Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Metodichka_ruchnoy_schet_chislennye_metody

.pdf
Скачиваний:
18
Добавлен:
28.03.2015
Размер:
1.08 Mб
Скачать

Документ Mcad:

Интерполяция полиномом 2-й степени

Зададим общий вид полинома 2-й степени P2(x)=a0+a1x+a2x2. Для нахождения коэффициентов полинома необходимо решить систему линейных уравнений.

a

 

a

 

x

 

a

 

x

2

y

 

 

 

 

 

 

 

0

 

1

 

0

 

2

 

0

 

0

 

 

 

 

 

a0 a1 x1 a

2 x12

y1 .

 

 

 

 

 

 

 

a1 x4 a

2 x

2

y4

 

 

 

 

 

a0

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

0,2 a 0,22

a

0,1

Получаем систему: a

0

0,4 a1

0,42

a 2

0,5 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a0 1 a1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 a2 0,7

(8)

(9)

23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,2

0,04

 

a

0

 

 

0,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

a

 

 

 

Запишем систему в матричном виде. 1

0,4

0,16

0,5 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 1

 

a2

0,7

Решим систему методом Гаусса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0,2

0,04

 

0,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0,4

0,16

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В результате получаем систему.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0,2

0,04

 

 

0,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1

0,6

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

1

 

 

2,0833

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Запишем полученные данные в виде системы линейных уравнений:

a

0

0,2a 0,04 a

2

0,1

 

1

 

 

 

 

a1 0,6 a2

2

.

 

 

a2 2,0833

 

 

 

 

 

 

 

 

Из 3-го уравнения a2 2,0833. Из 2-го уравнения найдѐм a1 2 0,6 a2 . a1 2 0,6( 2,0833) a1 3,25 . Из 1-го уравнения найдѐм

a0 0,1 0,2 a1 0,04 a2 a0 0,1 0,2 3,25 0,04 ( 2,0833) a0 0,4667 .

Запишем найденное уравнение P2(x) 0,4667 3,25 x 2,083 x2 . Найдѐм отклонения полученного полинома P2(x) от заданных точек y.

O P2(x ) y

 

P2(x ) 0,4667 3,25 x

2,083 x

2

P2(0,2) 0,1.

0

0

0

0

0

0

 

O0

0,1 0,1 0 .

 

 

 

 

O P2(x ) y

 

P2(x ) 0,4667 3,25 x 2,083 x 2

 

P2(0,4) 0,5 .

1

1

1

1

1

1

 

 

O1 0,5 0,5 0.

 

 

 

 

O P2(x ) y

2

P2(x ) 0,4667 3,25 x

2,083 x

2

P2(0,7) 0,79.

2

2

 

2

2

2

 

O2

0,79 0,6 0,19 .

 

 

 

 

O P2(x ) y

 

P2(x ) 0,4667 3,25 x

2,083 x 2

P2(0,85) 0,79 .

3

3

3

3

3

3

 

 

O3

0,79 0,9 0,11.

 

 

 

 

O P2(x ) y

4

P2(x ) 0,4667 3,25 x

2,083 x

2

P2(1) 0,7 .

4

4

 

4

4

4

 

O4

0,7 0,7 0 .

 

 

 

 

Метод Ньютона

полином 1-й степени (построенный на точках { yn,xn} и {ym,xm})

N1( t ) yn ( ym yn )( t xn ) ( xm xn )

полином 2-й степени (построенный на точках { yn,xn},{ ym,xm},{ yp,xp})

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( y p yn )

 

( ym yn )

 

 

 

 

 

 

 

( y

m

y

n

)

 

 

 

 

( x p xn )

 

( xm

xn )

 

 

 

 

 

N 2( t ) y

n

 

 

 

 

 

( t x

n

)

 

 

 

 

 

 

 

( t x

n

)( t x

m

)

( xm

xn )

 

( x p

xm )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

24

Интерполирующая функция 1-й степени построенная на 1-й и 3-й точках.

N1(t) y

( y3 y1 )

(t x ) .

 

 

 

 

 

1

(x3 x1 )

1

 

 

 

 

 

 

Подставим значения x1 ,x3 ,y1 ,y3 .

 

 

N1(t) 0,5

(0,9 0,5)

(t 0,4) . Сгруппируем коэффициенты у неизвестных.

 

 

(0,85 0,4)

 

 

 

Получим уравнение. N1(t) 0,144 0,889 t .

