电脑基础知识数值积分.pptxVIP

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在许多实际问题中,常常需要计算定积分I= 的值,根据微积分基本定理,只要求出f(x)的原函数便可以利用牛顿-莱布尼茨公式: 求得定积分的值。 ;但实际求解过程往往遇到困难,如找不到被积函数的用初等函数表示的原函数,或者是由测量或数值计算给出的一张数表,而不知其解析表达式,都不能用牛顿-莱布尼茨公式。;3.1 基本概念;分割就是把总量(整块曲边梯形面积)分成若干分量(小曲边梯形面积); 近似就是在每个分量中用容易计算的量去代表(这里是用矩形面积近似曲边梯??面积); 求和就是把分量加起来得到总近似值; 最后取极限就得到积分精确值。 从以上分析看到,前三步都比较容易,最后一步取极限计算较困难。现在既然把求积分精确值变成求积分近似值,因而就可以省掉取极限这一步,只要经过前三步就能得到积分的近似值。这就是我们建立数值积分公式的基本思想。;下面我们给出几个简单的数值积分公式:;3.1 基本概念;3.1 基本概念;3.1 基本概念;3.1 基本概念;3.1 基本概念;3.1 基本概念;3.1 基本概念;由此可见,引进代数精度的概念作为衡量求积公式的精确性是十分自然的。这里,;3.1 基本概念;3.2 牛顿-柯特斯公式;3.2 牛顿-柯特斯公式;F(n+1)(x)=(n+1)! ?(x)=(x-x0)(x-x1)…(x-xn);3.2 牛顿-柯特斯公式;定理4 f(x)在[a,b]有四阶连续导数,则Simpson公式有下列误差估计;几个低阶的Newton-Cotes公式余项;3.3 龙贝格算法; 将区间逐步分半的算法: 先在整个区间[a,b]上应用梯形公式近似计算出T1;然后将[a,b]二等分,对n=2应用复化的梯形公式计算出T2;再将每个小区间二等分,即[a,b]四等分,对n=4应用复化的梯形公式计算出T4;如此下去,直到相邻两个值之差小于允许的误差为止,在计算后面的T2n时可以用前面算出的Tn的值。 ; 由余项公式可知,复化梯形公式仅对一次多项式精确成立,收敛速度是 ;而复化Simpson公式对所有次数不超过3的多项式精确成立,收敛速度是 ,所以一般来说Simpson公式要比梯形公式好。 ; 我们可以用逐次分半的方法计算T1,T2,T4,T8…;则由公式(3.2)就可以计算出复化的Simpson公式的值S1,S2,S4,S8…;同样用Sn和S2n作适当的线性组合又可以得到更好的求积公式,这种用两个相邻的近似公式(其中一个公式是由另一个公式的分半得到的)的线性组合而得到更好的近似公式的方法,就是龙贝格算法,也叫逐次分半加速法。 ;3.3 龙贝格算法; (3)再将区间分半,算出 和 由此计算T4,S2,再由逐次分半加速公式中的 计算出C1。;(4)将区间再分半,算出 , 和 由此计算T8,S4,C2。并由逐次分半加速公式中的; (5)再将区间分半,重复第4步过程计算出T16,S8,C4,R2。反复进行此过程,可算出R1, R2, R3, R4,……直到前后两个R值之差不超过给定精度要求为止。 整个计算过程就是将区间逐次分半,然后加速得到积分近似值,所以叫逐次分半加速法。;龙贝格算法:;3.4高斯公式; 一点高斯公式是我们所熟悉的中矩形公式; 现在推导两点高斯公式:;解方程,得到:; 对于任意求积区间[a,b],通过变换: 可将求积区间[a,b]变到区间[-1,1]。;(3.7);定理5: 节点xk(k=1,2,…,n)是高斯点的充分必要条件是,?(x)=(x-x1)(x-x2)…(x-xn)与所有次数少于n-1的多项式正交。即下列公式成立;3.5 应用实例;而曲线的最低点(0,y(0))和最高点(50,y(50))的高度差距为10米。所以,应该有;我们可以用简单的折线代替悬链线,也可以用抛物线代替悬链线计算出电缆长度的近似值。 用过点(-50,10),(0,0),(50,10)的折线代替悬链线计算电缆的长度,实际是通过点(-50,10),(0,0), (50,10)建立了一个分段线性插值函数,用这个分段线性插值函数近似悬链曲线。这条线的长度为:;用过点(-50,10),(0,0),(50,10)的抛物线代替悬链线计算电缆的长度,实际是通过点(-50,10), (0,0), (50,10)建立了一个二次插值函数,用这个二次插值函数近似悬链曲线。 因为抛物线通过原点,可以假设;例:下面,我们再给出一个类似的实际问题。 某旅游景点从山脚到山顶有一缆车索道。全长约1

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