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

72001. Таблиці додавання і віднімання числа 4. Додавання і віднімання за допомогою числового відрізка. Складання і розв’язування задач за коротким записом 42 KB
  Мета: Скласти таблицю додавання і віднімання 4; вправляти учнів у розв’язуванні прикладів на додавання й віднімання чисел 3 і 4; вдосконалювати навички усної лічби; розвивати мислення. Обладнання: таблиця «Додавання і віднімання числа 4»; предметні малюнки; картки для роботи в парах...
72002. Урок-сказка «Новые приключения Красной Шапочки» 67 KB
  Цели: совершенствовать вычислительные навыки детей и умения решать задачи; развивать внимание, логическое мышление и воображение детей; воспитывать интерес к предмету. Оборудование: картонные фигурки главных героев сказки, полоски из бумаги, таблицы, часы.
72003. Нахождение неизвестной части по целому и известной части 64 KB
  Цели урока. Выделить и зафиксировать неизвестную величину. Сконструировать способ нахождения части по известному целому и другой части. Обучать учащихся составлению моделей различных видов. Тип урока. Моделирование выделенного отношения в предметной, графической и знаковой формах.
72004. Число і цифра 3. Порівняння чисел у межах 3. Написання цифри 3. Порівняння довжини і товщини предметів 64 KB
  МЕТА. Розкрити зміст поняття число і цифра 3;ознайомити учнів з утворенням числа 3, учити писати цифру 3, порівнювати числа в межах трьох; порівнювати предмети за товщиною, користуючись словами: «товстий», «тонкий», «товщий», «тонший», «однакові».
72005. Узагальнення навичок розв’язувати приклади в межах 10. Задачі на знаходження суми 41.5 KB
  Мета: узагальнювати вміння учнів розв’язувати приклади в межах 10, порівнювати число і вираз, знаходити невідомий доданок, зменшуване, від’ємник; розв’язувати задачі на знаходження суми, порівнювати числа та вираз, визначати одиниці виміру рідини, довжини, маси...
72006. Составление и решение выражений на сложение 122.5 KB
  Цель: закрепить умение составлять и вычислять выражения на сложение; упражнять в написании цифр, счете в пределах 9, сравнении чисел, распознавании многоугольников; развивать наблюдательность, зри тельную память, сообразительность, формировать познавательный интерес...
72007. Прибавление числа 9 с переходом через десяток 85.5 KB
  Цель. Познакомить с прибавлением числа 9 с переходом через десяток; продолжать формировать вычислительные навыки; повторить решение задач на нахождение уменьшаемого; повторить геометрические фигуры, правила дорожного движения; развивать логическое мышление; прививать любовь к математике.