- •МАТЕМАТИКА ДЛЯ ЭКОНОМИСТОВ
- •Глава 1
- •Неопределенный интеграл
- •§ 1.4. Интегрирование некоторых классов функций
- •Глава 2
- •Определенный интеграл
- •§ 2.1. Определение и свойства
- •§ 2.2. Методы интегрирования
- •§ 2.4. Несобственные интегралы
- •§ 2.5. Приближенное вычисление интегралов
- •Глава 3
- •Двойной интеграл
- •§ 3.2. Замена переменных в двойном интеграле
- •Ответы к упражнениям
- •Глава 1
- •§ 1.2. Замена переменной
- •§ 1.3. Интегрирование по частям
- •§ 1.4. Интегрирование некоторых классов функций
- •Глава 2
- •§ 2.1. Определение и свойства
- •§ 2.4. Несобственные интегралы
- •§ 2.5. Численное интегрирование
- •Глава 3
- •§ 3.2. Замена переменных в двойном интеграле
- •§ 3.3. Несобственные кратные интегралы
2.4.2.12. Доказать, что определяющий гамма функцию интеграл Γ(s)= ∞∫xs−1e−x dx сходится при s > 0 и
0
проверить следующие свойства: а) Г(s + 1) =sГ(s); б) Г(n + 1) = n!
2.4.2.13. Дайте определение несобственного интеграла от неограниченной функции. Сходится ли интеграл
∫1 dx ? Ответ обоснуйте.
0 x
2.4.2.14. Дайте определение несобственного интеграла от неограниченной функции. Сходится ли интеграл
1 |
dx |
? Ответ обоснуйте. |
∫ |
||
0 |
1− x2 |
|
§ 2.5. Приближенное вычисление интегралов
Приближенное вычисление интегралов применяют обычно в тех случаях, когда точное вычисление искомого интеграла сопряжено с трудностями, а для практических целей достаточно знать его приближенное значение, или когда первообразная не является элементарной функцией. Укажем несколько примеров неопределенных интегралов такого вида:
∫ sin x dx; ∫ |
cos x dx; ∫ |
dx |
; ∫e−x2 dx; ∫sin x2dx; ∫ |
ex |
dx; ∫ xtgxdx; ∫ sin xdx |
x |
x |
ln x |
|
x |
|
и т.д.
Наиболее распространенными являются следующие формулы численного интегрирования. В приведенных ниже формулах приняты следующие обозначения:
n − число равных отрезков, на которые разбивают отрезок интегрирования [a, b], в формулах прямоугольников и Симпсона n − четное число;
y0, y1, …, yn − значения функции f(x) соответственно в точках деления x0 = a, x1, …, xn = b.
1.Формула прямоугольников:
∫b f (x)dx ≈ 2(bn− a)(y1 + y3 +K+ yn−1 ) .
a
2.Формула трапеций:
|
|
b |
|
|
|
|
b − a y |
+ y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
∫ f (x)dx |
≈ |
|
|
|
0 |
|
|
n |
+ y1 +K+ yn−1 |
. |
|
|
|
|
||||||||
|
n |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
3. Формула Симпсона (парабол): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
b |
f (x)dx ≈ |
b − a |
[y |
|
+ y |
|
+ 4(y + y |
|
+K+ y |
|
)+ 2(y |
|
+ y |
|
+K+ y |
|
)]. |
|||||||
∫ |
|
0 |
n |
3 |
n−1 |
2 |
4 |
n−2 |
||||||||||||||||
|
6n |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Из приведенных формул наиболее точной является формула Симпсона.
Примеры
4
1. Найти приближенно интеграл ∫x2dx , применяя формулы прямоугольников и трапеций при n = 10.
