1.3 Результат численного интегрирования

Результат численного интегрирования – это не точное, а приближенное значение интеграла, определенное с погрешностью, которая зависит от встроенной константы TOL. Чем она меньше, тем с лучшей точностью будет найден интеграл, но и больше времени будет затрачено на расчеты. По умолчанию TOL = 0.001. Чтобы ускорить вычисления, можно установить меньшее значение TOL. Кроме того, пользователь имеет возможность выбирать сам алгоритм численного интегрирования. Для этого необходимо:

1. 1.       Щелкнуть правой кнопкой мыши в любом месте на левой части вычисляемого интеграла.

2. 2.       В появившемся контекстном меню выбрать один из четырех численных алгоритмов.

При этом возможны четыре численных метода интегрирования (рисунок 4):

•  Romberg – для большинства функций, не содержащих особенностей;

•  Adaptive – для функций, быстро меняющихся на интервале интегрирования;

•  Infinite Limit – для интервалов с бесконечными пределами;

•  Singular Endpoint – для интегралов с сингулярностью на конце. Модифицированный алгоритм Ромберга для функций, не определенных на одном или обоих концах интервала интегрирования.

Рисунок 5. Выбор алгоритма численного интегрирования

Обратите внимание, что, перед тем как один из алгоритмов выбран впервые, как показано на рисунке 2, флажок проверки в контекстном меню установлен возле пункта AutoSelect (Автоматический выбор). Это означает, что алгоритм определяется Mathcad, исходя из анализа пределов интегрирования и особенностей подынтегральной функции. Как только один из алгоритмов выбран, этот флажок сбрасывается, а избранный алгоритм отмечается точкой.

Старайтесь все-таки оставить выбор численного метода за Mathcad, установив флажок AutoSelect (Автоматический выбор) в контекстном меню. Попробовать другой метод можно, например, чтобы сравнить результаты расчетов в специфических случаях, когда у Вас закрадываются сомнения в их правильности.

1.4 О расходящихся интегралах

Если интеграл расходится (равен бесконечности), то вычислительный процессор MathCAD может выдать сообщение об ошибке, выделив при этом оператор интегрирования красным цветом. Чаще всего ошибка будет иметь тип «Found a number with a magnitude greater than 10^307» (Найдено число, превышающее значение 10³⁰⁷) или «Can’t converge to a solution» (Не сходится к решению), как, например, при попытке вычислить интеграл . Тем не менее символьный процессор справляется с этим интегралом, совершенно правильно находя его бесконечное значение.

1.5 Кратные интегралы

Для вычисления кратного интеграла:

1. 1.      Вводится, как обычно, оператор интегрирования.

2. 2.      В соответствующих местозаполнителях вводится имя первой переменной интегрирования и пределы интегрирования по этой переменной.

3. 3.      На месте ввода подынтегральной функции вводится еще один оператор интегрирования.

4. 4.      Точно так же вводится вторая переменная, пределы интегрирования и подынтегральная функция (если интеграл двукратный) или следующий оператор интегрирования (если более чем двукратный) и т.д., пока выражение с многократным интегралом не будет введено окончательно.

 

На рисунках 6, 7 приведены примеры символьного и численного расчета двукратного интеграла в бесконечных пределах. При этом символьный процессор вычисляет точное значение интеграла p, а вычислительный определяет его приближенно и выдает число 3.142.

 

Рисунок 6. Вычисление кратного интеграла
Рисунок 7. Символьное вычисление кратного интеграла

2. Применение интегралов для вычисления площадей и объемов геометрических тел

2.1 Вычисление площади фигуры в прямоугольных координатах

Площадь S плоской фигуры A₁A₂B₁B₂ (рисунок 8), ограниченной двумя непрерывными кривыми y=y₁(x) и y=y₂(x) (y₂(x)≥y₁(x)) и двумя прямыми x=a и x=b (a<b), равна

Рисунок 8. Схема вычисления площади фигуры, ограниченной двумя линиями

Пример 1. Вычислить площадь фигуры, ограниченной следующими кривыми:

Решение:

 

 

2.2 Вычисление объема тела вращения

Если криволинейная трапеция, ограниченная кривой y(x) и прямыми y = 0, x = a, x = b, вращается вокруг оси 0х, то объем тела вращения вычисляется по формуле:

Если фигура, ограниченная кривыми и прямыми x = a, x = b, вращается вокруг оси 0х, то объем тела вращения вычисляется АО формуле:

Пример 2. Вычислить объем тела вращения, ограниченного кривыми:

 

Решение:

2.3 Применение интегралов для вычисления длины дуги кривой

Пусть дуга AB задана уравнением y=f(x), где f(x) – функция, имеющая на отрезке [a; b] непрерывную производную.

Тогда длина дуги вычисляется по формуле:

Пример 3. Вычислить длину дуги данной линии:

Решение:

 

Примечание: Для изменения точности интегрирования, т. е. для увеличения (уменьшения) значащих цифр результата нужно изменить значение предопределенной переменной TOL. Интегрирование итерационный процесс, который прекращается, когда два последних значения итерации отличаются на величину меньшую, чем значение TOL.