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

7 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

43841. Сущность права на иск в гражданском и арбитражном процессе 384.5 KB
  Понятие иска. Элементы иска. Предпосылки права на предъявление иска. Порядок предъявления иска и последствия его не соблюдения в гражданском процессе.
43842. Разработка системы спутникового приема, с учетом обеспечения требуемого количества телевизионных сигналов, информационных потоков и сигналов IP- телефонии 1.18 MB
  Первые искусственные спутники земли ИСЗ выводились носителями мощности которых не хватало для вывода груза на геостационарную орбиту. Прием телевизионных и других информационных сигналов мы будем осуществлять с...
43843. Моделирование на ARIS бизнес-процессов с учётом требований безопасности 1.08 MB
  Темой дипломной работы является: “Моделирование на RIS бизнеспроцессов с учётом требований безопасности. Объектом исследования являются∙ инструментальная среда RIS регламент Центра сертификации ключей ЗАО Инфраструктура открытых ключей. Цели и задачи исследования ознакомление с принципами работы инструментальной среды RIS способами моделирования бизнеспроцессов. моделирование регламента Центра сертификации ключей ЗАО Инфраструктура открытых ключей с учётом требований безопасности...
43844. Правове регулювання укладання та виконання господарських договорів 649.5 KB
  Загальна характеристика зобов’язальних правовідносин Поняття та склад зобовязання Норми які регулюють зобовязання становлять один із найважливіших інститутів цивільного права зобовязальне право. Норми зобовязального права є найбільш значною частиною цивільного законодавства. Система зобовязального права складається із інститутів Загальної частини та інститутів Особливої частини. Загальна частина включає: поняття зобовязання сторони в зобовязанні; виконання зобовязання; забезпечення виконання зобовязання; припинення...
43845. Пластиковые карты, как один из видов банковского продукта на примере АКБ «Московский залоговый банк» 4.93 MB
  Мировая практика проведения расчетов по кредитным картам свидетельствует о том, что использование карты значительно упрощает процесс покупки товара или услуги, равно как и хранения и защиты своих сбережений. Пластиковая карта позволяет ее владельцу оперативно и без проблем получать наличные в любое время суток, пользоваться разнообразными скидками при покупке товаров и услуг, контролировать свои расходы за определенные периоды времени.
43846. Реконструкция схемы электроснабжения “Черемшанка” Курагинского района 1.38 MB
  Коммунально – бытовой сектор поселка “Черемшанка” обслуживают две трансформаторных подстанций 10/0,38 кВ. Потребительские воздушные линии выполнены проводом АС – 35. Общее количество домов составляет 160 штук и в них проживает 944 человека. Кроме этого, в селе имеются социально – культурные учреждения: клуб, магазины, школа, больница, сельский совет и т. д.
43847. Оптимізація транспортних мереж NGN на основі технології IP/MPLS для боротьби з пульсаціями мультисервісного трафіку та досягнення заданих показників якості обслуговування 1.67 MB
  1 АНАЛІЗ ПОБУДОВИ ТРАНСПОРТНОЇ МЕРЕЖІ НА ОСНОВІ ТЕХНОЛОГІЇ MPLS.2 Особливості побудови транспортної мережі NGN.3 Маршрутизація в мережі з комутацією по міткам. 2 ОБҐРУНТУВАННЯ ВИБОРУ МЕТОДА ОПТИМІЗАЦІЇ ТРАНСПОРТНОЇ МЕРЕЖІ ІР MPLS.
43848. Hасчет характеристик направленности вибраторных антенн в присутствии щелевого экрана 4.46 MB
  Моделирование вибраторных антенны с использованием программного пакета XFDTD. Геометрия исследуемой антенны. Исследование влияния металлического экрана с отверстием на диаграмму направленности антенны. Исследование влияния плоского металлического экрана с отверстием на диаграмму направленности антенны.
43849. Aвтоматизация теплового пункта 1.71 MB
  обеспечивая в каждом помещении наиболее комфортные условия для персонала по температуре влажности воздуха и освещенности; получать объективную информацию о работе и состоянии всех систем и своевременно сообщать диспетчерам о необходимости вызова специалистов по сервисному обслуживанию в случае отклонения параметров любой из систем от штатных показателей; контролируя максимально возможное число параметров оборудования точек контроля в здании и показателей загруженности систем перераспределять энергоресурсы между системами обеспечивая...