什麼是梯形法則?
梯形法則是一種數值積分方法,透過把積分區間分割成 n 個等寬的子區間,並將每一片切片近似為一個梯形,藉此估算曲線下方的面積。將所有梯形的面積加總起來,就能得到定積分 \( \int_{a}^{b} f(x)\,dx \) 的近似值——當原函數難以求得、甚至無法寫成封閉形式時,這個方法特別好用。
如何使用本計算器
請以 x 作為變數輸入函數(例如 x^2、sin(x) 或 exp(x)),接著設定積分下限 a、上限 b,以及子區間數量 n。一般而言,n 越大,計算結果越精確。計算器會回傳近似積分值,同時顯示步長 \( \Delta x \) 以及兩個端點的函數值。
公式解析
複合梯形法則的公式如下:
$$ \int_{a}^{b} f(x)\,dx \approx \frac{\Delta x}{2}\left[ f_0 + 2(f_1 + \cdots + f_{n-1}) + f_n \right] $$ 其中 \( \Delta x = \dfrac{b - a}{n} \)。
兩端點 \( f_0 \) 與 \( f_n \) 只計算一次,而每個內部節點則計算兩次,因為它同時被相鄰的兩個梯形共用。
範例演算
以 \( n = 10 \) 來近似 \( \int_{0}^{1} x^2\,dx \)。此時 \( \Delta x = 0.1 \)。將各節點上的 f 值加總後,梯形法則得到的估計值為 \( 0.335 \),而精確值為 \( \tfrac{1}{3} \approx 0.3333 \)。增大 \(n\) 可以縮小誤差,而誤差大約與 \( \Delta x^2 \) 成正比。
常見問題
為什麼我的答案和精確積分值有些微差距?梯形法則本質上是一種近似方法;當你增加子區間數量 \(n\) 時,誤差就會隨之減小。
支援哪些函數?多項式與運算子 + - * / ^,以及 sin、cos、tan、exp、ln、log、sqrt、abs,還有常數 pi 與 e。
a 和 b 可以任意順序輸入嗎?如果 \( a > b \),結果只會變成相反的符號,這與積分方向的定義是一致的。