98908

Применение интегрированных программных систем автоматизации математических расчетов

Курсовая

Информатика, кибернетика и программирование

Метод Симпсона. Метод прямоугольников. Для этого он вынужден изучать языки программирования и многочисленные подчас весьма тонкие капризные численные методы математических расчетов. Метод Симпсона Метод Симпсона также Ньютона-Симпсона относится к приёмам численного интегрирования.

Русский

2016-07-14

762 KB

0 чел.

Содержание

Введение…………………………………………………………………………………………......2
1 Теоретическая часть……………………………………………………………………………...3
1.1 Метод Симпсона..………………………………………………………………………………3
1.2 Метод прямоугольников………………………………………..………………………………4

2 Практическая часть...……………………………………………………………………………..7
2.1 Решение нелинейных уравнений………………………………………………………..……7
2.2 Решение систем линейных уравнений. …………………………………………...…………11
2.3 Аппроксимация функций..…………………………………………………………...………17
2.4 Вычисление определенного интеграла………………………………………………………23
2.5 Решение обыкновенных дифференциальных уравнений…………………………......……26

Заключение…………………………………………………………………………………….…..32

Список литературы......……………………………………………………………………………33

                                                                   


Введение

Математические и научно - технические расчеты являются важной сферой применения персональных компьютеров. Часто они выполняются с помощью программ, написанных на языке высокого уровня, например Бейсике или Паскале. Сегодня эту работу нередко выполняет обычный пользователь ПК. Для этого он вынужден изучать языки программирования и многочисленные, подчас весьма тонкие капризные численные методы математических расчетов. Нередко при этом из-под руки способного физика, химика или инженера выходят далёкие от совершенства программы.

Это не вполне нормальное положение может изменить к лучшему применение интегрированных программных систем автоматизации математических расчетов (Eureka, MathCAD, MatLab и др.). Здесь рассматриваются возможности и эволюция одной из таких систем - MathCAD.

Фирма MathSoft Inc.(США) выпустила первую версию системы в 1986 г. Главная отличительная особенность системы MathCAD заключается в её входном языке, который максимально приближён к естественному математическому языку, используемому как в трактатах по математике, так и вообще в научной литературе. В последнее время широкое распространение получили пакеты математических программ (или математические системы), которые можно использовать для различных вычислений и вычерчивания графиков (Mathematica, Derive, Statistica, MathCAD, MathLAB и др.). В этих системах процесс вычислений сильно автоматизирован, что позволяет экономить время и больше внимания уделять физическому смыслу получаемого результата. Выбор системы зависит от характера решаемых задач, от вкуса, от практики.


1 Теоретическая часть

1.1 Метод Симпсона

Метод Симпсона (также Ньютона-Симпсона) относится к приёмам численного интегрирования. Получила название в честь британского математика Томаса Симпсона (1710—1761).

Суть метода заключается в приближении подынтегральной функции на отрезке интерполяционным многочленом второй степени , то есть приближение графика функции на отрезке параболой. Метод Симпсона имеет порядок погрешности 4 и алгебраический порядок точности 3.

1.1.1 Формула

Формулой Симпсона называется интеграл от интерполяционного многочлена второй степени на отрезке :


где
, и  — значения функции в соответствующих точках (на концах отрезка и в его середине).

1.1.2 Погрешность

При условии, что у функции на отрезке существует четвёртая производная, погрешность , согласно найденной Джузеппе Пеано формуле, равна:

В связи с тем, что значение зачастую неизвестно, для оценки погрешности используется следующее неравенство:


1.2 Метод прямоугольников

Метод прямоугольников — метод численного интегрирования функции одной переменной, заключающийся в замене подынтегральной функции на многочлен нулевой степени, то есть константу, на каждом элементарном отрезке. Если рассмотреть график подынтегральной функции, то метод будет заключаться в приближённом вычислении площади под графиком суммированием площадей конечного числа прямоугольников, ширина которых будет определяться расстоянием между соответствующими соседними узлами интегрирования, а высота — значением подынтегральной функции в этих узлах. Алгебраический порядок точности равен 0. (Для формулы средних прямоугольников
равен 1).

