[理学]数值分析-课件-第04章数值微积分.ppt

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[理学]数值分析-课件-第04章数值微积分

数 值 分 析 Numerical Analysis 机械与汽车工程学院 主讲人:孔胜利 kongsl@spu.edu.cn 2011-09-01 第4章 数值积分与数值微分 基本公式与一般概念 Newton-Cotes公式 复化求积公式 Romberg算法 高斯求积公式 数值微分 4.1基本公式与一般概念 实际问题中常常需要计算积分,例如重积分、线面积分等各种运算都以 定积分的计算为基础,而计算定积分的Newton-Leibniz公式要以存在初 等函数形式的原函数为前提,即在公式 中原函数为初等函数。但在许多场合无法在初等函数范围内求出原函数 ,例如,形式上很简单的积分 在初等函数范围内求不出原函数,则无法用Newton-Leibniz公式计算相 应的定积分。 基本公式与一般概念 数值微积分 用函数值的线性组合表示导数或者积分的近似值的计算方法。 几个基本公式 1. 矩形公式 由积分中值定理知:若 ,则 其中, 称为函数 在区间[a,b]上的平均值,几何上可解释为 在区间[a,b]上的平均高度。记区间[a,b]的中点坐标 ,并用 近似代替 ,便得到一个近似公式(矩形公式) 2. 梯形公式 用区间[a,b]两端点处函数的平均值近似代替 ,便得到其 近似公式 它在几何上表示用过两端点的直线代替曲线,用梯形面积近似代替 曲边梯形面积,因而称为梯形公式。 注:公式中用了2个端点处的函数值。 3. 抛物线公式 如果用过两端点a,b和中点 的抛物线来代替被积函数,就可 得到抛物线公式 也称为simpson公式。 注:公式中用了3个节点处的函数值。 从几何意义上可看出,在通常情况下,抛物线公式的精度相对比较 高。 例题 分别用矩形公式、梯形公式和抛物线公式计算 ,并与精确值进行比较。 解 用矩形公式可得 用梯形公式可得 用抛物线公式可得 而准确值 习题 分别用矩形公式、梯形公式和抛物线公式计算 。 求积公式及其代数精度 上面的几个公式(矩形、梯形和抛物线公式)有个共同点,就是用 积分区间[a,b]内若干点的函数值的线性组合来计算积分的近似值, 而组合系数之和等于积分区间的长度。也就是说:用积分区间[a,b] 内若干点的函数值的加权平均值近似代替其平均值,而各点权数之 和等于1. 一般地,可以在积分区间内取n+1个互异的点 ,用函 数值 的加权平均近似代替 ,即 从而 上述函数值的线性组合称为求积公式, 称为求积节 点, 称为求积系数。 构造求积公式的关键在于按照一定的原则和要求确定满足条件的节 点 和求积系数 。 数值求积方法是近似方法,为保证精度,自然希望求积公式能对“尽 可能多”的函数准确成立,这就提出了所谓代数精度的概念。 表示方法:积分—I[f];求积公式—Q[f] 定义 如果某个求积公式对于次数不超过m的多项式均能准确地成立, 但对于m+1次多项式就不准确成立,则称该求积公式具有m次代数精度。 一般地,欲使求积公式 具有m次代数精度,只要 令它对于 都能准确成立,这就要求 插值型的求积公式 设给定一组节点 ,且已知函数f(x)在这些 节点上的值,做插值函数 。由于代数多项式 的原函数是容 易求出的,我们取 作为积分 的近似值,这样构造出的求积公式 称为是插值型的,式中求积系数通过 插值基函数积分得出 4.2 Newton-Cotes公式 Newton-Cotes公式是等距节点情况下的插值型求积公式。 公式的形式与Cotes系数 将积分区间[a,b]划分为n等分,步长 ,则n+1个等距节点 用n次Lagrange插值多项式 近似代替积分函数中的被积函数f(x),则插值型的求积公式可表示成 其中,系数 称为Cotes系数,并满足关系 当选定n后,计算出系数后代入多项式即可。 例如,当 ,则 求积公式即为梯形公式 当n=2时,则 求积公式即为Simpson公式 当n=4时,则可得出 式中, 这个公式称

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