71068

Численное интегрирование и дифференцирование

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Дело в том что для большого числа элементарных функций первообразные уже не выражаются через элементарные функции в результате чего нельзя вычислить определенный интеграл с помощью формулы Ньютона-Лейбница. Особенно важны формулы приближенного интегрирования при решении задач содержащих функции заданные таблично.

Русский

2014-11-01

150 KB

4 чел.

Лабораторная работа 2
Численное интегрирование и дифференцирование

 

Численное интегрирование Численное дифференцирование ~ Символьное интегрирование и дифференцирование ~Порядок выполнения лабораторной работы 5

 

Численное интегрирование

Формулы для приближенного вычисления определенных интегралов применяются очень часто. Дело в том, что для большого числа элементарных функций первообразные уже не выражаются через элементарные функции, в результате чего нельзя вычислить определенный интеграл с помощью формулы Ньютона-Лейбница.

Встречаются также и случаи, когда приходится прибегать к формулам приближенного интегрирования даже для таких интегралов, которые могут быть найдены в конечном виде, но такое выражение оказывается слишком сложным. Особенно важны формулы приближенного интегрирования при решении задач, содержащих функции, заданные таблично.

Квадратурные формулы

Наиболее распространенным подходом к численному вычислению интеграла

(1)

является разбиение отрезка [a, b] на n равных частей а = х0 х1< . . . < хn = b c шагом h = , интерполирование функции f(x) на отрезке [a, b] (получение интерполяционного многочлена j (x)) и замена в (1) интеграла интегральной суммой:

In » I.

(2)

Соотношения вида (2) называют квадратурными формулами.

В простейших случаях в качестве интерполяционного многочлена j (x) берут ступенчатую, кусочно-линейную или кусочно-параболическую функции, а также полином степени k = n (j (x) = xk) для которых квадратурные формулы принимают вид (см. Пример 1 Рисунка 8):

Рисунок 8. Численное интегрирование и дифференцирование

 

формула прямоугольников:

  i = 1, 2, . . ., n;

(3)

формула трапеций:

;

(4)

формула Симпсона (n - четное число):

;

(5)

метод неопределенных коэффициентов состоит в вычислении определенного интеграла (1) с помощью формулы (2) коэффициенты Аi, которой находятся в результате решения следующей системы уравнений:

где , k = 0, 1, . . ., n.

(6)

Метод Монте-Карло

 

Во многих задачах исходные данные носят случайный характер, поэтому для их решения должен применяться статистико-вероятностный подход. На основе такого подхода и построен метод статистических испытаний, называемый также методом Монте-Карло.

Пусть h - равномерно распределенная на отрезке [a, b] случайная величина, :

.

(7)

Для генерирования последовательности случайных чисел с нормальным законом распределения в Mathcad возможно использовать функцию rnd

rnd(x)

Возвращает равномерно распределенное случайное число между 0 и х.

Для реализации метода Монте-Карло удобно использовать функцию mean

mean(A)

Возвращает среднее арифметическое значение элементов массива А.

Численное дифференцирование

Численное дифференцирование аналитически или таблично заданной функции f(x) на отрезке [a, b] в точке х = Хзаключается в замене f(x) интерполяционным полиномом j (x), i?iecaiaiua  которого можно найти аналитически с помощью соответствующих формул:

.

(8)

Метод неопределенных коэффициентов (см. Пример 2 Рисунка 8) предполагает использование в качестве интерполяционного многочлена j (x) полином степени k = n (j (x) = (X - xi)k), а коэффициенты Вi формулы (8) находятся в результате решения следующей системы уравнений:

где , k = 0, 1, . . ., n.

(9)

 

Символьное интегрирование и дифференцирование

 

Для вычисления интегралов (или нахождения первообразных) аналитически заданной функции используется командаSymbolic Þ Integrate on Variable (Интегрировать по переменной). Она возвращает символьное значение неопределенного интеграла по указанной маркером ввода переменной. Выражение, в состав которого входит переменная, является подынтегральной функцией.

Команда Symbolic Þ Differentiate on Variable (Дифференцировать по переменной) возвращает символьное значение производной выражения по той переменной, которая указана курсором. Для вычисления производных высшего порядка нужно повторить вычисление необходимое число раз.

Результат символьного преобразования иногда содержит специальные функции, которые не являются частью спискавстроенных функций Mathcad. Вот определения некоторых из них:

g - константа Эйлера,

Ci(x) = g + ln(x) + , Si(x) = ,

Chi(x) = g + ln(x) + , Shi(x) = .

 

Порядок выполнения лабораторной работы 5

 

Задание 1. Определить функцию f(x) таблично, вычислив значения уi = f(xi) в точках хi = a + h i, i = 0, 1, ..., 8,

h=(b - a)/8 на отрезке [a, b].

 

Варианты задания 1

 

варианта

f(x)

[a, b]

[c, d]

1

[0.4, 0.8]

[2, 2.1]

2

2

[0.8, 1.6]

[-1, -0.9]

3

1/(x)

[0.18, 0.98]

[0.5, 0.6]

4

[0.8, 1.6]

[2, 2.1]

5

x2  

[0, 0.4]

[1.5, 1.6]

6

x2  

[0.8, 1.6]

[1, 1.1]

7

[0.4, 1.2]

[2, 2.1]

8

2

[0.8, 1.2]

[1, 1.1]

9

(x + 1) sin x

[1, 5]

[1, 1.1]

10

5x + x lg x

[0.2, 1]

[1.3, 1.4]

11

(2x + 3) sin x

[0.4, 1.2]

[0.5, 0.6]

12

[0.4, 1.2]

[1, 1.1]

13

1/(1 + x + x2)

[0, 4]

[2, 2.1]

14

[0.4, 0.8]

[1.5, 1.6]

15

[0.4, 1.2]

[0.5, 0.6]

Задание 2. Вычислить интеграл :

  •  с помощью встроенного оператора интегрирования;
  •  по формуле прямоугольников;
  •  по формуле Симпсона;
  •  с помощью встроенного оператора интегрирования и интерполяцией табличной функции кубическим сплайном(функции cspline и interp);
  •  методом неопределенных коэффициентов для численного интегрирования.