Если отрезок является элементарным и не подвергается дальнейшему разбиению, значение интеграла можно найти по:

  1.  Формуле левых прямоугольников:
  2.  Формуле правых прямоугольников:
  3.  Формуле прямоугольников (средних):

1.2.1 Составные квадратурные формулы

В случае разбиения отрезка интегрирования на элементарных отрезков приведённые выше формулы применяются на каждом из этих элементарных отрезков между двумя соседними узлами. В результате, получаются составные квадратурные формулы

  1.  Для левых прямоугольников:
  2.  Для правых прямоугольников:
  3.  Для средних прямоугольников:

Формулу с вычислением значения в средней между двумя узлами точке можно применять лишь тогда, когда подынтегральная функция задана аналитически, либо
каким-нибудь иным способом, допускающим вычисление значения в произвольной точке. В задачах, где функция задана таблицей значений остаётся лишь вычислять среднее значение между интегралами, посчитанными по формулам левых и правых прямоугольников соответственно, что приводит к составной квадратурной формуле трапеций.

Поскольку составные квадратурные формулы являются ни чем иным, как суммами, входящими в определение интеграла Римана, при они сходятся к точному значению интеграла. Соответственно, с увеличением точность получаемого по приближённым формулам результата возрастает.

1.2.2 Составные формулы для равномерных сеток

Равномерную сетку можно описать следующим набором формул:

где  — шаг сетки.

Для равномерных сеток формулы прямоугольников можно записать в виде следующих формул Котеса:

  1.  Составная формула левых прямоугольников:
  2.  Составная формула правых прямоугольников:
  3.  Составная формула средних прямоугольников:

1.2.3 Погрешность

Для формул правых и левых прямоугольников погрешность составляет

Для формулы прямоугольников (средних)


Для составных формул правых и левых прямоугольников на равномерной сетке:

Для составной формулы прямоугольников:


2 Практическая часть

2.1 Решение нелинейных уравнений

Mathcad

2.1.1 Шаговый метод

Будем вычислять значение  F(x),двигаясь вправо с некоторым шагом h.

 

Построим график функции F(x):

Рисунок 2 – График функции

Построим таблицу значений «х» и таблицу значений F(x) :

2.1.2 Метод Ньютона (касательных)

Зададим диапазон изменения номера итерации и начальное приближение к корню:

Вывод таблицы приближенных решений для  итерации:


Excel

                                                           

  1.  Рассмотрим равнение:

Шаговый метод:

  1.  Левую часть за f(x)

2.1.3 Шаговый метод


Рисунок 2.1 – График функции

2.1.4 Метод половинного деления

2.1.5 Метод касательных

2.2 Решение систем линейных уравнений.

То, что слева запишем в виде матрицы, а то, что справа возьмем как столбец свободных членов:

Выполним несколько операций над матрицей «А»:

2.2.1 Метод обратной матрицы

2.2.2 Метод Крамера

Запишем матрицу А и столбец свободных членов b:

Найдем определитель матрицы:

Вычислим определители матриц, полученных заменой соответствующего столбца исходной матрицы столбцом свободных членов:

2.2.3 Метод Гаусса

Запишем матрицу А и столбец свободных членов b:

Формируем расширенную матрицу системы:

Приводим матрицу к ступенчатому виду:

Формируем вектор-столбец решения системы уравнений:


              

Excel

Запишем матрицу «А» и выполним несколько операций:

2.2.4 Метод обратной матрицы

2.2.5 Метод Крамера

Вычислим определители матриц, полученных заменой соответствующего столбца исходной матрицы столбцом свободных членов:

2.2.6 Метод Гаусса

1) Запишем матрицу А и столбец свободных членов b

2) Преобразуем матрицу так, чтобы на главной диагонали были 1

2.2.7 Метод итерации

 

Метод не работает, так как не прошла проверка на сходимость.

2.3 Аппроксимация функций

Mathcad

Функция задана векторами значений:

Количество итераций:

2.3.1 Линейная аппроксимация

Определим вектор функцию:


Вычислим параметр b:

Формула линейной функции:

Ошибка:

     

Рисунок 2.2 -  График функции

2.3.2 Аппроксимация 4-ой степени

      

 

Рисунок 2.3 - График функции

2.3.3 Параболическая аппроксимация

Рисунок 2.4 – График функции

2.3.4 Метод неопределенных коэффициентов

Рисунок 2.5 – график функции

Excel

Запишем исходные данные:

Строим график ,диапазон данных берем значения y, а так же значения проверки:

Рисунок 2.6 - Аппроксимация функции

2.4 Вычисление определенного интеграла

Mathcad

Запишем подынтегральную функцию и отрезок интегрирования:

Построим  график функции:

                                                 Рисунок 2.7  - график функции

Excel

Выводим таблицу:

 



Рисунок 2.8 – график функции

Рисунок 2.9 – Метод трапеций

Рисунок 2.10 - Метод правых прямоугольников

Рисунок 2.11 – Метод левых прямоугольников

2.5 Решение обыкновенных дифференциальных уравнений

Mathcad

2.5.1 Метод Эйлера

        Введем функцию:

 

