Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Modul_3_Osnovnye_chislennye_metody.docx
Скачиваний:
32
Добавлен:
20.11.2018
Размер:
236.23 Кб
Скачать

Тема 3.2. Численное интегрирование. Приближенное вычисление определенных интегралов.

  1. Понятие численного интегрирования.

  2. Метод прямоугольника.

  3. Метод трапеций.

  4. Метод парабол.

Пункт 1. Понятие численного интегрирования.

Численное интегрирование (историческое название: (численная) квадратура) - вычисление значения определённого интеграла (как правило, приближённое), основанное на том, что величина интеграла численно равна площади криволинейной трапеции, ограниченной осью абсцисс, графиком интегрируемой функции и отрезками прямых x = a и x = b, где a и b - пределы интегрирования (см. рисунок).

Необходимость применения численного интегрирования чаще всего может быть вызвана отсутствием у первообразной функции представления в элементарных функциях и, следовательно, невозможностью аналитического вычисления значения определённого интеграла по формуле Ньютона-Лейбница. Также возможна ситуация, когда вид первообразной настолько сложен, что быстрее вычислить значение интеграла численным методом.

Пункт 2. Метод прямоугольника.

Пусть требуется определить значение интеграла функции на отрезке . Этот отрезок делится точками на равных отрезков длиной Обозначим через значение функции в точках Далее составляем суммы Каждая из сумм - интегральная сумма для на и поэтому приближённо выражает интеграл

Если заданная функция - положительная и возрастающая, то эта формула выражает площадь ступенчатой фигуры, составленной из «входящих» прямоугольников, также называемая формулой левых прямоугольников, а формула

выражает площадь ступенчатой фигуры, состоящей из «выходящих» прямоугольников, также называемая формулой правых прямоугольников. Чем меньше длина отрезков, на которые делится отрезок , тем точнее значение, вычисляемое по этой формуле, искомого интеграла.

Очевидно, стоит рассчитывать на бо́льшую точность если брать в качестве опорной точки для нахождения высоты точку посередине промежутка. В результате получаем формулу средних прямоугольников:

, где .

Учитывая априорно бо́льшую точность последней формулы при том же объеме и характере вычислений её называют формулой прямоугольников.

Погрешность формулы прямоугольника:

, где .

Пример 10.

Вычислить интеграл при n=10 с точностью до 0,0001 по формулам прямоугольников.

Решение:

Разделим интервал интегрирования [0; 1] на 10 равных частей шаг разбиения.

Найдем точки деления хn и значения подынтегральной функции в этих точках.

n

xn

0

0

2.2136

1

0.1

2.2363

2

0.2

2.2378

3

0.3

2.2421

4

0.4

2.2503

5

0.5

2.2638

6

0.6

2.2839

7

0.7

2.3115

8

0.8

2.3478

9

0.9

2.3935

10

1.0

2.4494

Используя одну из формул прямоугольников , имеем

Для нахождения абсолютной погрешности формулы прямоугольников вычислим наибольшее значение первой производной в интервале [0; 1].

;

тогда предельная абсолютная погрешность Rn приближения равна:

Ответ: .

Пример 11.

Вычислить интеграл при n=10 и ε=0,001 по формуле прямоугольника.

Решение:

Разделим интервал интегрирования [1; 2] на 10 равных частей шаг разбиения.

Найдем точки деления хn и значения подынтегральной функции в этих точках.

n

xn

0

1,0

1.000

1

1.1

1.049

2

1.2

1.095

3

1.3

1.140

4

1.4

1.183

5

1.5

1.225

6

1.6

1.265

7

1.7

1.304

8

1.8

1.342

9

1.9

1.378

10

2.0

1.414

Используя одну из формул прямоугольников , имеем

.

Для нахождения абсолютной погрешности формулы прямоугольников вычислим наибольшее значение первой производной в интервале [1; 2].

.

Так как y’ на отрезке [1; 2] достигает наибольшего значения при х=1, отсюда .

Ответ: .

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]