 

 

Найдѐм отклонения найденного уравнения от заданных точек.

 

N1(x0 ) 0,144 0,889 x0

N1(0,2) 0,144 0,889 0,2

O0 N1(0,2) y0

O0 0,222 .

N1(x1 ) 0,144 0,889 x1

N1(0,4) 0,144 0,889 0,4

O1 N1(0,4) y0

O1 0 .

N1(x2 ) 0,144 0,889 x2

N1(0,7) 0,144 0,889 0,7

O2 N1(0,7) y2

O2 0,166 .

N1(x3 ) 0,144 0,889 x3

N1(0,85) 0,144 0,889 0,85 O3 N1(0,85) y3 O3 0 .

N1(x4 ) 0,144 0,889 x4

N1(1) 0,144 0,889 1 O4 N1(1) y4 O4 0,333.

Интерполирующая функция 2-й степени построенная на 0-й и 2-й и 4-й точках.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( y4 y0 ) ( y2

y0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( y2 y0 )

 

 

 

 

 

(x4 x0 )

 

 

(x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N1(t) y

 

 

(t x

)

 

 

x0 )

 

(t x

)

(t x

 

)

0

 

(x2 x0 )

 

 

(x4 x2 )

 

 

 

2

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставим значения x0 , x2 , x4 , y0, y2 , y4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(0,7 0,1)

 

(0,6 0,1)

 

 

 

 

 

 

 

N 2(t) 0,1

 

(0,6 0,1)

(t 0,2)

 

(1 0,2)

 

 

(0,7 0,2)

(t 0,2)(t 0,7) .

 

 

 

(1 0,7)

 

 

 

 

 

(0,7 0,2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Получим N 2(t) 0,8333 t 2 1,75 t 0,21662 .

 

 

 

 

 

 

 

 

Найдѐм отклонения найденного уравнения от заданных точек.

 

 

 

N 2(x ) 0,8333 x 2

1,75 x

0,21662 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N 2(0,2) 0,8333 0,22 1,75 0,2 0,21662

O N 2(0,2) y

0

O 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

N 2(x ) 0,8333 x 2

1,75 x 0,21662 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N 2(0,4) 0,8333 0,42 1,75 0,4 0,21662

O N 2(0,4) y O 0,14995 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

1

 

 

 

N 2(x ) 0,8333 x 2

1,75 x

0,21662 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N 2(0,7) 0,8333 0,72 1,75 0,7 0,21662

O N 2(0,7) y

2

O 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

N 2(x ) 0,8333 x 2

1,75 x

0,21662 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

3

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N 2(0,85) 0,8333 0,852 1,75 0,85 0,21662

O N 2(0,85) y

O 0,23120 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

3

3

 

 

N 2(x ) 0,8333 x 2

1,75 x

0,21662 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

4

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N 2(01) 0,8333 12 1,75 1 0,21662 O N 2(1) y

4

O 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

Построим график функции N 2( x ) и отметим исходные точки на этом же графике.

25

Интерполяция полиномом 2 степени методом Ньютона

1

 

 

 

 

 

 

0,8

 

 

 

 

 

 

0,6

 

 

 

 

 

y

у

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,4

 

 

 

 

 

N2(x)

 

 

 

 

 

 

0,2

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

 

 

 

х

 

 

 

Кусочно-линейная интерполяция (Метод неопределѐнных коэффициентов)

На интервале от 0,2 до 1 задано 5 точек, получаем 4 отрезка. Интерполируем (метод Неопределенных коэффициентов) полиномом 1-й степени каждый отрезок. После нахождения каждого полинома запишем результат.

Системы для нахождения уравнений отрезков ломаной:

1-й отрезок (х0,х1)

2-й отрезок (х1,х2)

3-й отрезок (х2,х3)

4-й отрезок (х3,х4)

a1 a1 x y

a2

 

a2 x

y

a3 a3 x y

a4

 

a4

 

x

 

y

 

0 1 0 0

 

0

1 1

1

0 1 2 2

 

0

 

1

 

3

 

3

a10 a11 x1 y1

a20 a21 x2

y2

a30 a31 x3 y3

a40 a41 x4

y4

a10

Ответ: P1(x) a20

a30a40

a11 x,

при

x0

x x1

a21 x, при

x1

x x2

a31 x,

при

x2

x x3

a41 x,

при

x3

x x4

 

i

0

1

1-й отрезок (точки х0,х1)

x

0,2

0,4

 

y

0,1

0,5

Полином P11(x) a10 a11 x . По условию интерполяции полином должен проходить через точки, которые выбраны для построения, т.е.

