Числено интегриране: Difference between revisions

From Ilianko
 
(2 intermediate revisions by the same user not shown)
Line 157: Line 157:
====Анализ====
====Анализ====


[http://ilianko.com/files/Simpson08s.pdf]
[http://ilianko.com/files/Simpson08s.pdf Simpson’s Rule and Newton-Cotes Formulas]
 
[http://ilianko.com/files/numerical_integration_example.pdf промери]
 
[http://ilianko.com/files/numerical_integration.pdf теория]
 
[http://ilianko.com/files/numerical_integration_lecture.pdf лекция]

Latest revision as of 14:14, 6 January 2013

В числения анализ, числено интегриране определя група от алгоритми за намиране стойността на определен интеграл. Понятието се използва и при численото решаване на диференциални уравнения.

Идеята на численото интегриране е функцията f(x) да се приближи с подходяща функция φ(x), която по-лесно може да се интегрира. f(x)=ϕ(x)+r(x), където:

  • ϕ(x) може да се интегрира точно
  • r(x) e остатъка (грешката - residual)

Най-често φ(x) е интерполационен полином построен по някакви възли в интервала [a,b] за f(x).

Числените методи за интегриране се налага да се използват:

  • Когато не съществува примитивна функция за f(x) (интегралът не се изразява с елементарни функции)
  • когато примитивната функция за f(x) е много сложен израз

Ако f(x) е плавно изменяща се функция, която може да се интегрира в малък брой измерения и има определени гранични стойности, съществуват редица методи с различна степен на точност за апроксимиране на интеграла ∫abf(x)dx.


Представяме интеграла по следния начин: ∫abf(x)dx=∑i=1nAif(xi)+R(f).

Формули на Нютон-Коутс за числено интегриране

Пример. Да се пресметне по формулата на десните правоъгълници ∫23ln(x)xdx,n=10

Решение. По условие [a,b]=[2,3];n=10


Метод на правоъгълниците

h=b−an=3−210=0.1

Метод на правоъгълниците

Съгласно I≈∫ab=∫x0x1+∫x1x2+...+∫xn−1xn=y0h+y1h+...+yn−1h=h∑i=0n−1yi

x = {2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9, 3}

y = {0.346574, 0.353303, 0.35839, 0.362134, 0.364779, 0.366516,0.367504, 0.367871, 0.367721, 0.367142, 0.366204}.

I≈h∑i=0n−1yi=0.362193

Аналитично решение

∫23log(x)xdx=1/2(log2(3)−log2(2))≈0.363248

Решение с Матлаб

h = 0.1 % step
m = 0; % sum
for i = 2:h:3-h
m = log(i)/i + m
end
I = m*h
I =  0.36219

Оценка на грешката

Грешка от интегриране: |r0|≤|∫x0x1R0dx |≤M1|∫x0x1(x−x0)dx |=M1(x−x0)22|x0x1=M1h22=O(h2)

Сумарна грешка:

R≤n*M1h22=M1h(b−a)2


M1=max⁡[2,3]|f′(ξ)|

f=ln(x)x за f′=1−ln(x)x2

Максималната стойност в [2,3] на f′=1−ln(x)x2 е при x = 2

M1=1−ln(2)22=0.077

R=M1h(b−a)2=0.077*0.1/2=0.004

Анализ

Разликата от аналитичното решение и численото решение е 0.3632−0.3621=0.0011, което е в рамките на максималната грешка.

Формула на трапеца

Геометрично извеждане

Идеята на геометричното извеждане е да замести площта под кривата y = f(x) за x = a до х = b с площта на трапец ограничена от точките (a, 0), (b, 0), [a, f (a)], и [b, f (b)].

Метод на трапеца

∫abf(x)dx≈b−a2[f(a)+f(b)]

Правилото на трапеца няма как да е точно за големи интервали, но ако разглежданият интервал се раздели на по-малки интервали и се сумират техните стойности ще се получи сравнително точно заместване. Ако функцията f има втора производна то грешката от интегриране намалява с h2, където h e големината на интеграла.

∫abf(x)dx≈h(f(x0)2+f(x1)+…+f(xn−1)+f(xn)2)

Аналитично извеждане

L1(x)=y0x−x1x0−x1+y0x−x1x1−x0<=>L1(x)=y0x−x1h+y0x−x1h

грешка на приближението R1(x)=f″(ξ)2(x−x0)(x−x1)

|R1(x)|≤M22|(x−x0)(x−x1)| , където

M2=max⁡[a,b]|f″(ξ)|

f(x)=L1(x)+R1(x)

Интегрираме в интервала [x0,x1],I=∫x0x1f(x)dx=∫x0x1L1(x)dx+∫x0x1R1(x)dx


I≈∫x0x1L1(x)dx==∫x0x1(y0x−x1−h+y1x−x0h)dx=∫x0x1y0x−x1−hdx+∫x0x1y1x−x0hdx=y0−h∫x0x1(x−x1)dx+y1h∫x0x1(x−x0)dx=y0−h(x−x1)22|x0x1+y1h(x−x0)22|x0x1=h(y0+y1)2

|r1|≤M2h312

Формули

I≈h(y0+yn2+∑i=1n−1yi)

|R(x)|≤nM22h312=M2(b−a)12h2

Решение

Пример. Да се пресметне по формулата на десните правоъгълници ∫23ln(x)xdx,n=10

h = 0.1;
sum = 0;
for i = 2+h:h:3-h
sum = log(i)/i + sum
end
sum = sum + (log(2)/2+log(3)/3)/2
I = sum*h
I =  0.36317

Грешка

Анализ

Формула на Симпсън

Постановка

Решение

Грешка

Анализ

Simpson’s Rule and Newton-Cotes Formulas

промери

теория

лекция