40832

ВЫЧИСЛЕНИЕ ПРОИЗВОДНЫХ И ИНТЕГРАЛОВ

Лекция

Математика и математический анализ

При аппроксимации операторов численного дифференцирования и интегрирования наибольшее распространение ввиду своей простоты нашли интерполяционные формулы Ньютона. Формулы численного дифференцирования Формулы для расчета производной в точке x получаются следующим образом. Такие формулы называют простейшими формулами численного дифференцирования.3 получается три важные формулы второго порядка точности: 4.

Русский

2013-10-22

654 KB

24 чел.

ТЕМА 4. ВЫЧИСЛЕНИЕ ПРОИЗВОДНЫХ И ИНТЕГРАЛОВ

4.1. Как аппроксимируют операторы?

Задачи численного дифференцирования и интегрирования являются частным случаем общей задачи аппроксимации операторов, состоящей в том, что заданный на некотором множестве функций оператор  требуется заменить более простым, удобным для последующего использования, оператором , близким в некотором смысле к исходному.

Аппроксимацию операторов обычно осуществляют следующим образом: функцию  аппроксимируют такой функцией , от которой оператор легко вычисляется, после чего полагают = [].

При аппроксимации операторов численного дифференцирования и интегрирования наибольшее распространение ввиду своей простоты нашли интерполяционные формулы Ньютона. В случае когда функция f(x) задана в виде таблицы, полученной с некоторой погрешностью, используют среднеквадратичную аппроксимацию. Ниже рассматривается аппроксимация f(x) интерполяционным многочленом.

4.2. Формулы численного дифференцирования 

 Формулы для расчета производной  в точке x получаются следующим образом. Берется несколько близких к x узлов  (n m+1), называемых шаблоном (точка x может быть одним из узлов). Вычисляются значения  в узлах шаблона, строится интерполяционный многочлен Ньютона (3.6) и после взятия производной от этого многочлена  получается выражение приближенного значения производной (формула численного дифференцирования) через значения функции в узлах шаблона:.

При n=m+1 формула численного дифференцирования не зависит от положения точки x внутри шаблона, т.к. в этом случае m-я производная от полинома  m-й степени Pm(x) есть константа. Такие формулы называют простейшими формулами численного дифференцирования.

Анализ оценки погрешности вычисления производной

   (4.1)

показывает, что погрешность минимальна для значения x в центре шаблона и возрастает на краях. Поэтому узлы шаблона, если это возможно, выбираются симметрично относительно x. Заметим, что порядок погрешности при h0 равен n-m 1, и для повышения точности можно либо увеличивать n, либо уменьшать h (последнее более предпочтительно).

Приведем несколько важных формул для равномерного шаблона, получаемых с использованием (3.7):

  .   (4.2)

Простейшая формула (4.2) имеет второй порядок погрешности в центре интервала и первый по краям:

 .  (4.3)

Эта формула имеет второй порядок погрешности во всем интервале  и часто используется для вычисления производной в крайних точках таблицы, где нет возможности выбрать симметричное расположение узлов. Заметим, что из (4.3) получается три важные формулы второго порядка точности:

        (4.4)

      (4.5)

       (4.6)

Для вычисления второй производной часто используют следующую простейшую формулу:

  ,  (4.7)

которая имеет второй порядок погрешности в центральной точке x2.

4.3. Формулы численного интегрирования 

Формулы для вычисления интеграла  получают следующим образом. Область интегрирования [a, b] разбивают на малые отрезки , в общем случае разной длины. Значение интеграла по всей области равно сумме интегралов на отрезках . Выбирают на каждом отрезке [xi, xi+1] 1–5 узлов и строят для каждого отрезка интерполяционный многочлен соответствующего порядка. Вычисляют интеграл от этого многочлена на отрезке. В результате получают выражение интеграла (формулу численного интегрирования) через значения подынтегральной функции в выбранной системе точек. Такие выражения называют квадратурными формулами.

 Приведем наиболее часто используемые квадратурные формулы для равных отрезков длиной

Формула средних

Формула средних получает-ся, если на каждом i-м отрезке взять один центральный узел  соот-ветствующий середине отрезка. Функция на каждом отрезке ап-проксимируется многочленом нулевой степени (константой) Заме-няя площадь криволинейной фигуры площадью прямо-угольника высотой  и основанием h, получим   (рис. 4.1):

  .   (4.8)

Погрешность формулы средних имеет второй порядок по h:

      (4.9)

Формула трапеций

Формула трапеций получается при аппроксимации функции f(x) на каждом отрезке [xi, xi+1] интерполяционным многочленом первого порядка, т.е. прямой, проходящей через точки , . Площадь криволинейной фигуры заменяется площадью трапеции с основаниями  и высотой h (рис.4.2):

. (4.10)

Погрешность формулы трапеций в два раза больше, чем погрешность формулы средних:

  .    (4.11)

Формула Симпсона

Формула Симпсона получается при аппроксимации функции f(x) на каждом отрезке [xi, xi+1] интерполяционным многочленом второго порядка (параболой) c узлами  . После интегрирования параболы получаем (рис.4.3)