Задание 3. Вычислить интеграл  методом Монте-Карло. Для этого необходимо:

  •  определить диапазон случайных чисел, например j: = 0..1000;
  •  определить с помощью функции rnd равномерно распределенную случайную величину h на отрезке интегрирования [a, b];
  •  создать вектор Fj = f(h j);
  •  с помощью функции mean вычислить интеграл.

Задание 4. Найти первообразную аналитически заданной функции f(x), используя команду Symbolic Þ Integrate on Variable.

Задание 5. Вычислить значения первой и второй производных функции f(x) в точке Х = с:

  •  с помощью операторов дифференцирования Mathcad;
  •  методом неопределенных коэффициентов для численного дифференцирования. Определить функцию f(x) таблично, вычислив значения уi = f(xi) в точках хi = с + h? i, i = 0, 1, ..., 10, h = 0.01 на отрезке [c, d].

Задание 6. Определить символьное значение первой и второй производных f(x), используя команду Symbolic ÞDifferentiate on Variable.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75942. Особенности политических конфликтов в России. Характеристика общего кризиса власти 1992-1993 годах 22.78 KB
  Характеристика общего кризиса власти 1992-1993 гг. Содержание политических конфликтов в отдельной стране зависит от структурных и функциональных характеристик политической власти потребностей политического развития общества состояния идеологии традиций и опыта политической борьбы особенностей политической культуры. Ряд особенностей российской конфликтности тесно связан с элементами византийского влияния откуда берет свое начало российское самодержавие как устойчивая форма ярко выраженной централизованной власти. Характеристика общего...
75943. Осуществление процесса приватизации, дискуссии вокруг этого явления 22.82 KB
  Если пакет Филиппова был ориентирован на сочетание различных форм приватизации инвестиционные вклады продажа акций госпредприятий конкурсы аукционы частичный выкуп и др. в течение 56 лет то пакет Малея значительно более жестко и детерминированно отдавал приоритет коллективной форме приватизации через т. Хронология: Первый этап или доваучерный 19891990 Выкуп арендного имущества; Создание национальных холдингов и спонтанной приватизации; Официальная идеология периода перестройки предполагала постепенное длительное преобразование...
75944. Первая и вторая чеченские компании: сравнительный анализ 18.39 KB
  Чеченский вооруженный конфликт 19941996 годах военные действия между российскими федеральными войсками силами и вооруженными формированиями Чеченской Республики Ичкерии созданными в нарушение законодательства РФ. В сентябре 1999 года началась новая фаза чеченской военной кампании которая получила название контр-террористической операции на Северном Кавказе. Вооруженный конфликт в 19941996 годах первая чеченская война Чеченский вооруженный конфликт 19941996 годах военные действия между российскими федеральными войсками силами и...
75945. Политическая борьба за «ельцинское наследство». Думские выборы 1999 года и их итоги 30.09 KB
  Главный сюжет предвыборной борьбы схватка между двумя партиями власти ОВР и Единством завершается весьма печально для сторонников Лужкова и Примакова. Привычка к атмосфере советского номенклатурного чинопочитания сыграла с лидерами ОВР злую шутку. Дело дошло до того что в Кремле задумались: как после столь сокрушительных побед в предвыборной игре Замочи Лужка удастся наладить отношения с новой Думой в которой как ожидается будут доминировать коммунисты о союзнических отношениях которых с ОВР так много пишет прокремлевская пресса в...
75946. Политические партии в РФ в конце 20 века 18.17 KB
  Политические партии в России в конце 20 в. Стратегическая цель партии построение в России обновленного социализма социализма XXI века. Женщины России. Политическая ориентация фракции умеренный либерализм развитие межнациональных отношений поддержка социальных программ государства сохранение территориальной целостности России поддержка Правительства и Президента России.
75947. Практика осуществления принципа свободы слова в РФ. Политика в сфере СМИ и коммуникаций 16.51 KB
  К сожалению на современном этапе развития российского общества проблема ответственности средств массовой информации приобрела особое значение. В существующих условиях обострения политической борьбы сложных межнациональных отношений деградации нравственных ценностей дестабилизация социально-политической обстановки в стране инициирование недовольства населения действиями государственных органов и органов местного самоуправления негативное воздействие...
75949. Президентская избирательная компания 1996 года: ход, особенности, последствия 29.75 KB
  Выборы президента России были назначены на 16 июня 1996 года в соответствии с переходными положениями Конституции России и в связи с истечением срока полномочий Президента России-Бориса. Ельцина избранного в 1991 году президентом России РСФСР. Единственные на 2013 год президентские выборы в России где для определения победителя потребовалось два тура. Основными конкурентами считались действующий Президент России Б.
75950. Причины и стадии экономического роста в РФ в начале ХХI века 15.21 KB
  В это время начался рост производства вызванный последствиями дефолта в результате которого возросли цены в рублях на импортные изделия и появился стимул к замещению импорта наращиванием товаров отечественного производства. Росту производства в России помог также рост мировых цен на нефть и газ достигших в конце 2007 г. Вместе с тем этот этап экономического развития России всё ещё характеризовался недостаточной стабильностью роста производства особенно в промышленности чрезмерной зависимостью от мировых цен на сырьё недостаточной...