# Simpson-Regel-Integrator (∫f(x)dx) Berechnet ∫ₐᵇ f(x)dx mit der zusammengesetzten Simpson-1/3-Regel (n gerade): S = h/3·(f(a) + 4Σungerade Knoten + 2Σgerade innere Knoten + f(b)), Fehler O(h⁴), exakt für Polynome vom Grad ≤ 3. Knotentabelle, Schätzung und optionaler Vergleich mit dem exakten Wert. Beispiele: ∫₀¹x²dx mit n=4 ergibt 0,333333 (exakt!); ∫₀¹e^(−x²)dx (ohne elementare Stammfunktion) mit n=10 ergibt 0,746825. > Kanonische Seite: https://elysiatools.com/de/tools/numerical-integration-simpson - **Kategorie:** Math & Numbers - **Schlagwörter:** simpson-regel, numerische integration, bestimmtes integral, integralrechner, quadratur, numerische verfahren, analysis ## Überblick Der Simpson-Regel-Integrator berechnet bestimmte Integrale mithilfe der zusammengesetzten Simpson-1/3-Regel für eine gerade Anzahl von Teilintervallen. Das Tool liefert eine detaillierte Knotentabelle mit Funktionsauswertungen und Gewichtungen, berechnet den Näherungswert mit einer Genauigkeit von O(h⁴) und vergleicht das Ergebnis bei Bedarf direkt mit einer angegebenen analytischen Stammfunktion. ## Eingaben - **Zu integrierende f(x)** (text): Integrand in x (functions: sin, cos, exp, ln, sqrt, …). - **Untergrenze a** (number): e.g. 0 - **Obergrenze b** (number): May be less than a (the integral flips sign, as in calculus). - **Teilintervalle n (gerade)** (number): Must be even. h = (b − a)/n; global error is O(h⁴) — halving h divides the error by ~16. - **Exakte Stammfunktion F(x) (optional)** (text): Exact antiderivative in x; the tool reports F(b) − F(a) and the absolute error. Leave empty to skip. - **Dezimalstellen** (number) ## Wann verwenden - Wenn eine mathematische Funktion wie die Gauß-Glockenkurve keine geschlossene, elementare Stammfunktion besitzt. - Wenn Näherungswerte und Fehlerabschätzungen für Übungsaufgaben der Numerik oder Analysis überprüft werden müssen. - Wenn ein schnelles Quadraturverfahren mit hoher Konvergenzrate O(h⁴) für glatte Funktionen benötigt wird. ## Funktionsweise - Das Integrationsintervall \[a, b\] wird in eine gerade Anzahl n von gleich breiten Teilintervallen mit der Schrittweite h = (b - a)/n unterteilt. - Die Funktion f(x) wird an allen Stützstellen x_i ausgewertet und gemäß der 1/3-Regel mit wechselnden Gewichten (1, 4, 2, ..., 4, 1) multipliziert. - Die gewichteten Funktionswerte werden aufsummiert und mit dem Faktor h/3 zum Simpson-Näherungswert skaliert. - Falls eine exakte Stammfunktion F(x) übergeben wurde, berechnet das Tool zusätzlich F(b) - F(a) sowie den absoluten Integrationsfehler. ## Anwendungsfälle - Numerische Bestimmung von Wahrscheinlichkeitsdichten und Verteilungsfunktionen ohne geschlossene Stammfunktion. - Verifikation von manuellen Integrationsschritten und Knotengewichtungen im universitären Mathematikunterricht. - Berechnung physikalischer und technischer Kenngrößen wie Flächen, Schwerpunkte oder Arbeitsintegrale. ## Häufig gestellte Fragen ### Warum muss die Anzahl der Teilintervalle n eine gerade Zahl sein? Die Simpson-1/3-Regel approximiert den Integranden paarweise über jeweils zwei benachbarte Intervalle durch Parabeln, weshalb n zwingend durch 2 teilbar sein muss. ### Für welche Funktionen liefert die Simpson-Regel ein exaktes Ergebnis? Aufgrund von Symmetrieeigenschaften ist das Verfahren für alle Polynome bis einschließlich Grad 3 theoretisch exakt. ### Welche