P11(x

 

) y

 

;

a1

a1 x

 

y

 

;

 

 

 

 

0

 

0

 

Следовательно

0

1

0

 

0

 

.

 

 

P11(x1 ) y1.

a10

a11 x1

y1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a10

a11

0,2 0,1;

Подставим значения x0 , x1, y0 , y1 . В результате получаем

a11

0,4 0,5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a10

Неизвестными в системе являются a10 , a11 . Решим систему методом Гаусса.

1

0,2

 

0,1

1

0,2

 

0,1

 

 

a10

a11 0,2 0,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Получаем

 

 

0,2 0,4 .

1

0,4

 

0,5

 

 

0

0,2

 

0,4

.

a1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

Из 2-го уравнения найдем a11 0,4

0,2 2 .

 

 

Из 1-го уравнения найдем a10 0,1 0,2 a11 0,1 0,2 2 0,3. Запишем найденное уравнение P11(x) 0,3 2x .

26

Проверка. Значения в точках P11(х0 0,2) 0,3 2 0,2 0,1 у0 ;

P11(х1 0,4) 0,3 2 0,4 0,5 у1 .

Следовательно, прямая проходит через точки x0 , y0 , x1, y1 .

2-й отрезок (точки х1,х2)

i

1

2

 

x

0,4

0,7

 

y

0,5

0,6

Полином P12(x) a20 a21 x . По условию интерполяции полином должен проходить через точки, которые выбраны для построения, т.е.

P12(x ) y ;

 

a2

 

a2 x

y ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

Следовательно

0

1 1

 

1

 

.

 

 

 

 

 

 

P12(x2 ) y2 .

 

a20

a21 x2

y2 .

 

 

 

 

 

 

 

Подставим значения

x1,x2 , y1, y2 . В результате получаем

a20

a21

0,4 0,5;

 

a21

0,7 0,6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a20

Неизвестными в системе являются a20 , a21 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0,4

 

0,5

 

1

0,4

 

0,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решим систему методом Гаусса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

1

0,7

 

0,6

 

 

0

0,3

 

0,1

 

 

 

Запишем матрицу в виде системы

a20 a21 0,4 0,5;

 

 

 

 

a21 0,3 0,1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из 2-го уравнения найдем a21 0,1

0,3 0,333.

 

 

 

 

 

 

 

 

Из 1-го уравнения найдем a20 0,5 0,4 a21

0,5 0,4 * 0,333 0,3668.

Запишем найденное уравнение P12(x) 0,3668 0,333x .

 

 

 

Проверка. Найденное уравнение должно проходить через точки x1, y1 , x2 , y2 . P12(x1 0,4) 0,3668 0,333 0,4 0,5 y1 ,

P12(x2 0,7) 0,3668 0,333 0,7 0,6 y2 .

Следовательно, найденная прямая проходит через 1-ю и 2-ю точки.

3-й отрезок (точки х2,х3)

i

2

3

x

0,7

0,85

 

 

y

0,6

0,9

Полином P13(x) a30 a31 x . По условию интерполяции полином должен проходить через точки, которые выбраны для построения, т.е.

P13(x

 

) y

 

;

a3

 

a3 x

 

y

 

;

 

 

 

 

2

 

2

 

. Следовательно

0

1

2

 

2

 

.

 

 

P13(x3 ) y3.

a30

a31 x3

y3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a30

a31

0,7 0,6;

Подставим значения x2 ,x3 , y2 , y3 . В результате

 

 

a31

0,85 0,9.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a30

Неизвестными в системе являются a30 , a31 .

27

1

 

 

 

 

 

 

 

0,7

0,6

 

1

0,7

0,6

 

Решим систему методом Гаусса.

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

0

0,15

0,3

 

1

0,85

0,9

 

 

 

 

 

 

a30 a31 0,7 0,6;

Запишем матрицу в виде системы.

a31 0,15 0,3.

 

Из 2-го уравнения найдем a31 0,30,15 2 .

Из 1-го уравнения найдем a30 0,6 0,7 a31 0,6 0,7 2 0,8. Запишем найденное уравнение P13(x) 0,8 2x .

