一、问题的背景和目的 二、问题分析 三、例题 定积分的近似计算 一、问题的背景和目的 二、问题分析 三、例题
一、问题的背景和目的 定积分计算的基本公式是牛顿-莱布尼兹公式,但当被积函数的原函数不知道时,如何计算?这时就需要利用近似计算。特别是在许多实际应用中,被积函数甚至没有解析表达式,而是一条实验记录曲线,或一组离散的采样值,此时只能用近似方法计算定积分。 本讲主要介绍定积分的三种近似计算算法:矩形法、 复化梯形法和辛普森公式,及其误差分析。
二、问题的分析 我们知道定积分,不论在实际问题中的意义是什么,在数值上都等于(设f(x)>0),直线与x轴所围成的曲边梯形的面积。因此,只要近似地算出相应的曲边梯形的面积,就得到了所给定积分的近似值。近似计算方法的基本思想还是分割、取点、求和这三个步骤。
基本思路 定积分的定义 定积分的近似
分割:为计算方便,一般采取等分法。 把区间[a b]n等分,即用分点a x0, x1, x2, ,xn1, xnb 把区间[a b]分成n个长度相等的小区间,每个小区间的长为 取点:点 可以任意选取,通常的取法有: 左端点、右端点,就是左矩形法和右矩形法。
左矩形法
左矩形法 在每个小区间[xi1 xi]上,取x i= xi1,从而对于任一确定的自然数,有 这种方法称为左矩形法,上述公式称为左矩形公式。
右矩形法
右矩形法 如果取x i= xi,则可得近似公式 这种方法称为右矩形法,上述公式称为右矩形公式。
梯形法
梯形法 这种求定积分近似值的方法为复化梯形法,此公式称为复化梯形公式
辛普森公式
辛普森公式 把区间[a b]2n等分,每个小区间的长为 过三点可以确定一条抛物线 先计算[-h,h]上,以过 三点的抛物线 为曲线的曲边梯形的面积S :
辛普森公式 同理可以得到区间 上以抛物线为曲边的曲边梯形的面积:
辛普森公式 特别的,当n=1时 上述公式称为辛普森公式或抛物线公式。
误差估计 当n=1时,左矩形法和右矩形法的余项的绝对值为 两个矩形公式均具有一次代数精度。
误差估计 复化梯形法的误差估计为
误差估计 辛普森公式的误差估计为
三、例题 试用复化梯形公式计算积分 将区间[0,1]1000等分,并估计误差。
解:在Matlab中编写程序: function t=ftrapz(a,b,n) h=(b-a)/n;t=h*(f(a)+f(b))/2;for i=1:1:(n-1) t=t+h*f(a+h*i); end I=t 及 function f=f(x) if x==0 f=1;else f=sin(x)/x; 应用复化梯形法求得 .
要估计误差,要求 而 得复合梯化公式误差