mathematischen Funktionen können im Integranden verwendet werden? Gängige Standardausdrücke wie Potenzen, sin, cos, exp, ln und sqrt werden unterstützt. ### Was passiert, wenn die Obergrenze b kleiner ist als die Untergrenze a? Das Vorzeichen der Schrittweite h und damit des gesamten Integrals kehrt sich regelkonform um. ### Wie skaliert die Fehlerreduktion bei Erhöhung von n? Da die globale Fehlerordnung O(h⁴) beträgt, führt eine Halbierung der Schrittweite (Verdopplung von n) näherungsweise zu einer Sechzehntelung des Fehlers. ## Ähnliche Tools - [Löser für DGL 1. Ordnung (Variablentrennung)](https://elysiatools.com/de/tools/first-order-ode-solver): Löst dy/dx = g(x)·h(y) durch Variablentrennung: trennen, gliedweise integrieren zu H(y) = G(x) + C und, wenn möglich, nach y auflösen. Unterstützt eintermige h(y) (y, y^n, e^(ky), ky+m) und per Partialbruchzerlegung behandelbare quadratische Polynome (etwa die logistische Gleichung y(1−y)); mit Anfangsbedingung y(x₀)=y₀ wird C berechnet und Gleichgewichtslösungen erkannt. Beispiel: dy/dx = 2x·y → y = e^(x²+C). - [Newton-Raphson-Nullstellenrechner](https://elysiatools.com/de/tools/newton-raphson-root-finder): Löst f(x) = 0 mit der Newton-Raphson-Iteration x_{k+1} = x_k − f(x_k)/f'(x_k): Die Ableitung kann analytisch angegeben werden (bleibt das Feld leer, wird eine numerische zentrale Differenz verwendet); ausgegeben werden die Iterationstabelle (x_k und f(x_k)), das Abbruchkriterium (|f| < Toleranz oder |Δx| < Toleranz·max(1,|x|)), die Iterationszahl und das endgültige |f(Wurzel)|. Klassiker: x²−2 konvergiert von x₀=1 in 4 Schritten gegen √2 ≈ 1.4142135624; cos(x)−x konvergiert gegen die Dottie-Zahl 0.7390851332. Nullableitung, divergierende Schritte oder das Überschreiten des Iterationslimits werden explizit gemeldet. - [Trapezregel-Integrator (∫f(x)dx)](https://elysiatools.com/de/tools/numerical-integration-trapezoid): Berechnet ∫ₐᵇ f(x)dx mit der zusammengesetzten Trapezregel: T = h/2·(f(a) + 2Σf(xᵢ) + f(b)), mit Knotentabelle, Integral-Schätzung und optionalem Vergleich mit exaktem Wert und absolutem Fehler; Fehler O(h²) (exakt für lineare Funktionen). Beispiel: ∫₀¹x²dx mit n=4 ergibt 0,34375 gegenüber exakt 1/3, Fehler 0,010417. - [Numerischer Löser Runge-Kutta 4. Ordnung (RK4)](https://elysiatools.com/de/tools/runge-kutta-rk4-solver): Löst dy/dx = f(x,y), y(x₀)=y₀ mit dem klassischen Runge-Kutta-Verfahren 4. Ordnung: pro Schritt werden vier Steigungen k1–k4 berechnet und y_{n+1} = y_n + h/6·(k1+2k2+2k3+k4) aktualisiert; globaler Fehler O(h⁴) — halbiertes h teilt den Fehler ungefähr durch 16. Liefert die Schrittabelle, die k1–k4-Werte der ersten Schritte und die Endschätzung; die optionale exakte Lösung y(x) ergibt eine Fehlerspalte. Beispiel: dy/dx = y, y(0)=1, h=0,1 → y(1) ≈ 2,718282, fast exakt e. - [Reihenkonvergenz-Tester (Quotienten-/Wurzel-/Integral-/Vergleichskriterium)](https://elysiatools.com/de/tools/series-convergence-tester): Untersucht die Konvergenz der Reihe Σ aₙ (aₙ als Ausdruck von n): nacheinander werden das Notwendigkeitskriterium (aₙ → 0?), das Quotientenkriterium L = |aₙ₊₁/aₙ|, das Wurzelkriterium ρ = |aₙ|^(1/n), der Vergleich mit p-Reihen (p = −ln|a(N)|/ln N) und das Integralkriterium (numerisches Simpson + Dekaden-Wachstumsvergleich) angewendet; alternierende Reihen werden automatisch erkannt und per Leibniz-Kriterium klassifiziert, und für