Проверка. Найденное прямая должна пройти через точки x2 , y2 , x3 , y3 .

P13(x2 0,7) 0,8 2 x2 0,8 2 0,7 0,6 y2 .

P13(x3 0,85) 0,8 2 x3 0,8 2 0,85 0,9 y3 .

Следовательно, найденная прямая проходит через 2-ю и 3-ю точки.

 

i

3

4

4-й отрезок (точки х3,х4)

x

0,85

1

 

y

0,9

0,7

Полином P14(x) a40 a41 x . По условию интерполяции полином должен проходить через точки, которые выбраны для построения, т.е.

P14(x

) y

;

a4

 

a4 x

y

;

 

 

3

3

 

Следовательно

0

1 3

3

 

.

P14(x4 ) y4 .

a40

a41 x4

y4 .

 

Подставим значения

x3 ,x4 , y3 , y4

a40 a41 0,85 0,9;

. В результате получаем

a40 a41 1 0,7.

 

 

 

Неизвестными в системе являются a40 , a41. Решим систему методом Гаусса.

1

 

 

1

 

 

 

0,85

0,9

0,85

0,9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0,7

 

 

0

0,15

0,2

.

1

 

 

 

a40 a41 0,85 0,9;

.

Запишем матрицу в виде системы

a41 0,15 0,2.

 

 

Из 2-го уравнения найдем a41 0,2

0,15 1,333 .

 

Из 1-го уравнения найдем a40 0,9 0,85 a41 0,9 0,85 ( 1,333) 2,033 .

Запишем найденное уравнение P14(x) 2,033 1,333x .

Проверка. Найденное уравнение должно проходить через точки x3 , y3 , x4 , y4 .

P14(x3 0,85) 2,033 1,333 x3 2,033 1,333 0,85 0,9 y3 .

P14(x4 1) 2,033 1,333 x4 2,033 1,333 1 0,7 y4 .

Следовательно, прямая проходит через 3-ю и 4-ю точки.

 

0,3 2x, если 0,2 x 0,4;

 

 

0,3668 0,333x, если 0,4 x 0,7;

Запишем ответ P1(x)

0,8 2x, если 0,7 x 0,85;

 

 

2,033 1,333x, если 0,85 x 1.

 

28

Кусочно-параболическая интерполяция

Системы для нахождения коэффициентов полинома:

1-й отрезок (точки х0,х1, х2)

2-й отрезок (точки х2,х3, х4)

a1 a1 x a1 x2

y

;

a2

0

a2 x a2

2

x2

y

;

 

0

1

0

2

0

0

 

 

1

2

2

2

 

a1 a1 x a1 x2

y ;

 

a21 x3 a22 x32

y3;

a20

 

0

1

 

1

2

1

1

 

a20 a21 x4 a22 x42

 

 

a1 a1 x

2

a1 x2

y

.

y4.

 

0

1

 

2

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a1

 

 

a1 x a1 x2

,при x

 

x x

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ:

 

P2(x) a2

0

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

a2

x a2

2

x2 ,при

x

 

x x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

4

 

 

 

 

На интервале от 0,2 до 1 задано 5 точек.

 

Разобьѐм его на два отрезка x0 x x2

и

x2 x x4 . Интерполируем

 

 

 

 

(методом неопределенных

коэффициентов)

полиномом 2-й степени каждый отрезок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1-й отрезок (точки х0,х1, х2)

 

i

 

 

 

 

0

 

 

1

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

0,2

 

0,4

 

0,7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

0,1

 

0,5

 

0,6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полином

P21(x) a1

a1 x a

2

x2 .

 

По

условию

 

интерполяции

полином

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

должен

 

проходить

 

через

точки,

которые

выбраны

для

построения,

т.е.

P21(x

0

) y

0

;

 

 

 

 

 

 

a1

 

 

a1 x

0

 

a1 x

2

y

0

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

1

 

 

 

 

2

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a11 x1

 

 

 

 

 

2

y1;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P21(x1 )

y1; Следовательно a10

a12 x1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P21(x

 

) y

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a11 x2

 

 

 

 

 

2

y2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

a10

 

a12 x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставим значения x0 ,x1,x2 , y0 , y1, y2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a1

a1

 

0,2 a1

 

0,22

0,1;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В результате получаем

 

a11 0,4 a12

 

 

0,4

2

0,5;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a11 0,7 a12

 

 

0,7

2

0,6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Неизвестными в системе являются a10 , a11 , a12 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решим систему методом Гаусса:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0,2

 

 

0,22

 

0,1

 

 

1

0,2

 

0,04

 

0,1

 

 

1

 

 

0,2

 

0,04

 

 

 

 

1

0,2

0,04

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,1

 

 

 

 

 

 

 

0,1

1

0,4

 

 

0,42

 

0,5

 

0

0,2

 

0,12

 

0,4

 

 

0

 

 

1

 

0,6

 

2

0

1

0,6

 

 

2

.

