【数值分析】复化积分公式

简介:  对于积分: 只要找到被积公式的原函数F(x),利用牛顿莱普利兹公式有: 但是,实际使用这种求积分的方法往往是有困难的,因为大量的被积函数的原函数是不能用初等函数表示的;另外,当f(x)是由测量或数值计算给出的一张数据表时,牛顿莱普利兹公式也无法直接运用,因此有必要研究积分的数值计算问题。
 对于积分:

只要找到被积公式的原函数F(x),利用牛顿莱普利兹公式有:

但是,实际使用这种求积分的方法往往是有困难的,因为大量的被积函数的原函数是不能用初等函数表示的;另外,当f(x)是由测量或数值计算给出的一张数据表时,牛顿莱普利兹公式也无法直接运用,因此有必要研究积分的数值计算问题。
    对于一些理论的推导,大家可以看看维基百科,下面我 主要给出牛顿-科特斯公式在n=1(梯形求积公式)、n=2(辛普森公式)的情况,并通过代码实现
梯形公式:

辛普森公式:

应用高阶牛顿-科特斯公式计算积分时,会出现数值不稳定的情况,而低阶公式往往因为积分步长过大使得离散误差变大,因此,为了提高求积公式的精度,可以把积分区间分成若干个子区间,在每个子区间上使用低阶求积公式,然后将结果加起来,这种方法称为复化求积法。

复化梯形公式
   将区间[a,b]划分为n等分,步长为h=(b-a)/h,节点为 ,在每个子区间 使用梯形公式得:

复化辛普森公式
根据复化梯形公式的推导,同理可得复化辛普森公式为:

下面我们通过实例来实现复化梯形公式和复化辛普森公式:
        对于函数f(x)=sin(x)/x,试用复化梯形公式和复化辛普森公式计算函数f(x)在[0,1]上的积分。

具体的程序实现如下:
#include<stdio.h>
#include<math.h>
double Function(double x)//所要计算积分的函数f(x)
{
    if(x==0)//sin(x)/x在0处的取值为1
        return 1;
    else
        return sin(x)/x;
}
//复化梯形公式
double Trapz(double a,double b,int n)
{
    double h=(b-a)/n;
    double T=0;
    for(int i=1;i<n;i++)
    {
        T=T+Function(a+i*h);
    }
    T*=2;
    T=(Function(a)+Function(b)+T)*h/2;
    return T;
}
//复化辛普森公式
double MulripleSimpson(double a,double b,int n)
{
    double h=(b-a)/n;
    double T=0;
    for(int i=0;i<n;i++)
    {
        T=T+Function(a+i*h)+4*Function(a+(i+0.5)*h)+Function(a+(i+1)*h);
    }
    T=T*h/6;
    return T;
}
void main()
{
    printf("使用复化梯形公式可得:%f\n",Trapz(0,1,8));
    printf("使用复化辛普森公式可得:%f\n",MulripleSimpson(0,1,4));
}

运行结果如下图:



结果分析:
     比较复化梯形公式和复化辛普森公式两种方法的运行结果,我们发现复化辛普森公式与准确值0.9460831更加接近,复化梯形公式只有2位有效数字,而复化辛普森公式有6为有效数字。




目录
相关文章
|
5月前
线性代数——(期末突击)概率统计习题(概率的性质、全概率公式)
线性代数——(期末突击)概率统计习题(概率的性质、全概率公式)
44 1
|
5月前
高等数学II-知识点(2)——定积分、积分上限函数、牛顿-莱布尼茨公式、定积分的换元、定积分的分部积分法
高等数学II-知识点(2)——定积分、积分上限函数、牛顿-莱布尼茨公式、定积分的换元、定积分的分部积分法
51 0
03 微积分 - 积分
03 微积分 - 积分
49 0
海南大学练习2复变函数与积分变换
海南大学练习2复变函数与积分变换
152 0
海南大学练习2复变函数与积分变换
|
关系型数据库 RDS
[再寄小读者之数学篇](2014-06-18 积分、微分不等式)
设 $f$ 为 $[0,1]$ 上的连续正函数, 且 $\dps{f^2(t)\leq 1+2\int_0^t f(s)\rd s}$. 证明: $f(t)\leq 1+t$.   证明: 设 $\dps{F(t)=\int_0^t f(s)\rd s}$, 则 $F(0)=0$, 且 $...
604 0
[再寄小读者之数学篇](2014-06-18 微分、积分中值定理一起来)
设 $f$ 在 $[0,1]$ 上可微, 且满足条件 $\dps{f(1)=3\int_0^{1/3} e^{x-1}f(x)\rd x}$, 证明: 存在 $\xi\in (0,1)$, 使得 $f(\xi)+f'(\xi)=0$.
804 0
[再寄小读者之数学篇](2014-06-03 微分、积分中值定理的应用)
设 $f$ 在 $[0,1]$ 上连续, 在 $(0,1)$ 内二阶可导, 且 $$\bex \lim_{x\to 0}\cfrac{f(x)}{x^2}\mbox{ 存在,}\quad \int_0^1 f(x)\rd x=f(1).
760 0