Начальное значение:

Отрезок:

Шаг:

Количество точек:

 

Формула для вычисления таблицы:

Таблица значений:

2.5.2 Метод Рунге Кутта

Рисунок 2.12 – График решения

Excel

2.5.3 Метод Эйлера

Рисунок 2.13 – График функции

2.5.4 Метод Рунге-Кутта

Значение функции:

Рисунок 2.14  – Графики функций

Заключение

В заключение хотелось бы сказать, что при тщательном изучении обеих программ (Excel, MathCad),  может показаться, что первая более трудоемка и сложна в изучении при коротком курсе. Однако, Excel дает более подробный анализ того, или иного случая нежели MathCad, так как тот в совою очередь обеспечивает быстрый расчет благодаря удобному функционалу.

И все же, свое предпочтение  я отдаю Excel, так как считаю, что человеку, разобравшемуся, в данном ПО, не составит большого труда освоить пакет MathCad.


Список литературы

1. Мамонова Т.Е. Информационные технологии. Работа в MathCAD и MatLab: учебно-методическое пособие / Т.Е. Мамонова; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011г.
2. Лапчик, М.П. М Численные методы/ М.П. Лапчик, .И. Рагулина, Е.К. Хеннер.- Москва: Издательский центр «Академия», 2009
3.
http://ru.wikipedia.org/wiki/MathCad


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

51780. Загальна характеристика розвитку культури та літератури XIX ст., стильове розмаїття літератури. Реалізм як напрям у світовій літературі 2.76 MB
  Тип уроку: комбінований. Гі де Мопассан ХІД УРОКУ I. Гі де Мопассан: Розрадьте мене; утіште мене; дайте мені помріяти; розчульте мене; дайте мені змогу здригнутися; дайте мені змогу поплакати; дайте мені привід для роздумів звернення до епіграфа уроку. Оголошення теми й мети уроку IV.
51781. ВИТОКИ ДЖАЗУ 530 KB
  Джексон переконатись яку важливу роль у житті людей відіграє естрадна музика; пояснити учням значення понять спірічуелс блюз джаз імпровізація;. розвивати вокально – хорові навички зокрема навички кантиленного співу відчуття ритму слухацьку уяву; розвивати інтерес до творчості зірок російської естради; виховувати естетичний смак учнів; розвивати інтерес учнів до легкої музики зокрема джазової ФОРМУВАННЯ КОМПЕТЕНЦІЙ: ТВОРЧОЇ МУЗИЧНОЇ ЖИТТЄВОЇ МУЗИЧНИЙ...
51782. Сучасний випускник школи – сформована особистість 36 KB
  Сучасний випускник школи – сформована особистість Учительська професія – це людинознавство постійне безперервне проникнення у складний духовний світ людини. Основні характерологічні орієнтири особистості випускника Вільна особистість. Особистість що має високий рівень самосвідомості громадянськості та самодисципліни. Така що поважає себе усвідомлює свою цінність та цінність іншої особистості здатна нести відповідальність перед собою та суспільством Гуманна особистість – проявляє милосердя доброту здатність до...
51784. Соціально–психологічна проза 255.5 KB
  Доречно сказати що застосування опорних схем під час вивчення оглядових тем дає можливість дати загальне уявлення про ті чи інші явища зарубіжної літератури другої половини ХІХ – початку ХХ століття охопити поглядом епоху митців які творили в ній їхню творчість та її тематику основні принципи творення літератури уявлення про літературні напрямки течії їх ознаки та особливості. Соціально–психологічна проза ХІХ століття Соціально–психологічна проза ХІХ ст. у французькій літературі Соціально–психологічний роман в англійській...
51786. Формы и методы обучения информатике 148.5 KB
  Цель: Ознакомиться с основными формами и методами обучения информатике а также познакомиться с различными классификациями методов обучения. Теория и методика обучения информатике: Учеб. В дидактике под методами обучения понимаются способы совместной деятельности учителя и учащихся и способы организации познавательной деятельности школьников.
51788. Водоемы. Особенности состояния водоемов в различное время года. Соблюдение правил безопасности при купании в оборудованных и необорудованных местах 67 KB
  Особенности состояния водоемов в различное время года. Цель урока: усвоение учащимися знаний особенностей состояния водоемов в различное время года о безопасном поведении на водоемах в различное время года и в различных жизненных ситуациях наводнение движение по ледовой поверхности водоема аварии на морских и речных судах активный отдых на воде водные походы. Занятие: 1 Время: 40 минут Тип урока: комбинированный Учебнонаглядный комплекс: учебник Основы безопасности жизнедеятельности под ред. Вода была надёжной преградой...