梯形法則(DSE M1):公式及高估或低估

梯形法則把區間分成 n 個闊度為 h = (b − a)/n 的子區間,估算 ∫ab f(x) dx ≈ (h/2)[y₀ + 2(y₁ + … + yn−1) + yn]。若曲線向上凹(f″ > 0),估值偏高;若向下凹,則偏低。

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y = e^(x²) 在 0 至 1 上的梯形法則,子區間數目由 1 增至 8。分 4 個子區間時估值為例題 1 的 1.4907。 自己試試 →

梯形法則公式

子區間闊度h = (b − a) / n
法則(h/2)[y₀ + 2(y₁ + y₂ + … + yn−1) + yn]
向上凹(f″ > 0)高估
向下凹(f″ < 0)低估

梯形法則例題詳解

例題 1:用 4 個子區間估算積分

用梯形法則把區間分成 4 個子區間,估算 ∫01 ex² dx,並判斷該估值是高估還是低估。

  1. h = (1 − 0)/4 = 0.25
  2. y₀ = 1, y₁ = e0.0625 ≈ 1.0645, y₂ = e0.25 ≈ 1.2840, y₃ = e0.5625 ≈ 1.7551, y₄ = e ≈ 2.7183
  3. (0.25/2)[1 + 2(1.0645 + 1.2840 + 1.7551) + 2.7183] ≈ 1.4907
  4. d²y/dx² = (2 + 4x²)ex² > 0,所以曲線向上凹

答案: ≈ 1.4907,屬高估

例題 2:為甚麼子區間愈多估值愈準

說明當子區間數目加倍時,∫01 ex² dx 的梯形法則估值有何變化。

  1. 每個梯形的頂邊是連接曲線上兩點的直線。
  2. 子區間愈窄,這些直線愈貼近曲線。
  3. 估值由 1.4907(4 個子區間)降至約 1.4697(8 個子區間),趨向約為 1.4627 的真實值。

答案: 估值愈接近真實值,但仍然偏高。

💡 應試陷阱與秘訣 (DSE 奪星陷阱)

⚠️ n 個子區間需要 n + 1 個函數值4 個子區間要用 5 個縱坐標,由 y₀ 至 y₄。只有首尾兩個計一次,其餘全部乘以 2。
⚠️ 要用二階導數說明理由只說「看起來向上凹」並不足夠。須求出 d²y/dx²,寫明它在區間內的正負號,然後才下結論是高估還是低估。

✏️ 自我測試:互動練習

溫習方法:點擊以下任何題目,即時在坐標網格載入並核對計算步驟。

(梯形法則)用梯形法則分 5 個子區間,估算 ∫ 1/(1 + x²) dx(由 0 至 1)。
(向下凹)分 4 個子區間估算 ∫ ln x dx(由 1 至 3),並指出是高估還是低估。
(n 的影響)顯示 y = e^(x²) 在 0 至 1 上分 2、4、8 個子區間的梯形法則。

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