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数模培训_数值积分
数值积分
实验目的:
1.了解数值积分的基本原理;
2.熟练掌握数值积分的MATLAB实现;
3.会用积分方法解决一些实际问题。
实验内容:
在实验11中介绍了微积分中两种常用的处理问题的方法:局部线性化和局部均匀化。前者用于定义函数在一点的导数,而后者则用于定义函数在一个区间上的积分。
所谓局部均匀化是指在局部以均匀分布代替非均匀分布,求出所求量的局部近似值,然后累加求和得所求总体的近似值,最后通过取极限得到所求量的精确表达式。在上述处理过程中,如果将其中的极限过程去掉,则相应的方法称为数值积分。
在实践中,函数大都是以列表形式出现的,不能直接用来积分,此外有些函数虽然有解析式,但其原函数不是初等函数,如,无法计算积分的解析解,此时可考虑用数值积分计算其积分的近似值。
12.1 数值积分的基本原理
用数值方法计算定积分的基本思想同数值微分一样,即用逼近多项式近似地代替被积函数,然后计算积分,此积分最终可归结为函数在节点上的函数值的某种线性组合,于是有下面数值求积公式:
或 (12.1)
(12.2)
其中为截断误差。
构造数值求积公式的方法很多,常用的是利用插值多项式构造数值积分公式。
12.1.1 梯形公式和辛普森公式
设在上,且为单调递增函数,则定积分表示曲边梯形的面积,如图12.1。
图12.1 定积分的矩形公式和梯形公式示意图
将区间等分,记积分步长为。记
,则在小区间上用矩形面积近似代替相应曲边梯形的面积,可得下面求积公式
(12.3)
(12.4)
其中(12.3)式所用矩形的高为小区间左端点对应函数值,故所求面积偏小,而(12.4)式所用矩形的高为小区间右端点对应函数值,故所求面积偏大。显然将二者平均所得近似面积误差更小,于是将二者平均即得梯形公式
(12.5)
为提高精度可用分段二次插值函数代替函数。由于每段要用到相邻两个小区间端点的三个函数值,因此小区间的数目必须是偶数,记。在第段的两个小区间上用三个节点作二次插值函数,然后积分可得
将段求和即得(复化)辛普森(Simpson)求积公式
(12.6)
可以证明,梯形公式(12.5)是2阶收敛的,其代数精度为1;辛普森公式(12.6)是4阶收敛的,其代数精度为3。
梯形公式和辛普森公式的共同点是将积分区间等分,将分点作为插值节点,用分段插值多项式代替作积分,因而将节点数给定后,节点随即确定,所以构造求积公式只需确定(12.1)中的系数即可。这两种方法比较简单,但代数精度低,此不足可用高斯求积公式加以弥补。
12.1.2 高斯求积公式
Gauss求积公式与前两种方法不同,它先确定节点数,然后根据代数精度确定节点和系数,所以能使代数精度尽量高。
下面以为例介绍高斯求积公式的基本原理。
设,用计算,若对于都有,而当时,则称的代数精度为。
由于只有2个节点,所以若采用固定节点的方法则只能用梯形公式,其代数精度为1,而用下面方法则能将代数精度提高到3。
由于区间经过变量代换便可以化为,所以只需计算即可。下面构造形如
(12.7)
的求积公式,确定节点和系数使的代数精度尽量高。
由于需要确定4个参数,所以至少需要4个条件。欲使代数精度为3,则要求对,都满足
于是有
解之得,代入(10.12)式即得的高斯公式
当节点数增加时,精度也可以提高,个节点的高斯公式的代数精度可达。
12.2 符号积分的MATLAB实现
对于解析函数,MATLAB软件提供了相应的符号指令求解函数的不定积分和定积分,相应使用格式如下:
int(f,t) 函数f对符号变量t求不定积分 int(f,x,a,b) 函数f对符号变量x求从a到b的定积分 dblquad(@(x,y)f(x,y),x1,x2,y1,y2) 计算二重积分 quad2d(@(x
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