37809

ВЫЧИСЛЕНИЕ ОПРЕДЕЛЕННЫХ ИНТЕГРАЛОВ

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

4 Формула Симпсона Формула Симпсона записывается так: . Погрешность формулы Симпсона прямо пропорциональна в четвертой степени. На практике как и в случае метода трапеций расчеты ведут на сгущающихся сетках и оценку погрешности формулы Симпсона осуществляют по формуле 5. Критерием завершения процесса вычисления определенного интеграла с заданной точностью методом Симпсона на сгущающихся сетках служит условие .

Русский

2013-09-25

248 KB

9 чел.

Лабораторная работа № 5

ВЫЧИСЛЕНИЕ  ОПРЕДЕЛЕННЫХ  ИНТЕГРАЛОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить и программно реализовать на языке высокого уровня широко применяемые на практике численные методы вычисления одномерных и кратных определенных интегралов, исследовать их на тестовых задачах.

Элементы теории

При решении задач радиофизики и электроники численное интегрирование применяется всякий раз, когда первообразная слишком сложна либо вообще не выражается через элементарные функции, а также в случае, когда подинтегральная функция задана таблично.

Методы численного интегрирования подразделяются на детерминированные и статистические. Детерминированные методы делятся на методы с равномерным и оптимальным распределением узлов интегрирования. Формулы численного интегрирования одномерных интегралов называются квадратурными, кратных – кубатурными.

Квадратурные формулы в общем виде записываются так:

 

где  – фиксированные узлы отрезка  , – постоянные коэффициенты, – погрешность квадратурной формулы. Строятся квадратурные формулы посредством интегрирования на отрезке  интерполяционной функции , которая аппроксимирует подинтегральную функцию  на всем отрезке  или на его отдельных частях. Широко используемые на практике формулы Ньютона – Котеса, являющиеся предметом исследования  данной лабораторной работы, основываются на интерполяции Лагранжа.

Формула трапеций

Формула трапеций имеет следующий вид:

. (5.1)

Она базируется на двух положениях: интервал интегрирования

покрывается равномерной сеткой , с шагом , подинтегральная функция на интервалах , заменяется линейной интерполянтой Лагранжа.

Погрешность формулы трапеций

, (5.2)

пропорциональна . Квадратичная зависимость погрешности интегрирования от шага сетки позволяет выбором шага сетки обеспечивать требуемую точность.

Вычисление определенного интеграла по формуле (5.1) в условиях ошибок округления сопровождается также  вычислительной ошибкой:

,

которая обратно пропорциональна , где – среднее по всем узлам сетки значение подинтегральной функции,  – ошибка округления на одной операции, которая не превосходит величины , здесь – число десятичных разрядов, отведенных под мантиссу. Именно ошибка округления ограничивает при уменьшении шага сетки достижимую точность вычисления определенного интеграла.

Использование для оценки погрешности формулы (5.2) вызывает определенные трудности вследствие необходимости вычисления . Поэтому на практике привлекают прием вычисления интеграла на сгущающихся сетках с шагом  и , где  и формулу Рунге для оценки главной составляющей погрешности:

, (5.3)

где  – порядок погрешности метода (степень в формуле погрешности). В случае правила трапеций , а значит  для  или  для . Критерием завершения процесса вычисления определенного интеграла с заданной точностью  методом трапеций на сгущающихся сетках служит условие

. (5.4)

Формула Симпсона

Формула Симпсона записывается так:

. (5.5)

При ее построении также используется равномерная сетка , однако число интервалов разбиения теперь обязательно должно быть четным, что и подчеркивает запись . Подинтегральная функция  на интервалах содержа-щих три узла сетки, заменяется интерполяционным полиномом Лагранжа второго порядка.

Погрешность формулы Симпсона

прямо пропорциональна  в четвертой степени.

На практике, как и в случае метода трапеций, расчеты ведут на сгущающихся сетках и оценку погрешности формулы Симпсона осуществляют по формуле (5.3), в которой . Критерием завершения процесса вычисления определенного интеграла с заданной точностью  методом Симпсона на сгущающихся сетках служит условие

. (5.6)

Кубатурная формула Симпсона

Вычисление двойных интегралов

в прямоугольной области можно также вести по формуле Симпсона, которая в этом случае принимает такой вид:

где  обозначает  .  

Если S – криволинейная область интегрирования, то для применения формулы Симпсона область S  заключают в прямоугольник    и пользуются вспомогательной функцией

Тогда

и для вычисления последнего интеграла привлекают метод Симпсона.

Задание

  1.  Разработать, программно реализовать и исследовать на задачах, предложенных преподавателем (см. табл. 5.1), алгоритмы интегрирования функций одной переменной методами трапеций, Симпсона на сгущающихся сетках с критерием завершения вычислительного процесса в виде (5.4) и (5.6) для ; двух переменных – методом Симпсона на заданной преподавателем сетке.

Содержание электронного  отчета

1 Алгоритмы.

  1.  Тексты программ.
  2.  Задачи, результаты их решения.