   (4.12)

После приведения подобных членов формула (4.12) приобретает удобный для программирования вид:

Погрешность формулы Симпсона имеет четвертый порядок по h:

      (4.13)

Схема с автоматическим выбором шага  по заданной точности

Анализ формул (4.8),(4.10),(4.12) показывает, что точное значение интеграла находится между значениями  и, при этом имеет место соотношение

         (4.14)

Это соотношение часто используется для контроля погрешности вычислений. Расчет начинается с m = 2 и производится по двум методам, в результате получают . Если  – заданная погрешность), то шаг h уменьшают вдвое (m = m2) и расчет повторяют. Если точность достигается, то окончательное значение интеграла получается по формуле (4.14). При существенном уменьшении шага h начинают сказываться ошибки округления, поэтому шаг должен быть ограничен снизу некоторой величиной, зависящей от разрядной сетки ЭВМ (m  n).

   Схема алгоритма с автоматическим выбором шага представлена на рис. 4.4.


Формулы Гаусса

При построении предыдущих формул в качестве узлов интерполяционного многочлена выбирались середины и (или) концы интервала разбиения. При этом оказывается, что увеличение количества узлов не всегда приводит к уменьшению погрешности (сравни формулы средних и трапеций), т.е. за счет удачного расположения узлов можно значительно увеличить точность. Суть методов Гаусса порядка n состоит в таком расположении n узлов интерполяционного многочлена на отрезке [xi, xi+1], при котором достигается минимум погрешности квадратурной формулы. Детальный анализ показывает, что узлами, удовлетворяющими такому условию, являются нули ортогональнoго многочлена Лежандра степени n (см. подразд. 3.1). Так, для n = 1 один узел должен быть выбран в центре. Следовательно, метод средних является методом Гаусса порядка 1.

Для n=2 узлы должны быть выбраны следующим образом:

,

и соответствующая формула Гаусса 2-го порядка имеет вид

          .    (4.15)

Порядок погрешности этой формулы при h 0 равен p = 4, т.е. такой же, как у метода Симпсона, хотя используется только 2 узла!

Для n = 3 узлы выбираются следующим образом:

,

и соответствующая формула Гаусса 3-го порядка имеет вид

         .   (4.16)

Порядок погрешности этой формулы при h 0 равен p = 7, т.е. значительно выше, чем у формулы Симпсона, практически при одинаковых затратах на вычисления. Следует отметить, что формулы Гаусса, особенно широко применяются для вычисления несобственных интегралов специального вида, когда подынтегральная функция имеет достаточно высокие производные.

4.4. Варианты заданий

Для каждого варианта задан интервал [a, b], функция f(x) и указан метод вычисления интеграла. Вначале вычислить точные выражения для первой, второй производных  и для интеграла. Затем необходимо составить подпрограмму для вычисления первой и второй производных по формулам (4.4), (4.7) и подпрограмму вычисления интеграла указанным методом. Составить основную программу, которая вычисляет таблицу значений функции, ее

точных и приближенных производных  в точках  а также точное и приближенное значения интеграла. Расчет первой производной в крайних точках a и b выполнить по формулам (4.5) и (4.6) соответственно, вторую производную вычислять только во внутренних точках. Схема выполнения расчетов приведена на рис. 4.5.

Расчеты производной произвести для hp =0.2, 0.1 и 0.05. Расчеты интеграла произвести для m=10, 20 и 40.

При использовании алгоритма вычисления интеграла с автоматическим выбором шага по данной точности расчет произвести для =0.1, 0.01, 0.001 и получить зависимость m().

Проанализировать погрешность вычислений, для чего построить графики и вычислить погрешности производных и интеграла.

Таблица 4.1

N вар.

Функция f(x)

Интервал

Метод

Значение

a

b

интегрирования

1

–2

3

средних

5.983

2

0

3

трапеций

6.699

3

1

8

Симпсона

8.896

4

4

7

автомат

6.118

5

5

8

Гаусса 2

6.067

6

3

6

Гаусса 3

3.367

7

1

4

средних

0.100

8

0

4

трапеций

0.153

9

–8

2

Симпсона

713.3

10

–2

5

автомат

69.42

11

–5

3

Гаусса 2

167.6

12

–1

4

Гаусса 3

22.09

13

1

7

средних

3.533

14

–2

5

автомат

154.73

15

–4

2

Симпсона

20.375

4.5. Контрольные вопросы

1. Как производится аппроксимация оператора общего вида?

2. Получите формулы (4.2), (4.3) и (4.7).

3. Дайте геометрическую интерпретацию методов: средних, трапеций, Симпсона. Какой порядок погрешности они имеют?

4. В чем суть метода Гаусса?