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
Р е ш е н и е . Точное значение данного интеграла находим по формуле Ньютона–Лейбница: |
|||||||
4 |
|
x |
3 |
|
|
4 |
64 |
|
|
|
|
||||||
∫x2dx = |
|
|
|
= |
≈ 21,33 . Для приближенного вычисления интеграла по первым двум формулам находим |
|||
|
|
|
||||||
0 |
3 |
|
|
0 |
3 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
абсциссы точек деления и соответствующие значения функции:
|
|
∆x = |
b − a |
= 0,4; xi |
= i ∆x = 0,4i; yi |
= xi2 , i = 0, 1,K, 10 . |
|
|||||||
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
0 |
1 |
|
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
7 |
8 |
9 |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xi |
0 |
0,4 |
|
0,8 |
1,2 |
1,6 |
2,0 |
2,4 |
|
2,8 |
3,2 |
3,6 |
4,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
yi |
0 |
0,16 |
0,64 |
1,44 |
2,56 |
4,0 |
5,76 |
|
7,84 |
10,24 |
12,96 |
16 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4
∫ x2dx ≈ 0,8(0,16 +1,44 + 4 +7,84 +12,96)= 21,12 – по формуле прямоугольников.
0
Первая формула дает результат с недостатком, абсолютная погрешность ∆ = |21,33−21,12| = 0,21, а
относительная погрешность δ = 210,,2133 100% = 0,98% .
По формуле трапеций имеем:
4 |
2 |
0 +16 |
|
|
|
||
∫x |
dx ≈ ≈ 0,4 |
|
+0,16 +0,64 +1,44 +2,56 +4 +5,76 +7,84 +10,24 +12,96 |
|
= = 21,44 . |
||
2 |
|||||||
0 |
|
|
|
|
|
В этом случае ∆=|21,33−21,44|=0,11, а δ = 210,11,33 100% = 0,51% . Точность достаточна для большинства
расчетов.
2. Для нахождения затрат на строительство плотины требуется найти площадь поперечного сечения реки в выбранном для работы месте. Ширина реки равна 20 м, промеры глубины в поперечном сечении через каждые 2 м приведены в следующей таблице:
xi |
0 |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
14 |
16 |
18 |
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
yi |
0,2 |
0,5 |
0,9 |
1,1 |
1,3 |
1,7 |
2,1 |
1,5 |
1,1 |
0,6 |
0,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x − расстояние в метрах от одного из берегов, y − соответствующая глубина реки в метрах.
Р е ш е н и е . Точное значение площади поперечного сечения реки является интегралом от функции профиля дна реки, про которую нам известны только вышеуказанные значения. Найдем его приближенное значение по формуле трапеций:
0,2 +0,2 |
|
|
|
|
|
= 22(м |
2 |
). |
|
S = 2 |
|
+0,5 +0,9 |
+1,1+1,3 +1,7 |
+ 2,1+1,5 |
+1,1 |
+0,6 |
|
||
2 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По формуле Симпсона:
S = 23 [0,2 + 0,2 + 4(0,5 +1,1 +1,7 +1,5 + 0,6)+ 2(0,9 +1,3 + 2,1 +1,1)]= 22,93(м2 )
Результаты очень близкие, но о точности их говорить не приходится, т.к. мы не знаем точный профиль реки.
Упражнения
Найти интегралы с точностью до 0,001, применяя формулы: а) прямоугольников, б) трапеций, в) Симпсона. Сравнить полученный результат с точным значением интеграла, найти абсолютную и относительную погрешность:
|
π |
|
|
|
|
2.5.1. |
∫sin xdx (n = 6). |
||||
|
0 |
|
|
|
|
2.5.3. |
6 |
|
x2 |
+9dx (n = 10). |
|
∫ |
|
||||
|
−4 |
|
|
|
|
2.5.5. |
2 |
1 |
+ 2 |
x dx (n = 6). |
|
∫ |
|||||
2.5.7. |
1 |
|
x |
|
(n = 6). |
∫ |
|
dx |
|
||
|
4 |
|
|
|
|
|
0 1+ |
x |
|
1 dx
2.5.2. ∫0 1+ x (n = 10).
2 dx
2.5.4. ∫1 x (n = 10).
3
2.5.6. ∫ x +1dx (n = 6).
1