 

 

 

 

 

2

 

0,6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0,7

 

 

0,7

 

 

 

 

 

0

0,5

 

0,45

 

0,5

 

 

0

 

 

1

 

0,9

 

 

 

0

0

0,3

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a10

a11 0,2 a12 0,04 0,1;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a11

a12

0,6 2;

 

 

 

 

Запишем полученную матрицу в виде системы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a12

0,3 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из 3-го уравнения найдем a12 1 0,3 3,333.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из 2-го уравнения найдем a11 2 0,6 a12

2 0,6 ( 3,333) 4 .

 

 

 

 

 

Из 1-го a10 0,1 0,2 a11 0,04 a12 0,1 0,2 4 0,04 ( 3,333) 0,567 .

 

Запишем найденное уравнение P21(x) 0,567 4x 3,333x2 .

29

Проверка. Найденное уравнение должно удовлетворять условию интерполяции

для системы точек x0 , y0 , x1, y1 , x2 , y2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P21(x 0,2) 0,567 4 x

 

 

 

3,333 x

2 0,567 4 0,2 3,333 0,22

0,1 у

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P21(x 0,4) 0,567 4 x

 

 

3,333 x 2

0,567 4 0,4 3,333 0,42 0,5 у

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

P21(x

2

0,7) 0,567 4 x

2

3,333 x

2 0,567 4 0,7 3,333 0,72

0,6 у

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно, полученный полином проходит через 0- ю, 1-ю и 2-ю точки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

2

 

 

 

 

3

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 отрезок (точки х0,х1, х2)

 

 

 

x

0,7

 

0,85

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

0,6

 

0,9

 

 

 

0,7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полином

P22(x) a2

0

a2

x a2

2

x2

.

По

 

условию

 

интерполяции

 

полином

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

должен

проходить

 

через

 

 

 

точки,

 

которые

выбраны

 

для

построения,

т.е.

P21(x2 ) y2 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a2

0

a2 x

2

 

a2

2

x

2

y

2

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a2

 

 

1

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P21(x3 ) y3 ; Следовательно

0

a2 x

3

 

a2

2

x

2

y

 

; .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

3

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a2

 

 

2

y4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P21(x4 ) y4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a20 a21 x4

 

2 x4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставим значения x2 ,x3 ,x4 ,y2 ,y3 ,y4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a2

0

 

a2

 

0,7 a2

2

0,72

0,6;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В результате получаем

 

 

a21 0,85 a22 0,85

2

0,9;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a2

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

0,7.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a20

 

a21 1 a22 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Неизвестными в системе являются a20 , a21 , a22 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решим систему методом Гаусса:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0,7

 

0,7

2

 

0,6

 

 

1

0,7

 

 

 

0,49

 

0,6

 

 

1

 

 

0,7

 

0,49

 

0,6

 

 

1

0,7

0,49

 

0,6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0,85

0,852

 

0,9

 

 

0

0,15

 

 

0,23

 

0,3

 

 

0

 

 

1

 

1,55

 

2

 

 

 

 

0

1

1,55

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

0,7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

1

 

 

 

 

0

0,3

 

 

0,51

 

0,1

 

 

0

 

 

1

 

 

1,7

 

 

 

 

0

0

0,15

 

1,67

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a20

a21

0,7 a22

0,49 0,6;

Запишем матрицу в виде системы:

a21

a22 1,55

2;

 

a22 0,15 1,667.

 

Из 3-го уравнения найдем a22 1,6670,15 11,11.

Из 2-го уравнения найдем a21 2 1,55 a22 2 1,55 11,11 19,22.

Из 1-го a20 0,6 0,7a21 0,49a22 0,6 0,7 19,22 0,49 ( 11,11) 7,41.

Запишем найденное уравнение P21(x) 7,41 19,22 x 11,11 x2 . Проверка.

