Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Информатика. Практикум (2-й семестр).doc
Скачиваний:
50
Добавлен:
10.02.2016
Размер:
1.06 Mб
Скачать

Численное интегрирование

Геометрическое истолкование определенного интеграла: интеграл численно равен площади, покрываемой ординатами графика f(x), т.е. площади криволинейной трапеции, ограниченной осью абсцисс, отрезками прямой x = a, x = b и графиком подынтегральной функции.

,

где F первообразная.

Если первообразную найти сложно или невозможно, а также, если f(x) задана таблично или графиком, применяется численное интегрирование.

Формула прямоугольников

Промежуток интегрирования [a, b] делим точками x1, x2, ..., xn-1 на n равных частей; длина каждой

h = ( b - a) / n .

Т.е.x0 = a , xn = b, xi = a + i h, i = 0, 1, ..., n-1.

Пустьy 0 = f(x0), y i = f(xi), ... , y n = f(xn).

I ≈ (b - a) f(a) – формула левых прямоугольников

I ≈ (b - a) f(b ) - формула правых прямоугольников.

(3.1)

(3.2)

Выражения (3.1), (3.2) дают площади ступенчатых фигур.

Точность формул увеличивается с увеличением промежутков разбиения n.

Предельная абсолютная погрешность (3.3)

Формула трапеций

Промежуток интегрирования[a, b] делим точками x1, x2, ..., xn-1 на n равных частей; длина каждой (3.4)

Т.е. координаты узловых точек промежутков

x0 = a ,

xi = a + i h, i = 0,1, ..., n - 1 , (3.5)

xn = b

Соответственно, значения подынтегральной функции в этих точках

y 0 = f(x0),

y i = f(xi), ... , i = 0,1, ..., n - 1 , (3.6)

y n = f(xn).

–формула площади прямолинейной трапеций

(3.7)

Выражение (3.7) дает общую площадь трапеций.

Предельная абсолютная погрешность (3.8)

Формула Симпсона (параболических трапеций)

Вершины трех соседних точек соединяются дугой квадратной параболы.

Формула площади параболической трапеций

, где

Промежуток интегрирования [a, b] делим точками x1, x2, ..., x2n-1 на 2n равных частей;

длина каждой (3.9)

Т.е. координаты узловых точек промежутков

x0 = a ,

xi = a + i h, i = 0,1, ..., 2n - 1, (3.10)

x2n = b

Соответственно, значения подынтегральной функции в этих точках

y 0 = f (x0),

y i = f (xi), ... , i = 0,1, ..., 2n - 1 , (3.11)

y 2n = f (x2n).

, (3.12)

где с = .

Формула (3.12) дает точные результаты для полиномов не выше 3-ей степени.

Предельная абсолютная погрешность (3.13)

Рекомендации по выполнению задания

  1. Нахождение численного значения определенного интеграла (метод Симпсона)

В соответствии с номером варианта N выбирается интеграл, метод решения и число n.

Промежуток интегрирования разбивается на n или 2n равных промежутков по формулам (3.4) или (3.9) в зависимости от метода.

Определяются координаты узловых точек промежутков по формулам (3.5) или (3.10) и значения подынтегральной функции в этих точках по формулам (3.6) или (3.11).

Численное значение определенного интеграла вычисляется по формулам (3.7) или (3.12).

График подынтегральной функции строится на основании данных xi и y i.

  1. Нахождение численного значения определенного интеграла методом Симпсона с помощью электронных таблиц EXCEL

А

B

C

D

E

F

G

H

i

1

 

 

Численное интегрирование методом Симпсона

2

 

 

 

 

Подынтегральная функция

a

b

n

h

3

 

 

 

 

y = π + sin(x2 )

0

1,57

6

0,1308

4

 

i

xi

yi

Численное значение интеграла

 

 

 

 

5

 

0

0

3,140

 

 

 

 

6

 

1

0,1308

3,157

 

 

 

 

7

 

2

0,2617

3,208

 

 

 

 

8

 

3

0,3925

3,293

5,7689

 

 

 

 

9

 

4

0,5233

3,410

 

 

 

 

10

 

5

0,6542

3,555

 

 

 

 

11

 

6

0,7850

3,718

 

 

 

 

12

 

7

0,9158

3,884

 

 

 

 

13

 

8

1,0467

4,029

 

 

 

 

14

 

9

1,1775

4,123

 

 

 

 

15

 

10

1,3083

4,130

 

 

 

 

 

16

 

11

1,4392

4,017

 

 

 

 

 

17

 

12

1,5700

3,766

 

 

 

 

 

Пояснения:

  1. В ячейки F3, G3, H3 введены исходные данные a, b и n, в ячейку i3 - значение h , вычисленное по формуле (3.9), т.е. = (G3 – F3) / (2*H3).

  2. В диапазоне С5 : С17 вычислены значения xi по формуле (3.10), т.е. в ячейку С5 введена формула = $F$3 + $i$3 * B5, затем с помощью приема автозаполнения эта формула распространена на остальные ячейки диапазона.

  3. В диапазоне D5 : D17 вычислены значения подынтегральной функции yi по формуле (3.11), т.е. в ячейку D 5 введена формула = Пи( ) + SIN (С5^2), затем эта формула распространена на остальные ячейки диапазона.

  4. В ячейке Е8 записана формула (3.12) определения численного значения определенного интеграла по методу Симпсона

=i3/3*(D5+D17+4*(D6+ D8+D10+D12+D14+D16)+2*(D7+D9+D11+D13+ D15)).

  1. На основании смежного диапазона С5 : D17 построена диаграмма категории «Точечная», на которой представлен график подынтегральной функции y = f(х) .

Примечание: расчет методом трапеций выполняется аналогично, по соответствующим формулам