シンプソンの公式(1/3・3/8)

シンプソンの公式(1/3・3/8)

シンプソンの1/3則および3/8則を用いて定積分を高精度に計算。合成公式の導出ステップ、打切り誤差評価、分割区間グリッド、曲線プロットグラフまで網羅。

Presets:
Quadrature Parameters & Integrand
Variable: x
Quick test:

Supports powers (^), polynomials, exp, sqrt, sin, cos, ln, and constants (pi, e).

6 Panels
Step Size h = (b - a) / n: 0.166677 Evaluation Nodes
Target Tolerance Reverse Solver

Find the exact minimum number of subintervals (n) required to guarantee your desired precision.

Minimum Required Subintervals (n)4
Maximum Allowable Panel Width (h)0.25
Fourth Derivative Ceiling |f⁴(x)|: 1.197Guaranteed Truncation Bound: 2.5973e-5
Definite Integral Approximation0.341347Simpson's 1/3 Rule
Theoretical Error Bound |E|5.1304e-6O(h⁴) Truncation Ceiling
Richardson High-Precision Benchmark0.341345N=512 Extrapolated
Uniform Step Size (h)0.16667n = 6 Subintervals
Parabolic Osculating Curve Visualizer
Exact Function f(x)
Piecewise Simpson Parabolas
Evaluation Ordinates (xi, yi)
Quadrature Residual Area
a = 0b = 1

Quadrature Execution Summary

Definite integral evaluation calculated via composite Newton-Cotes parabolic interpolation.

Applied Quadrature Formulation:Simpson's 1/3 Rule (Parabolic)
Total Subinterval Panels:6 panels
Total Evaluation Ordinates (n + 1):7 nodes
Panel Interval Width (h):0.166667
Algebraic Degree of Precision:Degree 3 (Exact for cubics & quadratics)
Richardson Benchmark Value:0.3413447
Absolute Error Deviation:2.0953e-6
Theoretical Convergence Order:O(h⁴) Quartic Convergence
Analytical Note: Because Simpson's 1/3 rule fits a symmetric second-degree parabola over pairs of panels, odd third-degree polynomial terms cancel out entirely, providing exact zero-truncation precision for any cubic curve ax³ + bx² + cx + d!
Current Integral0.341347
Error Ceiling5.1304e-6
Local Execution< 1 ms (Zero Float Drift)

Empathetic notice: Numerical quadratures approximate real-world curves by fitting smooth arches. Ensure your function has no infinite singularities within the boundaries for peak mathematical fidelity.

技術リファレンス・アーキテクチャガイド

シンプソン則計算機(1/3・3/8) — 技術リファレンス

シンプソンの1/3則および3/8則を用いて定積分を高精度に計算します。複合公式の計算手順、打切り誤差限界の評価、分割区間グリッド、関数曲線のプロットまで網羅的に導出します。

シンプソン則計算機(1/3・3/8) — 技術リファレンス — クライアントサイド完全ローカル実行アーキテクチャ図
シンプソン則計算機(1/3・3/8) — 技術リファレンス — クライアントサイド完全ローカル実行アーキテクチャ図

主要パラメータと設定項目

被積分関数 f(x)代数式または超越関数式

閉区間 [a, b] 上で定義された連続曲線または物理的変化率の数式です。数値的収束と妥当な誤差評価を保証するため、ゼロ除算となる特異点や極、垂直漸近線、無限振動を含まず、区間内で有限かつ連続である必要があります。

初期値: x * sin(x)
定積分の積分区間 [a, b]有限実数座標

積分の開始点となる下限 (a) および終了点となる上限 (b) で構成される積分区間です。微積分の符号規約に従い、a > b となるよう境界を反転させると積分の向きが逆になり、計算される面積の符号が反転(マイナス)します。

初期値: a = 0, b = 3.14159
分割区間数 (n)正の偶数または3の倍数の整数

積分区間を等分割するスライスの総数です。シンプソンの1/3則では隣接する2区間をペアにして放物線を当てはめるため、偶数分割(n ≧ 2、2の倍数)が厳密に要求されます。3/8則では3区間単位で処理するため3の倍数(n ≧ 3)が必要です。ハイブリッドモードでは n ≧ 3 の任意の整数を処理できます。

初期値: 6
目標許容誤差限度 (ε)正の実数閾値

グリッド自動細分化における数値打切り誤差の最大許容値です。ソルバーは4階導関数基準 |E_n| ≦ ((b - a)^5 * M_4) / (180 * n^4) を評価し、浮動小数点演算の実用限界(≧ 1e-12)内で指定精度を保証する最小分割区間数を算出します。

初期値: 0.0001
三角関数の角度単位系角度単位

波動関数や周期関数の評価基準です。解析的な定積分やテイラー展開は本質的にラジアン(Radian)基準を前提とします。度数法(Degree)モードでは、関数の高さを算出する前に入力値に π/180 を乗算してラジアンへ自動変換します。

初期値: radians

現場のベストプラクティス・実践Tips

3次多項式における代数精度(打切り誤差ゼロ)の特性

シンプソンの1/3則は各点を2次放物線で補間しますが、3次多項式(ax³ + bx² + cx + d)に対しても打切り誤差ゼロで厳密解を導出します。これは、3点ニュートン・コーツ公式の奇数次対称性によって3階導関数の主誤差項が完全に相殺され、最初の有効誤差項が4階導関数 f⁴(ξ) に依存する形になるためです。

