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数学实验报告一
摘要
本实验主要是求一个类似半球面、又具有一些其他变化规律的曲面,由于无法利用牛顿——莱布尼茨公式,因此我们考虑使用近似计算的方法。我们选择利用数值积分方法(simpson法)通过MATLAB软件自己编程计算,求出一个近似值。为了确保答案具有较高的准确性,我们又利用MATLAB中自带的积分命令直接计算,并比较了两次结果。两者的差距微小。
问题重述
建筑商人哈桑在对另一座伊斯兰建筑物顶部表面进行装饰时,他碰到的是一个类似半球面、然而于具有一些其他变化规律的曲面,哈桑这次仍要对该建筑物的顶部贴以金箔。我们可以确切地用球坐标表示该曲面方程,为
其中R=30(m)。(请考虑一下,这是怎样的一个曲面?)如果由技术和损耗的因素将使用料比实际面积多1.6%,那么装饰这个顶部至少需要多少金箔?试用数值方法和MATLAB中自带的积分命令分别求解这个问题,并将两种方法的结果进行比较。(注意:这里给出的曲面方程是参数形式的,因此首先需要弄清楚这种情况下曲面的计算式有什么变化。)
问题分析
本次实验所给问题中,要解决的是面积大小问题,必须求出表面积公式,我们才能继续编程计算。题中所给出的曲面方程是参数形式的,因此我们不能直接利用椭圆的表面积公式求解,利用数学分析求得最终曲面方程:
若空间曲面S由参量方程
(1)
确定,其中x(u,v),y(u,v),z(u,v)在D上具有连续的一阶偏导数,且
中至少有一个不等于零,则曲面S在点(x,y,z)的法线方向数为
(,,),
它与z轴的夹角的余弦的绝对值为
(2)
其中 ,
当时,对做变换,则有
由(2),得到由参量方程(3)所表示的曲面面积公式:
(3)
所以对应本题的曲面面积公式就可由
化简得:
,其中
四、问题求解及运算程序
数值积分方法
梯形法程序:
function y=djy(x1,x2)
R=30;
E=R^2*cos(x1)^2*(1+0.1*sin(6*x2))^2+R^2*sin(x1)^2;
F=R^2*cos(x1)*sin(x1)*((0.1*(7*cos(7*x2)+5*cos(5*x2))/2-sin(x2))*(cos(x2)+0.1*(sin(7*x2)+sin(5*x2))/2)+(-0.1*(cos(7*x2)+cos(5*x2))/2+sin(x2))*(cos(x2)+0.1*(7*sin(7*x2)+5*sin(5*x2))/2));
G=R^2*sin(x1)^2*((0.1*(7*cos(7*x2)+5*cos(5*x2))/2-sin(x2))^2+(cos(x2)+0.1*(7*sin(7*x2)+5*sin(5*x2))/2)^2);
y=sqrt(E*G-F^2);
clear;
m=2; %m可变化
k=pi/2/m;
h=2*pi/m;
sum=0;
for i=1:m
for j=1:m
sum=sum+(k*h/4)*(djy((i-1)*k,(j-1)*h)+djy(i*k,(j-1)*h)+djy((i-1)*k,j*h)+djy(i*k,j*h));
end
end
sum=sum*1.016
m
sum
m
sum
2
6.177032277650714e+003
20
5.971924407214119e+003
4
6.050706524580332e+003
30
5.988820079031297e+003
6
6.033837763422066e+003
40
5.987239812912541e+003
8
6.028973177960696e+003
50
5.987922173706471e+003
10
6.122416094449085e+003
60
5.987985155266582e+003
12
6.065559571439417e+003
70
5.988092742767523e+003
14
5.980784938181369e+003
80
5.988147594224191e+003
16
5.984358810657785e+003
90
5.988188054316223e+003
18
5.978455374412170e+003
100
5.988216593862025e+003
由此表可知:表面积近似于5988。
抛物线法程序:
function y=djy(x1,x2)
R=30;
E=R^2*cos(x1)^2*(
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