Задачи

Таблица 5.1

Подинтегральная функция

либо

Интервал

Интервал

1

[0.8; 1.762]

2

[1.3; 2.621]

3

[0.6; 1.724]

4

[3.0; 4.254]

Продолжение табл. 5.1

Подинтегральная функция

либо

Интервал

Интервал

5

[0; 1.234]

6

[0; 1.047]

7

[1.2; 2.471]

8

[1.0; 2.835]

9

[1.0; 2.631]

10

[2.0; 3.104]

11

[0; 1.075]

12

[0; 4.0]

13

[0; π/2]

14

[0; π/4]

15

[0; 1.0]

16

[3.0; 29.0]

17

[0; ln5]

18

[1.0; 4.0]

19

[0; π]

20

[0; π/2]

21

[-1.0; 1.0)

22

[-1.0; 1.0)

23

[0; 1.0]

24

[0; 1.0]

25

[0; 1.0]

26

[0; 1.0]

Окончание табл. 5.1

Подинтегральная функция

либо

Интервал

Интервал

27

[0; 1.0]

28

[0; 1.0]

29

[0; 4.0]

[1.0; 2.0]

30

[3.0; 4.0]

[1.0; 2.0]

31

[0; 2.0]

[0; 1.0]

32

[-1.0; 1.0]

[-1.0; 1.0]

33

[0; π/2]

[0; π/4]

34

[0; 1.0]

[1.0; 2.0]

35

[0; 2.0]

[0.5; 1.5]

ЛИТЕРАТУРА

1. Мулярчик С. Г.  Численные методы. Мн., 2001.

2. Вержбицкий В. М. Численные методы. М., 2000.

37


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

44053. Повышение эффективности деятельности планово-экономического отдела предприятия ЗАО «Атлант» 1.52 MB
  Эконометрическое моделирование временных рядов. Моделирование объемов производства с использованием анализа временных рядов Построение модели объема выпуска продукции на основе временных рядов Программная поддержка эконометрического моделирования объема выпуска продукции.
44054. Расчет потребного количества оборудования 502 KB
  Определение трудоёмкости по видам оборудования производится по данным базового предприятия по согласованию с преподавателем и пропорционально трудоёмкости изготовления детали-представителя
44055. Изучение взаимодействия морского и железнодорожного транспорта на примере ОАО «Архангельский морской торговый порт» 566 KB
  Все это уменьшает пропускные и перевозочные возможности железных дорог ведет к росту порожнего пробега вагонов к снижению производительности их использования и к другим отрицательным последствием. [29] Перевозки грузов осуществляемые в смешанном сообщении с двумя перевалками в основном менее эффективны чем с одной и в прямом железнодорожном сообщении как по общей величине приведенных затрат так и по потребному парку вагонов и по затратам трудовых ресурсов. Навалочные и насыпные грузы отправляемые маршрутами или группами вагонов...
44056. Проект мероприятий по разработке нового турпродукта в Сысертском районе Свердловской области на примере ООО «УРАЛ ТУР» 398 KB
  Туризм экскурсии это важная форма отдыха людей ориентации их свободного времени тем более что состояние физического и нравственного здоровья вызывает серьезные опасения и требует использования всех возможных средств по исправлению сложившийся в последние годы ситуации. в стоимость тура должна быть включена хотя бы одна из перечисленных ниже услуг: трансфер экскурсии или аренда автомобиля.; памятки о сроках подачи заявок на авиабилеты проживание питание скидки на группу; заявка бронирования тура дата № заказа...
44057. Повышение социальной компетентности подростков 15-16 лет, выпускников детских домов, средствами социально-культурной деятельности 1.04 MB
  Теоретические основы формирования социальной компетентности подростков выпускников детских домов с помощью средств социально-культурной деятельности Сущность и определение социальной компетентности. Особенности процесса формирования социальной компетентности у подростков.
44058. Проектування дорожнього СТО-А 370 KB
  Автомобілі на станції технічного обслуговування СТО приймаються відповідно до встановлених правил. Значний ріст парку легкових автомобілів що належать населенню в Україні вимагає збільшення проектування дорожніх СТОА. Виробничотехнічну базу системи технічного обслуговування автомобілів в основному складають підприємства структурні одиниці трьох видів: СТОА у тому числі майстерні і пункти ТО і ремонту; бази і склади матеріальнотехнічного постачання; гаражі і стоянки автомобілів. Сучасні СТОА здійснюють: продаж і...
44059. Разработка бизнес-плана по производству кондитерских изделий ООО «Бансес» 251.5 KB
  Важнейшей задачей разработки бизнеспланов является проблема привлечения и обоснования инвестиций и кредитов в том числе зарубежных необходимых для осуществления проектов технического перевооружения и реконструкции предприятий. 1337580 руб. 5788080 руб. Общая стоимость проекта по производству кондитерских изделий 936671 руб.
44060. Психологізм творчості Михайла Коцюбинського 475 KB
  Зображення процесів внутрішнього життя героїв у дитячих оповіданнях письменника За обєкт дослідження обрано дитячу та малу прозу Михайла Коцюбинського Цвіт яблуні Сон Що записано в книгу життя В дорозі Дорогою ціною Дебют Лялечка Ft morgn Харитя Ялинка Маленький грішник Intermezzo як найпоказовішу з погляду психологічного зображення зрілості авторської концепції. Із метою ширшого обґрунтування останньої комплексного розгляду художнього психологізму залучено інформацію про особисте життя...
44061. Расчет преобразовательного агрегата 2.27 MB
  Совместно с американскими специалистами были проанализированы достоинства и недостатки электроэнергетики России и США. Специалисты отрасли умели управлять ЕЭС и знали как её оптимально приспособить к рынку.