12472

Чисельне інтегрування. Формули Ньютона-Котеса

Лабораторная работа

Математика и математический анализ

Лабораторна робота №6 Чисельне інтегрування. Формули НьютонаКотеса. Мета роботи: познайомитися з методами чисельного інтегрування реалізувати заданий за варіантом метод інтегрування у середовищі МatLAB. Завдання до виконання роботи: Доповнити систему МatLAB файл

Украинкский

2013-04-27

508.05 KB

24 чел.

Лабораторна робота №6

Чисельне інтегрування. Формули Ньютона-Котеса.

Мета роботи: познайомитися з методами чисельного інтегрування, реалізувати заданий за варіантом метод інтегрування у середовищі МatLAB.

Завдання до виконання роботи: Доповнити систему МatLAB файлом, що реалізує заданий метод інтегрування (відповідно до варіанту).

Теоретичні відомості.

В наукових та інженерних задачах часто потрібно обчислювати визначені інтеграли. Але не всі вони мають аналітичний розв’язок. Для знаходження таких інтегралів застосовуються методи чисельного інтегрування.

В основу чисельних методів інтегрування закладений фізичний зміст визначеного інтеграла. Визначений інтеграл дорівнює площі фігури, що обмежена неперервною підінтегральною функ-цією f(x) на проміжку [a, b] (рисунок).

Класично визначений інтеграл обчислюється за формулою Ньютона-Лейбница:

Але ця формула малопридатна для практичного застосування, оскільки клас функцій, для яких первісні F(a) та F(b) можна виразити через елементарні функції дуже вузький. Крім того, часто на практиці підінтегральна функція задається таблично і саме поняття первісної втрачає сенс. Тому в наш час для обчислення інтегралів велике розповсюдження отримали чисельні методи.

Задача чисельного інтегрування полягає у знаходженні визначеного інтегралу від функції f(x) на інтервалі [a, b], обчислюючи функцію f(x) на скінченій множині точок.

Виберемо проміжні точки так, щоб a = x0 < x1 < < xM = b. Формулою чисельного інтегрування або формулою квадратури називають:

яка відповідає визначеному інтегралу

  (1)

У формулі – похибка інтегрування. Вона має сенс лише тоді, коли функція f(x) задана аналітично. Функції називають ваговими коефіцієнтами. Вузлові точки для чисельного інтегрування можуть вибиратися рівновіддаленими, як у формулах Сімпсона чи Буля, або розташованими за певними правилами, як для формули Гаусса-Лежандра.

Квадратурні формули інтерполяційного типу.

Щоб отримати інтерполяційну формулу для складних функцій нерідко використовують інтерполяційні поліноми, що наближено описують ці функції. За визначенням існує єдиний поліном (зазначеного типу) PМ(х) ступеня М, який проходить через (М+1) рівновіддалених точок.

При використанні поліному Лагранжа з рівновіддаленими вузлами для наближення функції f(x) на інтервалі [a, b], інтеграл від f(x) наближено обчислюється за допомогою інтегралу від PL(х), в результаті отримуємо формулу квадратури Ньютона-Котеса (Newton-Cotes). Коли початкова і кінцева точки х0 = а та хМ = b , формулу називають замкнутою. Формули для наближення поліномами М = 1, 2, 3 та 4 відповідно наведені у таблиці 1.

Таблиця 1

Назва формули

Формула

Похибка формули

Ступінь точності n

Трапецій

n = 1

Симпсона

n = 3

Симпсона 3/8

n = 3

Буля

n = 5

Схеми визначення інтегралу за формулами квадратури.

Замкнута формула квадратури Ньютона-Котеса.

При обчисленні інтегралу можемо отримати проміжних точок більше, ніж використовується у формулі квадратури. Тому для обчислення інтегралу на всьому заданому проміжку скористаємося складною формулою квадратури. Так складна формула трапецій має вигляд:

         (2)

   (3)

Складна формула Сімпсона:

        (4)

 (5)

Для того, щоб формула квадратури була замкнутою, потрібно, щоб кількість вузлових точок на проміжку [a, b] була кратна числу точок, на яких будується вибрана формула квадратури з врахуванням початкової та кінцевої точок кожної локальної формули квадратури.

 Розрахунок визначеного інтегралу  за замкнутою формулою Симпсона.

З рисунку бачимо, що для розрахунку визначеного інтегралу на проміжку [х0, х8] інтервал розбили на 4 підінтервали, формула Сімпсона використовувалася 4 рази. Якщо позначити кількість точок, що використовується в простій формулі Сімпсона n = 3 і число застосувань формули m = 4 (значення функції в точках х2, х4, х6 використовуються двічі), то розрахунок кількості вузлів матиме вигляд: . Аналогічно розраховується кількість точок за іншими формулами квадратури.

Завдання на лабораторну роботу.

У середовищі MatLAB створити програму для розв‘язання задачі (при розв‘язанні задач використовувати замкнуті формули квадратури, перевірити отриманий результат за допомогою функції quad8(fun, a, b, tol)):

Задача 1 (варіанти 1-4). Швидкість автомобіля v через час t складає (3t2 + 5) м/с (для варіанту 1). Розрахувати шляхом інтегрування пройдений автомобілем шлях за 60 секунд руху (х0 = 0, хk = 60). (Площа між графіком швидкість/час і віссю х дорівнює пройденому шляху).

