Math´
ematiques assist´
ees par ordinateur
Chapitre 8 : Int´
egration num´
erique
Michael Eisermann
Mat249, DLST L2S4, Ann´
ee 2008-2009
www-fourier.ujf-grenoble.fr/˜eiserm/cours # mao
Document mis `
a jour le 6 juillet 2009
1/47
G´
eom´
etriquement, l’int ´
egrale Rb
af(x)dx
d’une fonction continue f: [a, b]→R
mesure l’aire entre l’axe des abscisses et f.
L’int´
egration est aussi l’op´
eration «inverse »
`
a la d´
erivation. Si F: [a, b]→Rv´
erifie
F0=f, alors Rb
af(x)dx =F(b)−F(a).
Dans des rares cas favorables on arrive `
aexpliciter une telle fonction
F, dite primitive de f. Ceci permet de calculer certaines int ´
egrales.
En g´
en´
eral c’est trop dur, voire impossible : la plupart des fonctions
n’admet pas de primitives s’exprimant `
a l’aide des fonctions usuelles.
Motiv´
e par cette probl´
ematique, ce cours pr´
esente quelques
m´
ethodes pour calculer num´
eriquement de telles int´
egrales.
Comme toujours, avant de calculer quoi que ce soit, il faut d’abord
d´
efinir l’objet en question, puis ´
etablir ses principales propri ´
et´
es.
On commencera donc avec une r´
evision de l’int´
egrale de Riemann.
2/47
Sommaire
1L’int´
egrale de Riemann : construction et propri ´
et´
es
Construction de l’int ´
egrale de Riemann
Propri ´
et´
es principales de l’int ´
egrale
Diff´
erentiation et int´
egration
2M´
ethodes num´
eriques basiques
M´
ethodes des rectangles, majoration d’erreur
M´
ethode des trap`
ezes, majoration d’erreur
Comparaison des m´
ethodes basiques
3M´
ethodes de Newton-Cotes
M´
ethodes ´
el´
ementaires, majoration d’erreur
M´
ethodes compos´
ees, majoration d’erreur
M´
ethodes de Simpson, Boole, Weddle
4La m´
ethode de Romberg
La formule d’Euler-Maclaurin
Extrapolation de Richardson
La m´
ethode de Romberg
3/47
Qu’est-ce que l’int´
egrale ?
On veut associer `
af:R→Ret a<bun nombre r´
eel Rb
af, appel´
e
l’int´
egrale de fsur [a, b], v´
erifiant quelques exigences naturelles :
Constantes : Rb
aλ= (b−a)λpour tout λ∈R
Subdivision : Rc
af=Rb
af+Rc
bfpour tout a<b<c
Monotonie : Rb
af≤Rb
agsi f(x)≤g(x)pour a<x<b
De ces axiomes d´
ecoulent toutes les propri ´
et´
es de l’int´
egrale !
Tout d’abord, ils d´
efinissent l’int´
egrale pour toute fonction en escalier :
Puis tout s’´
etend aux autres fonctions int´
egrables par encadrement.
§1.1 4/47
Construction de l’int ´
egrale : fonctions en escaliers
Une subdivision de [a, b]en nsous-intervalles est une famille
s={s0< s1<· · · < sn−1< sn}telle que s0=aet sn=b.
Pour toute fonction born´
ee f: [a, b]→Ron d´
efinit
I∗(f, s) := Pn
k=1(sk−sk−1) inf[sk−1,sk]f,
I∗(f, s) := Pn
k=1(sk−sk−1) sup[sk−1,sk]f.
Ces deux formules explicitent notre heuristique :
I∗(f, s)
I∗(f, s)
Observation : Si s0⊃sest une subdivision plus fine de [a, b], alors
I∗(f, s)≤I∗(f, s0)≤I∗(f, s0)≤I∗(f, s).
§1.1 5/47
Construction de l’int ´
egrale : passage `
a la limite
On passe alors `
a des subdivisions de plus en plus fines :
I∗(f) := sup{I∗(f, s)|sune subdivision de [a, b]}
I∗(f) := inf{I∗(f, s)|sune subdivision de [a, b]}
Si jamais l’int´
egrale de fexiste, elle est encadr´
ee par I∗(f)et I∗(f).
On a toujours I∗(f)≤I∗(f), mais cette in´
egalit´
e peut ˆ
etre stricte !
Dans ce cas on n’arrive pas `
a d´
efinir l’int´
egrale cherch´
ee.
Si I∗(f) = I∗(f), alors on n’a qu’une seule possibilit´
e pour l’int´
egrale !
Ce cas favorable m´
erite une d ´
efinition digne de son importance :
D´
efinition (int´
egrale de Riemann)
On dit que f: [a, b]→Rest int´
egrable si I∗(f) = I∗(f).
Dans ce cas son int´
egrale est Rb
af(x)dx := I∗(f) = I∗(f).
§1.1 6/47
Caract´
erisation des fonctions int´
egrables
Proposition
Une fonction f: [a, b]→Rest int´
egrable si et seulement si pour tout
ε > 0il existe une subdivision stelle que I∗(f, s)−I∗(f, s)≤ε.
D´
emonstration. Supposons fint´
egrable et notons I:= Rb
af(x)dx.
Alors pour ε > 0il existe des subdivisions s∗et s∗de [a, b]telles que
I∗(f, s∗)≤I+ε/2et I∗(f, s∗)≥I−ε/2.
Pour la subdivision s=s∗∪s∗on obtient ainsi
I∗(f, s∗)≤I∗(f, s)≤I≤I∗(f, s)≤I∗(f, s∗).
R´
eciproquement, I∗(f, s)−I∗(f, s)≤εet
I∗(f, s)≤I∗(f)≤I∗(f)≤I∗(f, s),
entraˆ
ınent 0≤I∗(f)−I∗(f)≤ε. Si cette in´
egalit´
e est vraie pour tout
ε > 0, alors I∗(f)−I∗(f) = 0, et on conclut que fest int´
egrable.
§1.2 7/47
Fonctions monotones, fonctions continues
Th´
eor`
eme
Toute fonction monotone f: [a, b]→Rest int´
egrable.
D´
emonstration. Supposons que fest croissante. Soit sk=a+kh
la subdivision ´
equidistante o`
uh=b−a
net k= 0, . . . , n.
I∗(f, s)−I∗(f, s) = Pn
k=1(sk−sk−1)f(sk)−f(sk−1)
=h[f(b)−f(a)] →0pour n→ ∞.
On conclut en faisant appel `
a la caract´
erisation pr ´
ec´
edente.
Th´
eor`
eme
Toute fonction continue f: [a, b]→Rest int ´
egrable.
D´
emonstration. Puisque [a, b]est compact, la fonction fest
uniform´
ement continue, c `
ad pour tout ε > 0il existe δ > 0tel que
|x−x0| ≤ δimplique |f(x)−f(x0)| ≤ ε. Pour un pas h≤δon obtient
I∗(f, s)−I∗(f, s) = Pn
k=1(sk−sk−1)ε≤(b−a)ε.
On conclut en faisant appel `
a la caract´
erisation pr ´
ec´
edente.
§1.2 8/47