebe o intervalo de integração, a expressão da

    função a integrar e um limite superior N para a ordem de quadratura integração Gaussiana e devolve a tabela das aproximações e o gráfico.
  46. Sim querida, já que 2 × 3 − 1 =

    5. O programa do Mestre permite conferirmos. Mestra, uma regra de quadratura Gaussiana de ordem 3 deve, portanto, integrar corretamente uma polinomial de grau 5.
  47. Usando o outro programa do Mestre podemos conferir. Lá ele

    calcula a integral exata de polinomiais de qualquer ordem!
  48. 1

  49. 2

  50. 3

  51. 4

  52. 5

  53. Apenas pelo tamanho das informações adicionais percebemos que seriam necessárias

    várias aulas para utilizar melhor essa poderosíssima rotina quad(). É o poder da abstração apresentando suas credencias.
  54. Vou provar que a fórmula de integração gaussiana de grau

    p integra corretamente polinomiais de grau < 2. Por simplicidade vou usar = 4.
  55. O Mestre vai provar que Escolhendo 0 , 1 ,

    2 e 3 como as raízes da polinomial de Legendre 4 (), então න −1 1 = ෍ =0 3 ( ) para toda polinomial ∈ 7 −1,1 . Nesta fórmula, = න −1 1 , onde { 0 , 1 ,2 , 3 } é a base de Lagrange de 3 ([−1,1]).
  56. O motivo fundamental é que as polinomiais de Legendre {

    0 , 1 , … , 7 } formam uma base ortogonal para o espaço 7 ([−1,1]) das funções polinomiais com grau ≤ 7 em [−1,1]. Outras duas razões importantes são: • As raízes 0 , 1 , 2 e 3 de 4 estão no intervalo aberto −1,1 , • Elas são distintas entre si.
  57. Você se lembra, Loirinha, como as funções básicas de Lagrange

    de 3 ( −1,1 ), as (), foram definidas? Claro Mestre, veja: 0 = ( − 1 )( − 2 )( − 3 ) (0 − 1 ) 0 − 2 0 − 3 1 = ( − 0 )( − 2 )( − 3 ) (1 − 0 )(1 − 2 )(1 − 3 ) 2 = ( − 0 )( − 1 )( − 3 ) (2 − 0 )(2 − 1 )(2 − 3 ) 3 = ( − 0 )( − 1 )( − 2 ) (3 − 0 )(3 − 1 )(3 − 2 )
  58. Pois é Surfista, esta é uma das provas “mais lindas

    que já vi passar”, conforme nosso Vinícius de Moraes cantou a “Garota de Ipanema”. Vamos por partes. Consideremos primeiramente uma polinomial qualquer ∈ 3 ( −1,1 ).
  59. Portanto, se ∈ 3 −1,1 então න −1 1 =

    ෍ =0 3 න −1 1 = ෍ =0 3 ( ) Bem, se ∈ 3 −1,1 então = 0 0 + 1 1 + 2 2 + 3 3 , com = , k = 0,1,2,3, conforme já vimos antes.
  60. É, mas isto só funciona para ∈ 3 −1,1 .

    E para ∈ 7 −1,1 ? Bem Loirinha, é aí que entra a força maravilhosa das composições do Vinícius. Divida a sua polinomial pela 4 . Então teremos = 4 × + onde () ≤ 3 e também () ≤ 3.
  61. Portanto න −1 1 = න −1 1 4 +

    න −1 1 Como () ≤ 3, por ortogonalidade temos න −1 1 4 = 0 .
  62. Bem Loirinha, como ∈ 3 e { 0 , 1

    , 2 , 3 } é uma base de 3 existem 0 , 1 , 2 , 3 ∈ ℝ para os quais = 0 0 + 1 1 + 2 2 + 3 3 , de forma que න −1 1 4 = ෍ =0 3 න −1 1 4 = 0 Por quê essa integral se anula ?
  63. Fantástico, é aí que entrou a ortogonalidade: න −1 1

    4 = 0 para ≠ 4. Bem, até agora vocês só mostraram que, න −1 1 = න −1 1 .
  64. Bem Loirinha, de = 4 × + teremos = 4

    × + e como as são raízes da 4 = . Agora o golpe final. Como ∈ 3 −1,1 segue, pelo primeiro resultado que mostrei, que න −1 1 = ෍ =0 3 = ෍ =0 3
  65. Assim, juntando tudo num pacote só න −1 1 =

    න −1 1 = ෍ =0 3 , conforme prometemos.
  66. As polinomiais de Legendre de ordem 2, 3 e 5,

    suas raízes e os pesos correspondentes.
  67. Repetindo, achei fantásticas as ideias escondidas “debaixo do tapete” da

    ortogonalidade. Mestres, existem outras fórmulas de “integração gaussiana” tão poderosas quanto esta que usa as polinomiais de Legendre?
  68. Bem, Loirinhas e Surfistas, para outros intervalos existem outras fórmulas

    de integração “gaussiana” apropriadas. Por exemplo para o intervalo 0, +∞ a escolha boa seriam as polinomiais de Laguerre, que formam um conjunto ortogonal completo em 2 (0, +∞).
  69. Sim, mas aí é preciso utilizar o produto interno ,

    = න 0 +∞ , onde : [0, +∞) → ℝ é uma função peso, definida pela expressão = exp(−).
  70. Já para o intervalo (−∞, +∞) a escolha boa seriam

    as polinomiais de Hermite, que formam um conjunto ortogonal completo em 2 (−∞, +∞).
  71. Sim, mas aí é preciso utilizar o produto interno ,

    = න −∞ +∞ , onde : (−∞, +∞) → ℝ é uma outra função peso, definida pela expressão β = exp(−2).