konvergente Reihen wird die Summe geschätzt (Partialsumme + geometrischer oder potenzgesetzlicher Rest). Klassiker: Σ1/n² konvergiert (p≈2, Summe≈1.6449); Σ1/n divergiert (harmonisch); Σ0.5ⁿ konvergiert; Σcos(πn)/n konvergiert bedingt (Summe≈−ln2). - [Faltungsintegral-Rechner (numerisch)](https://elysiatools.com/de/tools/convolution-integral-calculator): Berechnet numerisch die Faltung zweier Signale (f*g)(t) = ∫ f(τ)g(t−τ)dτ: Kausalmodus (beide Signale null für t<0, Integral über \[max(τmin,0), min(τmax,t)\] — passend zu Laplace-Bereichsprodukten) und direkter Fenstermodus (Integral über das gesamte \[τmin, τmax\] — passend zu beidseitigen Signalen wie Gaußkurven), mittels zusammengesetzter Simpson-Regel (standardmäßig 2000 Intervalle). Klassiker: e^(−t)*e^(−2t) = e^(−t)−e^(−2t), bei t=1 gleich 0.2325; zwei Gaußkurven falten sich zu √(π/2)·e^(−t²/2). - [Numerischer Löser mit Euler-Verfahren (DGL 1. Ordnung)](https://elysiatools.com/de/tools/euler-method-solver): Löst das Anfangswertproblem dy/dx = f(x,y), y(x₀)=y₀ mit dem expliziten Euler-Verfahren: y_{n+1} = y_n + h·f(x_n, y_n), mit Schrittabelle und Endschätzung. Die optionale exakte Lösung y(x) ergibt eine Fehlerspalte, die den globalen Fehler O(h) der Methode 1. Ordnung zeigt. Beispiel: dy/dx = y, y(0)=1, h=0,1 → y(1) ≈ 1,1¹⁰ = 2,593742 gegenüber e = 2,718282 (Fehler 0,124539). - [Fitness-Workout-PDF-Generator](https://elysiatools.com/de/tools/fitness-workout-pdf-generator): Erstellt einen druckbaren Trainingsplan als PDF aus JSON oder CSV mit Tabellen, Fortschrittsfeldern und optionalen QR-Codes ## Beispiele - [Web Python Bildverarbeitung Beispiele](https://elysiatools.com/de/samples/web-image-processing-python): Web Python Bildverarbeitungsbeispiele mit PIL/Pillow einschließlich Lesen, Speichern, Skalieren und Formatkonvertierung - [Android Java Bildverarbeitungsbeispiele](https://elysiatools.com/de/samples/android-image-processing-java): Android Java Bildverarbeitungsbeispiele einschließlich Lesen/Schreiben, Skalierung und Formatkonvertierung - [Android Kotlin Bildverarbeitungsbeispiele](https://elysiatools.com/de/samples/android-image-processing-kotlin): Android Kotlin Bildverarbeitungsbeispiele einschließlich Lesen/Schreiben, Skalierung und Formatkonvertierung - [Web Rust Bildverarbeitungsbeispiele](https://elysiatools.com/de/samples/web-image-processing-rust): Web Rust Bildverarbeitungsbeispiele einschließlich Lesen/Schreiben, Skalierung und Formatkonvertierung ## Verwandte Inhalte - [Tools fur Audio-Encoding und Formatkonvertierung](https://elysiatools.com/de/hubs/audio-convert): Vergleiche Audioformat-Konvertierung, Bitratenanderungen, Abtastraten-Konvertierung, Codec-Wechsel und Export-Tools in einem Hub. - [Tools fur Bildformat-Konvertierung und animierten Export](https://elysiatools.com/de/hubs/image-convert): Vergleiche Bildkonverter fur JPG, PNG, GIF, AVIF, WebP, TIFF, ICO, base64 und animationsgeeignete Exporte in einem Hub. - [Tools fur JSON-Austausch und Format-Ubersetzung](https://elysiatools.com/de/hubs/json-convert): Vergleiche JSON-Konvertierungswerkzeuge fur CSV, YAML, TOML, GraphQL, XML, Markdown, Excel, BSON, EDN und ahnliche strukturierte Formate in einem Hub. - [Farbraum-Konvertierung fur Web und Druck](https://elysiatools.com/de/hubs/design-convert): Gebundelte Werkzeuge fur Farbraum-Konvertierung zwischen Web und Druck in einem Hub.