Дослідження методів чисельного інтегрування

Курсовой проект - Компьютеры, программирование

Другие курсовые по предмету Компьютеры, программирование

Міністерство освіти і науки України

Вінницький національний технічний університет

Інститут автоматики, електроніки та компютерних

систем управління

 

Факультет АКСУ

Кафедра АІВТ

 

 

Курсова робота

з дисципліни

Обчислювальні методи та застосування ЕОМ

 

Дослідження методів чисельного інтегрування

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2006

Анотація

 

В даній курсовій роботі розроблена програма для обчислення визначеного інтегралу методом Чебишева третього четвертого та пятого порядків.

Програма дозволяє отримати розвязання інтегралу зазначеним методом, оцінити похибки та порівнювати їх з точним обчисленнями отриманими в математичному пакеті Mathcad 2001 Professional.

 

1. Теоретичні відомості

 

У курсовій роботі проведено дослідження методів чисельного інтегрування. Адже, у задачах, повязаних з аналізом, ідентифікацією, оцінкою якості, моделюванням різноманітних пристроїв автоматики, керування, інформаційно-вимірювальної техніки, радіоелектроніки, виникає необхідність обчислення визначених інтегралів.

В основу чисельного інтегрування покладено наближене обчислення площини під кривою, яка описується підінтегральною функцією інтеграла:

 

 

Загальний підхід до розвязування цієї задачі такий: визначений інтеграл I являє собою площину, обмежену кривою f(х), віссю Х та прямими Х = a, Х =b, відрізок від a до b розбивають на множину менших відрізків, знаходять наближено площу кожної площини Si, яку отримують за таким розбиванням, значення інтеграла І знаходять як суму площ площин Sі, тобто I = Si. При цьому використовують два способи розбивання початкового відрізка на менші

1.Розбивання відрізка проводиться раніше, до того ж завжди відрізок вибирають рівним (метод прямокутників, трапецій, Сімпсона).

2.Місцезнаходження та довжина відрізків визначаються аналізом, до того ж спочатку ставиться за мету досягти найбільшої точності з заданим числом відрізків, а потім відповідно з цим визначають їхні межі (методи Гаусса, Ньютона - Котеса, Чебишева) [1].

 

1.1 Метод прямокутників

 

Найпростішим методом наближеного обчислення інтеграла є метод прямокутників, геометрична інтерпретація якого зводиться до знаходження визначеного інтеграла як суми площ N прямокутників (з висотою f(x) та основою h=xi=xi+1-xi), отриманих розділень відрізка[a,b] на N рівних частин, до того ж якщо розділити на прямокутники зліва на право, то отримаємо формулу лівих прямокутників:

 

In=f(x)dxSi=h[f(x0)+f(x1)+...+f(xn-1)]=f(xi);(1.1)

 

якщо ж розділити на N прямокутників справа на ліво, то отримаємо формулу правих прямокутників:

 

Iпр=f(x)dxh[f(xn)+...+f(x1)]=f(xi)(1.2)

 

1.2 Метод трапецій

 

Суть методу трапеції, полягає в тому, що інтеграл обчислюється по-іншому, відрізок інтегрування поділяється на N рівних відрізків, всередині яких підінтегральна крива f(x) замінюється кусково- лінійною функцією (x), отриманою стягуванням ординат N відрізків хордами.

Обчислення визначеного інтеграла зводиться до знаходження сум площ Si прямокутних трапецій N.

Площа кожної такої трапеції визначається як:

 

Si=h(f(xi)+f(xi+1)).(1.3)

Отже, формула трапеції:

 

I=Si=h(f(x0)+f(x1)+f(x2)+...+f(xn-1)+f(xN)= =[(f(x0)+f(xn))+f(xi)].(1.4)

 

Графічна модель

 

 

 

 

 

 

 

Похибка обчислення інтеграла за формулою трапецій оцінюється як

 

(1.5)

 

Де М2 максимальне значення другої похідної. f(x) при ,h-крок обчислень.

 

1.3 Метод Сімпсона (метод парабол або метод криволінійних трапецій)

 

Цей метод також використано у курсовій роботі, близький до методу трапецій у тій частині, що інтегрування проводиться шляхом поділу відрізка інтегрування [а, b] на множину відрізків (N пар відрізків). Однак, з метою збільшення точності наближеного інтегрування на кожному відрізку [Xi, Xi+2] підінтегральної функції f(x) замінюють квадратичною параболою (x), обчислення визначеного інтеграла зводиться до обчислення суми N криволінійних трапецій Si: I= f(x)dxSi [1].

 

Графічна модель.

 

Площа кожної такої трапеції визначається за формулою Сімпсона:

 

Si= [f(xi)+4f(xi+1)+f(xi+2)], (1.6), тобто

(y0+4y1+y2),

(y2+4y3+y4),

(y4+4y5+y6), (1.7)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(y2n-2+4y2n-1+y2n),

 

Тоді чисельне значення визначеного інтеграла на відрізку [a,b] дорівнюватиме сумі інтегралів, тобто

[y0+y2n+4(y1+...+y2n-1)+2(y2+...+y2n-2)],

 

або

 

[y0+y2n+4y2i-1+2y2i],(1.8)

 

де h =(b-a)/2N.

Похибка обчислення інтеграла за формулою Сімпсона оцінюється як

 

 

де М4 максимальне значення четвертої похідної. f(x) при , h-крок обчислень.

 

1.4 Метод Ньютона-Котеса

 

Цей метод засновано на апроксимації однієї із сторін криволінійної трапеції, яка отримується поділом відрізка [a,b] на N рівних частин, многочленами вищих порядків, також як у методі трапецій використовується лінійна апроксимація (заміна однієї із сторін трапеції прямою лінією), а в методі Сімпсона - апроксимація параболою.

Основна формула методу:

 

yiHi,(1.9)

 

де Hi - коефіцієнти Ньютона - Котеса. Ці коефіцієнти не залежать від вигляду f(x), а є функцією тільки N (кількість вузлів інтерполяцїї). Таким чином, коефіцієнти Ньютона -