Найденное уравнение должно удовлетворять условию интерполяции для системы точек x2 , y2 , x3 , y3 , x4 , y4 .

P21(x2 0,7) 7,41 19,22 x2 11,11 x2 2 7,41 19,22 0,7 11,11 0,72 0,6 у2 .

P21(x3 0,85) 7,41 19,22 x3 11,11 x32 7,41 19,22 0,85 11,11 0,852 0,9 у3.

P21(x4 1) 7,41 19,22 x4 11,11 x4 2 7,41 19,22 1 11,11 12 0,7 у4 .

Следовательно, полученный полином проходит через 2- ю, 3-ю и 4-ю точки.

30

0,567 4x 3,333x2 ,

если 0,2 x 0,7

Запишем ответ P2(x)

19,22x 11,11x2 , если 0,7 x 1

7,41

Лабораторная работа №4 Вычисление определѐнного интеграла

Постановка задачи:

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычислить определѐнный интеграл

 

I f (x)dx с шагом h=(b-a)/n,

 

где n - количество разбиений [a,b].

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Название метода

 

 

 

 

 

 

 

Итерационная формула

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Метод центральных

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

I h f x

1 , где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 1

a h i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

прямоугольников

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

i 0

 

i

2

i 2

 

 

Метод трапеций

 

 

 

 

f (a) f (b)

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I hx

 

 

 

 

 

 

f (xi ) , где

xi a hi

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S1 f (xi ) , где xi

a hi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Метод Симпсона

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

f x

 

1 , где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S 2

 

x 1

a h i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

i 0

 

i 2

i 2

 

 

 

 

 

 

I

h

( f (a) 2 S1 4 S 2 f (b))

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычислить интеграл x2 dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подынтегральная функция f(x)=x2 ,

a=0,

 

 

b=5, n=5, h=(b-a)/n=(5-0)/5=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

номер

значение

значение xi+1/2

 

значение f(xi)

 

 

 

 

 

 

точки

xi

в центре [xi xi+1]

 

 

значение f(xi+1/2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=0

x=0

 

 

 

 

 

 

 

f(x=0)=02=0

 

 

 

 

 

 

 

x=0,5

 

 

 

 

 

f(x=0,5)=0,52=0,25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

x=1

 

 

 

 

 

f(x=1)=12=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x=1,5

 

 

 

 

 

f(x=1,5)=1,52=2,25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=2

x=2

 

 

 

 

 

f(x=2)=22=4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x=2,5

 

 

 

 

 

f(x=2,5)=2,52=6,25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=3

x=3

 

 

 

 

 

f(x=3)=32=9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x=3,5

 

 

 

 

 

f(x=3,5)=3,52=12,25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=4

x=4

 

 

 

 

 

f(x=4)=42=16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x=4,5

 

 

 

 

 

f(x=4,5)=4,52=20,25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=5

x=5

 

 

 

 

 

f(x=5)=52=25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

31

Метод центральных прямоугольников:

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Iцп h f

x

 

1

h f (0,5 f

(1,5) f (2,5) f (3,5) f (4,5))

 

 

i 0

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

1(0,25 2,25 6,25 12,25 20,25) 41,25

 

 

 

Метод трапеций:

 

 

 

 

 

 

 

 

f (a)

f (b)

n 1

 

f (0) f (5)

 

 

 

 

f

 

 

 

I тр h

 

 

 

 

 

(xi )

h

 

f (1)

f (2) f (3)

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

i 1

 

 

 

 

 

1

0 25

1 4 9 16

42,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Метод Симпсона:

f(4)

 

 

 

 

h

 

n 1

n 1

 

 

 

 

Isimp

f (a) f (b) 2 f (xi ) 4 f x

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

6

i 1

i 0

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

h

f (0) f (5) 2( f (1) f (2) f (3) f (4)) 4 f (0,5 f (1,5) f (2,5) f (3,5) f (4,5))

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

0 25 2(1 4 9 16) 4(0,25 2,25 6,25 12,25 20,25) 41,677

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Метод левых прямоугольников:

n 1

Iлп h f xi h f (0 f (1) f (2) f (3) f (4)) 1(0 1 4 9 16) 30

i 0

Метод правых прямоугольников:

n

Iпп h f xi h f (1 f (2) f (3) f (4) f (5)) 1(1 4 9 16 25) 55

i 1

Документ Mcad:

32

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]