Розв‘язати задачу, використовуючи квадратурну формулу (число підінтервалів – не меньше 10):

Варіант

Формула

Функція швидкості v

1

Трапецій

(3 t 2 + 5)

2

Сімпсона

2/3 + 2)

3

Симпсона 3/8

(7 + 2х - 2/3)

4

Буля

(3 х 3/5 + 1)

Задача 2 (варіанти 5-8). На початку роботи напруга двигуна u через який проходить струм і (і0 = 0, іk = 5), змінюється за залежністю (для варіанту 5). Визначити шляхом інтегрування потужність, що необхідна для розгону двигуна. (Площа між графіком напруга/струм і віссю х дорівнює потужності).

Розв‘язати задачу, використовуючи квадратурну формулу (число підінтервалів – не меньше 7):

Варіант

Формула

Функція напруги u

5

Трапецій

6

Сімпсона

7

Симпсона 3/8

8

Буля

Задача 3 (варіанти 9-12). Синусоїдальна напруга задається рівнянням . Шляхом інтегрування знайти середнє значення напруги за пів періоду (0 = 0, k = ). (Середнє значення величини розраховується за формулою ).

Розв‘язати задачу, використовуючи квадратурну формулу (число підінтервалів – не меньше 9):

Варіант

Формула

Функція напруги v

9

Трапецій

10

Сімпсона

11

Симпсона 3/8

12

Буля


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

36192. Виды систем канализации. Устройство наружных и внутренних канализационных систем 20.42 KB
  Канализация представляет собой комплекс инженерных сооружений и мероприятий предназначенных для следующих целей: приема сточных вод в местах образования и транспортирования их к очистным сооружениям; очистки и обеззараживания сточных вод; утилизации полезных веществ содержащихся в сточных водах и в их осадке; выпуска очищенных вод в водоем. Системы канализации: Под системой канализации принято понимать совместное или разделительное отведение сточных вод. Общесплавными называют системы канализации при которых все сточные воды ...
36193. Двухтрубная система отопления с естественной циркуляцией и нижней разводкой 217.5 KB
  Удаление воздуха осуществляется либо через воздушные краны краны Маевского установленные на радиаторах отопления верхнего этажа либо через воздушную трубу соединяющую подающие стояки с расширительным баком. Преимущества нижней разводки отопления перед верхней разводкой: Меньшие потери теплоты так как магистральные трубопроводы не прокладываются на чердаке. При строительстве можно запускать систему отопления при недостроенных верхних этажах.
36194. Системы вентиляции 73.54 KB
  Результатом плохой вентиляции в помещении может стать: несвежий воздух неприятные запахи из кухни и туалетных комнат повышенная влажность конденсация влаги ощущение недостатка свежего воздуха. Существует два основных типа вентиляции: естественная вентиляция и принудительная вентиляция. Для создания усиления естественной вентиляции в стенах зданий прокладывают специальные вытяжные вентиляционные каналы ведущие в кухню в ванную и туалет.
36195. Сфера деятельности дизайнера пространственной среды и вопросы которые он должен решать в проектировании различных объектов 28 KB
  Суть дизайнерской деятельности: с одной стороны это комплекс знаний и навыков преобразованные в метод проектирования который в дальнейшем используется для создания дизайнпроекта; с другой это мировоззрение проектировщика его взгляд на объект проектирования и окружающий мир а также умение обобщать синтезировать вычленять существенные взаимосвязи и закономерности Дизайн и архитектура вместе образуют основу предметнопространственного окружения второй природы которую создает вокруг себя человек. Архитектура формирует ее стабильный...
36196. Методика подхода к проектированию объектов дизайна среды 37 KB
  Основными методами являются – анализ синтез оценка Методы проектирования можно разделить на критерии: Обследование знакомство с ситуацией контекстом размещения будущего объекта перечнем свойств которыми он должен обладать. столкновения противоречий между обстоятельствами будущей жизни объекта и эксплуатационными характеристиками его структур. Так сделала многие свои открытия современная бионика почти копирующая в технических объектах принципы и конструкции подсмотренные у природы; субъективные когда автор воображает себя неким...
36197. Коммуникации как одна из фундаментальных тем архитектуры. Градостроительные идеи ХХ века 4.14 MB
  Городасады В 1898 г. вышла книга Городасады будущего где Э. Схема городасада Размышления Говарда стали основой будущих городовспутников широко распространенных и в России с середины XX в. Планировочная схема городасада представлена в виде круга опоясанного сельскохозяйственной зеленой зоной рис.
36198. Цвет и свет в формировании пространства 19.84 KB
  Понятие свет и цвет неразделимы. Цвет. Цветкак один из важнейших компонентов среды обитания человекав проектной практике организуется в соответствии с конкретными условиями с учетом психофизиологиипсихологии и эстетики.
36199. Эргономика 19.15 KB
  Задача: создание таких условий работы для человека которые бы способствовали сохранению здоровья повышению эффективности труда снижению утомляемости. Эргономические требования это требования которые предъявляются к системе человекмашинасреда в целях оптимизации деятельности человекаоператора с учетом его объективных характеристик и возможностей Факторы определяющие эргономические требования Социальнопсихологические факторы предполагают соответствие конструкции машины и организации раб. Психологические факторы предопределяют...
36200. НОРМАТИВЫ В ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 24.62 KB
  Строительные нормативные документы и стандарты должны содержать в первую очередь эксплуатационные характеристики строительных изделий и сооружений основанные на требованиях потребителя. Нормативные документы должны не предписывать как проектировать и строить а устанавливать требования к строительной продукции которые должны быть удовлетворены или цели которые должны быть достигнуты в процессе проектирования и строительства....