最近マイクラの記事ばかり書いていて、「学生成分が足りていないのでは...」と思ったので学生らしく？ C言語を使用して、数値積分をやってみました。

1. 考え方

積分の証明は調べれば出てくるので、考え方だけ簡単にまとめます。

ある関数を分割していき、短冊状にする
短冊状になった長方形の面積を計算する
その面積を足し上げていけば面積が求まる

たったこれだけです。図にするとこんな感じです。

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1.1 短冊1つあたりの底辺の長さ

底辺の長さ $dx$ は、分割数 $DIV$ によって変わります。分割数が多いほど短くなり、分割数が少ないほど長くなるので $dx$ と $DIV$ は反比例の関係です。

f:id:takunology:20210914154206j:plain

また、底辺の長さは積分区間 [MIN, MAX] そのものなので、それを分割すると考えれば

$\displaystyle{ dx = \frac{MAX - MIN}{DIV} }$

となります。これが底辺の長さです。

1.2 短冊1つあたりの高さ

高さ（大きさ） $f(x)$ は、底辺の位置 $i$ 番目によって変わります。なので、底辺の位置（長さ） $i \times dx$ を $x$ に代入することで、短冊の高さを求めることができます。つまり、

$\displaystyle{ f(x) = f(i \ dx) }$

となります。

1.3 短冊1つあたりの面積

短冊の底辺の長さが $dx$ 、短冊の高さが $f(x)$ になので、面積は底辺×高さで $f(x) \ dx$ となります。

1.4 求める面積

求める面積は、積分区間 [MIN, MAX] とすると、短冊の面積をその区間分だけ足し上げていけばいいので

$\displaystyle{ \sum_{i = MIN}^{MAX} \ f(x) \ dx }$

となります。総和は for 文を使用すれば実装できます。

積分範囲は 0 からはじまるとは限らないので、その分のズレを含めると $f(x)$ に代入する変数は $MIN + i \ dx$ になります。なので、C言語にすると

int val[DIV];
int i;
//分割した数だけ for を回す
for (i = 0; i < DIV; i++)
{
    //その位置における短冊の面積 = 高さ×底辺
    val[i] = function(MIN + i * dx) * dx
    //短冊1つあたりの面積を総和 -> 積分区間の面積
    surface += val[i]
}

となります。

2. 実装例

ここまでを踏まえて、プログラムを書いていきます。今回は、コンソール出力だけでなく CSV 形式のファイル出力を行う機能も追加しました。CSV 形式のファイルを Ngraph や Excel などで読み込むと、簡単にグラフを描画できるので便利です。

求めたい関数は function の return 部分に書き込みます。

#include<stdio.h>

#define MIN -5.0
#define MAX 5.0
#define DIV 100

//計算したい関数
double function(double x)
{
    return x*x;
}

int main()
{
    FILE *fp;
    char *file_name = "surface.csv";

    //分割した短冊1つあたりの底辺
    double dx = (MAX - MIN) / DIV;
    //短冊1つあたりの面積
    double val[DIV];
    //積分した結果
    double surface;

    int i;
    for(i = 0; i < DIV; i++)
    {
        //短冊の高さと底辺の積
        val[i] = function(MIN + i * dx) * dx;
        //短冊の面積の総和
        surface += val[i];
    }
    
    //ファイルオープン
    fp = fopen(file_name, "w");
    if(fp == NULL)
    {
        printf("file could not be opened.");
        return -1;
    }

    //ファイル書き込み
    for(i = 0; i < DIV; i++)
    {
        fprintf(fp, "%lf,", MIN + i * dx);
        fprintf(fp, "%lf", val[i]);
        fprintf(fp, "\n");
    }

    fclose(fp);

    printf("surface = %lf", surface);
    return 0;
}

2.1 三角関数の場合

三角関数を使用するには math.h を使用しますが、sin() や cos() などの引数には弧度法による値を入れる必要があるので、度数法から弧度法に変換する関数をはさみます。また、Visual Studio Code では M_PI 定数を使用するために _USE_MATH_DEFINES を定義する必要があるようです。

#define _USE_MATH_DEFINES

#include<stdio.h>
#include<math.h>

#define MIN 0.0
#define MAX 360.0
#define DIV 100

double function(double x)
{
    return sin(x);
}

double deg2rad(int deg)
{
    return deg * (M_PI / 180);
}

int main()
{
    FILE *fp;
    char *file_name = "surface.csv";

    double dx = (MAX - MIN) / DIV;
    double val[DIV];
    double surface;

    int i;
    for(i = 0; i < DIV; i++)
    {
        //三角関数の場合は弧度法に変換する関数をはさむ
        val[i] = function(deg2rad(MIN + i * dx)) * dx;
        surface += val[i];
    }
    
    fp = fopen(file_name, "w");
    if(fp == NULL)
    {
        printf("file could not be opened.");
        return -1;
    }

    for(i = 0; i < DIV; i++)
    {
        fprintf(fp, "%lf,", MIN + i * dx);
        fprintf(fp, "%lf", val[i]);
        fprintf(fp, "\n");
    }

    fclose(fp);

    printf("surface = %lf", surface);
    return 0;
}

3. 実行結果

3.1 二次関数

まずは1番目の実装例である二次関数のCSVデータを Ngraph を用いてグラフ化したものです。積分区間は [-5, 5]、分割数は 100 です。

f:id:takunology:20210914143337p:plain

3.2 Sin 関数

次に、2番目の実装例である Sin 関数をグラフ化したものです。積分区間は [0, 360] ([0, 2 $\pi$ ])、分割数は 100 です。

f:id:takunology:20210914143927p:plain

3.3 分割数を変えたときの変化

DIV の定義部分を 10, 50, 100, 200, 500 と変えていったときの違いです。短冊の分割数を多くするほど、精度は良くなります。

関数は

$\displaystyle{ 2x^3 - 2x^2 + 3x }$

で積分区間は [-3, 5] です。

【分割数 10 / 面積 89.28】

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【分割数 50 / 面積 185.8432】

f:id:takunology:20210914145138p:plain

【分割数 100 / 面積 198.2208】

f:id:takunology:20210914144718p:plain

【分割数 200 / 面積 204.4352】

f:id:takunology:20210914145338p:plain

【分割数 500 / 面積 208.172032】

f:id:takunology:20210914145510p:plain

ちなみに、Wolfram Alpha で計算すると面積は約 210.67 になるので、もっと分割数を増やせばこの値になります。

ぜひ、いろんな関数で試してみてください！

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