1/3則と3/8則の併用による奇数分割区間の高精度処理

実測データなどで分割区間数 n が奇数(例: n = 7)の場合でも、2次精度の台形公式に格下げして計算精度を落とす必要はありません。最初の n - 3 区間(偶数分割)にシンプソンの1/3則を適用し、残りの3区間にシンプソンの3/8則を組み合わせることで、全積分領域にわたって均一な4次の収束次数 O(h⁴) を維持できます。

複合区分求積法によるルンゲ現象(端部発散)の防止

広範な区間全体を単一の高次多項式で補間しようとすると、区間境界付近で激しい発散振動(ルンゲ現象)が発生します。複合シンプソン法は、幅 2h の微小な局所区間ごとに低次の2次曲線を適用することで数値的不安定性を完全に排除し、全域誤差を O(h⁴) の高精度で急速に低減します。

変数変換(置換積分)による境界特異点の解消

積分境界で傾きが無限大となる特異点を持つ関数(例: x = 0 における 1/√x)は、4階導関数の誤差限界が無限大に発散し精度が崩壊します。計算を実行する前に代数的な変数変換(例: x = u² とおき dx = 2u du)を施して被積分関数を滑らかで正則な形に変換しておくことで、高精度な数値積分が可能になります。

よくある落とし穴とトラブルシューティング

⚠️シンプソンの1/3則では分割区間数 n が偶数である必要があります

シンプソンの1/3則は2区間をペアとして2次放物線を当てはめるため、区間数 n は偶数、座標点数は奇数(n + 1)である必要があります。n を 1 増やして偶数にするか、求積モードを「ハイブリッド(1/3 + 3/8)」に切り替えることで、精度を落とさずに奇数分割を処理できます。

⚠️三角関数の数値積分結果が期待される理論解析値と大きく乖離します

微分積分の解析的導出がラジアン(Radians)を前提としているのに対し、三角関数式が度数法(Degree)モードで評価されている可能性があります。数値微分やテイラー級数展開は弧度法(ラジアン)を基礎としているため、角度単位の選択を「ラジアン(Radians)」に切り替えて精度を回復させてください。

⚠️逆算誤差ソルバーが NaN(非数)を出力するか、分割区間数が異常に肥大化します

4階導関数 f⁴(x) が局所的な垂直漸近線を持っているか、指定された許容誤差 ε が倍精度浮動小数点数(IEEE 754、約 1e-15)の限界値を超えて厳しすぎる場合に発生します。被積分関数が [a, b] 上で4回連続微分可能であることを確認し、ε ≧ 1e-12 の現実的な範囲に設定してください。

⚠️高周波の周期関数を積分する際に計算誤差が急増します

1区間の刻み幅 h = (b - a) / n が振動波長の半分を超えている(h > λ / 2)場合、空間的エイリアシングが発生し放物線近似が波の山や谷を捉えきれなくなります。ナイキスト・シャノンのサンプリング定理を満たすよう、n > 2 * (b - a) * f_max となるまで分割区間数を増やしてください。

よくある質問 (FAQ)

シンプソンの1/3則の計算公式とはどのようなものですか?▼

複合シンプソンの1/3則の公式は S = (h / 3) * [f(x₀) + 4 * Σf(x_奇数) + 2 * Σf(x_偶数) + f(x_n)] で表されます(h = (b - a) / n、n は偶数)。積分区間全体の連続する3点ごとに2次放物線を区分的に当てはめ、定積分の近似値を高精度に算出します。

シンプソンの1/3則と3/8則の違いは何ですか?▼

シンプソンの1/3則は2区間ごとに2次放物線を当てはめ(n は2の倍数)、重み係数 [1, 4, 2, 4, ..., 1] に h/3 を掛けます。一方、シンプソンの3/8則は3区間ごとに3次多項式を当てはめ(n は3の倍数)、重み係数 [1, 3, 3, 2, 3, 3, ..., 1] に 3h/8 を掛けます。どちらも4次の収束精度 O(h⁴) を誇りますが、3/8則はデータ区間数が3の倍数の場合に分割の端数を生じさせず正確に適用できます。

なぜシンプソンの1/3則では区間数が偶数でなければならないのですか?▼

1本の放物線(2次曲線)を決定するには、隣接する2つの区間(幅 2h)にまたがる連続した3つの標本点が必要だからです。[a, b] 間で m 個の放物線を連続してつなぎ合わせるには、必ず n = 2m 個の偶数分割区間と、n + 1 個の評価点が必要になります。

シンプソン則の誤差限界(誤差評価)はどのように計算しますか?▼

複合シンプソン1/3則の打切り誤差限界は、区間 [a, b] において |E_s| ≦ ((b - a)⁵ / (180 * n⁴)) * max|f⁴(x)| と算出されます。シンプソン3/8則では |E_3/8| ≦ ((b - a)⁵ / (80 * n⁴)) * max|f⁴(x)| となります。被積分関数 f(x) が3次以下の多項式であれば4階導関数が恒等的にゼロとなるため、打切り誤差は理論上ゼロとなり厳密解が得られます。

シンプソン則は台形公式よりも計算精度が高いですか?▼

はい。滑らかな関数においてシンプソン則は台形公式よりも遥かに高い精度を誇ります。台形公式の誤差低減が2次のオーダー O(h²) = O(1/n²) であるのに対し、シンプソン則は4次のオーダー O(h⁴) = O(1/n⁴) で急速に収束します。区間分割数を2倍(n → 2n)にした場合、台形公式の誤差は1/4に減少するのに対し、シンプソン則の誤差は1/16にまで激減します。

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