Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
1 курс 2 семестр (книга №2).pdf
Скачиваний:
111
Добавлен:
16.12.2013
Размер:
2.03 Mб
Скачать

2.4.2.12. Доказать, что определяющий гамма функцию интеграл Γ(s)= xs1ex 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

1x2

 

§ 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

; ex2 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(bna)(y1 + y3 +K+ yn1 ) .

a

2.Формула трапеций:

 

 

b

 

 

 

 

b a y

+ y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x)dx

 

 

 

0

 

 

n

+ y1 +K+ yn1

.

 

 

 

 

 

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

n1

2

4

n2

 

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 = |21,3321,12| = 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 =|21,3321,44|=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