Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лекция3

.pdf
Скачиваний:
17
Добавлен:
14.03.2016
Размер:
766.02 Кб
Скачать

ЛЕКЦИЯ 3

Численное интегрирование Численное дифференцирование

Численное интегрирование

Дано: таблица значений функции

 

x

x0

x1

 

 

x2

 

..

 

xN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

f0

f1

 

 

f2

 

..

 

fN

a x i b, i=0, 1,..., N;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найти:

 

 

b

x dx

 

 

 

 

 

I

f

 

 

a

Геометрический смысл определенного интеграла

y

y= f(x)

 

a

b

x

1. Формулы прямоугольников

1.На каждом участке подинтегральную функцию заменяем константой

2.Площадь криволинейной области заменяется на сумму площадей прямоугольников

 

fi-1

 

 

f1

 

f0

 

 

x0 x1

xi-1 xi

x

 

 

N

А. Формула левых прямоугольников

I (x1 x0 ) f 0 (x2 x1 ) f 1 .. (xN xN 1 ) f N 1

N

 

 

 

fi 1 (xi xi 1 )

 

 

 

i 1

 

 

 

Если расстояние между

 

N

N 1

 

I h fi 1

h fi

узлами равное: h xi

xi 1

 

 

i 1

i 0

1. Формулы прямоугольников

В. Формула правых прямоугольников

 

fi

x0

xi-1 xi

I (x1 x0 ) f 1 (x2 x1 ) f 2 .. (xN xN 1 ) f N

N

 

 

fi (xi xi 1 )

 

 

 

 

i 1

 

N

Если расстояние между

 

I h fi

узлами равное: h xi

xi1

 

 

i 1

 

 

 

1. Формулы прямоугольников

С. Формула средних прямоугольников

 

 

fi-1/2

 

x0

 

xi-1 xi

 

I (x1 x0 ) f 1/ 2 (x2 x1 ) f3/ 2 .. (xN xN 1 ) f N 1/ 2

N

 

 

 

fi 1/ 2 (xi xi 1 ),

г де fi 1/ 2 f (xi h / 2)

i 1

 

 

 

Если расстояние между

N

I h f (xi 1/ 2 )

узлами равное:

h

xi xi1

 

 

 

i 1

Решение в MathCAD

g(x) sin(x)

a 0

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g(x) dx cos (x)

 

 

I cos (b) cos (a) 1

 

g(x) dx 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lev_pryam(a b N g)

 

h

 

(b a)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

for

i 0 N

 

 

 

 

 

 

 

 

xi a h i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

i

g x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

S 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

for

i 1 N

 

 

 

 

 

 

 

S S fi

 

 

 

 

 

 

S S h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lev_pryam(a b 10 g) I 0.076

lev_pryam(a b 20 g) I 0.039

 

lev_pryam(a b 40 g) I 0.02

 

 

 

 

 

2. Формула трапеций

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fi+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fi

 

 

 

 

 

 

 

 

1. На каждом участке

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fi-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

подинтегральную функцию

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

заменяем прямой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Площадь криволинейной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

x

i-1

x

i

xi+1

xN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

области заменяется на сумму

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

площадей трапеций

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

( f 0 f1 )

(x x )

( f 1 f2 )

 

(x

 

x ) ..

( f N 1 fN )

(x

 

 

x

N 1

)

 

 

 

 

 

 

 

2

 

N

2

 

 

1

0

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если расстояние между узлами равное,

 

 

 

 

h xi

xi 1

 

 

I

h

( f

 

f f f

 

f

 

 

f

 

 

.. f

 

 

 

f

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

2

2

3

 

n 1

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h

( f

 

 

2 f 2 f

 

2 f

 

 

.. 2 f

 

 

 

f

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

2

3

n 1

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

0 fn

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h(

 

fi )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

i

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 1

Вычислить интеграл от таблично заданной функции с помощью метода трапеций

x

0

0.2

0.3

0.5

0.7

0.9

1

f

0.3

0.7

0.5

0.6

0.4

0.2

0

Шаг непостоянный, поэтому необходимо рассчитать площади трапеций на каждом локальном интервале, а затем сложить их.

 

0.3 0.7

0.2

0.7 0.5

0.1

0.5

0.6

0.2

2

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

0.6 0.4

0.2

 

0.4 0.2

0.2

 

0.2 0

0.1

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.44

Решение в MathCAD

trap (a b N g)

h

 

(b a)

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

for

i 0 N

 

 

 

xi a h i

 

 

 

 

f

i

g x

 

 

 

 

 

 

 

 

i

S f0 fN 2

for i 1 N 1 S S fi

S S h S

trap (a b 10 g) I 2.057

3

trap (a b 20 g) I 5.141

10 4

10

 

 

trap (a b 40 g) I 1.285 10 4

3. Формула Симпсона (парабол)

На каждом участке

 

 

 

 

 

 

 

Если N - четное, h=xi-xi-1, то

 

 

 

подинтегральную функцию

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xi 1

f x

dx

h

fi 1 4 fi fi 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

заменяем полиномом второй

 

 

 

 

степени (параболой)

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

xi 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

f x dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

4 f

 

f

 

 

f

 

4 f

 

f

 

... f

 

 

4 f

 

f

 

 

 

3

 

0

1

2

 

2

3

4

N 2

N 1

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N / 2

 

 

 

 

 

h

f

 

 

4 f

 

 

2 f

 

4 f

 

...4 f

 

 

f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

0

1

2

3

N 1

N