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シンプソン則とは?

しんぷそんそく

シンプソン則とは、曲線で囲まれた面積を2次関数(放物線)で近似して数値積分する手法で、精度の高い数値計算法です。

シンプソン則(Simpson's rule)は、数値積分の代表的な手法のひとつです。定積分 ∫f(x)dx の値を、関数 f(x) の値から数値的に近似計算する方法で、イギリス数学者トーマス・シンプソン(1710〜1761)にちなんで名付けられています(ただし手法自体はそれ以前から知られていました)。

基本的な考え方は、積分区間を偶数個の小区間に分割し、それぞれの区間を2次多項式(放物線)で近似することです。台形則(直線で近似)よりも高次の多項式を使うため、一般に精度が高くなります。公式は次のように表されます。

区間 [a, b] を n(偶数)等分し、各分点を x₀, x₁, …, xₙ としたとき:
∫≈(h/3)[f(x₀) + 4f(x₁) + 2f(x₂) + 4f(x₃) + … + 4f(xₙ₋₁) + f(xₙ)]
(h = (b−a)/n)

係数が「1, 4, 2, 4, 2, …, 4, 1」と交互に現れるパターンが特徴です。シンプソン則の誤差は区間幅 h の4乗に比例するため、区間を細かくするほど急速に精度が向上します。

工学・物理・統計など幅広い分野で活用されており、解析的に積分できない複雑な関数を扱う場面や、実験データから面積を求める場面で特に有用です。

使い方・例文

「測量データから土地の面積を求めるために、シンプソン則を使って数値積分を行った」のように、工学や理科の計算場面で登場します。

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