PAGE  39


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

78462. Синдром легочно-сердечной недостаточности (ЛСН, «легочное сердце»). Тромбоэмболия легочных артерий (ТЭЛА) 85.5 KB
  Классификация: Острое лёгочное сердце клинический симптомокомплекс возникающий прежде всего вследствие развития тромбоэмболии лёгочной артерии а также при ряде заболеваний сердечнососудистой и дыхательной систем. Основные причины: массивная тромбоэмболия в системе лёгочной артерии; клапанный пневмоторакс; тяжёлый затяжной приступ бронхиальной астмы; распространённая острая пневмония.; 3Васкулярные болезни первичная лёгочная гипертензия тромбоэмболия в системе лёгочной артерии васкулиты аллергический облитерирующий...
78463. Синдром дыхательной недостаточности. Основные причины ДН, клинические и функциональные критерии. Классификации различных видов ДН 128.5 KB
  Дыхательная недостаточность ДН тяжелое нарушение обмена дыхательных газов или состояние характеризующееся ограничением способности легких обеспечивать нормальный газовый состав артериальной крови. Факторы снижающие вентиляторное обеспечение: Нарушение механики дыхания обструкция ВП: Бронхиальная астма ХОБЛ; Деформация грудной клетки: Кифосколиоз травмы грудной клетки; Уменьшение объема легких: Пневмония интерстициальные поражения легких большой плевральный выпот; Нарушение функции диафрагмальных нервов: Синдром...
78464. Рестриктивный тип дыхательной недостаточности. Клинические и функциональные признаки, характерные для ДН рестриктивного типа 70 KB
  Рестриктивный тип ДН – вариант вентиляционной (гиперкапнической) ДН, характеризующийся снижением способности легких, грудной клетки или плевры к расправлению во время вдоха.
78465. Обструктивный тип дыхательной недостаточности. Клинические и функциональные признаки, характерные для ДН обструктивного типа 85 KB
  Встречается при: Хронический бронхит; Бронхиальная астма; Эмфизема; ХОБЛ; Синдром бронхиальной обструкции; Стенозы трахеи и крупных бронхов; Бронхоэктатическая болезнь; Причины сужения просвета бронхов: бронхоспазм; аллергический отёк; воспалительный отёк; инфильтрация слизистой оболочки бронхов; закупорка бронхов мокротой; склероз бронхиальных стенок; деструкция каркаса бронхиальных стенок; Патогенез: Сужение просвета бронхов является причиной роста сопротивления потоку воздуха в бронхах что в свою очередь приводит к снижению...
78466. Дыхательная недостаточность по смешанному типу. Клинические и функциональные признаки, характерные для ДН смешанного типа 86.5 KB
  Пневмосклероз различной этиологии; Обструктивный тип ДН: Хронический бронхит; Бронхиальная астма; Эмфизема; ХОБЛ; Синдром бронхиальной обструкции; Стенозы трахеи и крупных бронхов; Бронхоэктатическая болезнь; Развивается при длительном течении сердечнолегочных заболеваний; Диагностика: признаки ДН клиника; исследование ФВД характеризуется снижением практически всех показателей...
78467. Тяжелое течение острой дыхательной недостаточности: астматический статус. Принципы диагностики и лечения 98.5 KB
  Возросшее сопротивление воздухоносных путей преодолевается за счет больших колебаний внутриплеврального давления чрезмерно низкого на вдохе и очень высокого на выдохе что приводит к резкому увеличению работы быстрому утомлению и снижению функции дыхательной мускулатуры; Клиника: I стадия относительной компенсации: выраженный приступ удушья не купирующийся ранее эффективными ЛС; мучительный приступообразный кашель без мокроты; вынужденное положение больного; диффузный цианоз; потливость; возбуждение больного; перкуторно:...
78468. Тяжелое течение острой дыхательной недостаточности: острый респираторный дистресс-синдром взрослых (ОРДСВ). Причины ОРДСВ 124 KB
  Острый респираторный дистресссиндром ОРДС особая форма дыхательной недостаточности возникающая при острых повреждениях легких различной этиологии и характеризуется образованием в обоих легких диффузных легочных инфильтратов резким нарушением растяжимости легочной ткани развитием некардиогенного отека легких и выраженной гипоксемии резистентности к кислородотерапии.; При остром повреждении легкого происходит воспаление = Скопление активированных лейкоцитов и тромбоцитов = Протеолитические ферменты Простагландины Активные...
78469. Тяжелое течение острой дыхательной недостаточности: кардиогенный отек легких. Патогенетические и клинико-функциональные различия кардиогенного и некардиогенного отека легких 82.5 KB
  Патогенетические и клинико-функциональные различия кардиогенного и некардиогенного отека легких. Причины кардиогенного отека легких. Отек легких это острое состояние в основе которого лежит патологическое накопление внесосудистой жидкости в легочной ткани и альвеолах приводящее к снижению функциональных способностей легких.
78470. Клинико-рентгенологические признаки легочного инфильтрата. Наиболее частые причины легочного инфильтрата. Тактика ведения больных с легочным инфильтратом 102 KB
  Легочной инфильтрат - клинико-рентгенологический признак воспалительного изменения легочной паренхимы за счет экссудативно-пролиферативных процессов, сопровождающихся потерей воздушности, эластичности и уплотнением структур легочной ткани.