- •Практическое занятие №25
- •2. Пояснения к работе
- •2.1 Краткие теоретические сведения:
- •2.1.1 Формула прямоугольников
- •Формула трапеций
- •Эта формула называется общей формулой трапеций. Общую формулу трапеций можно переписать в более удобном виде:
- •2.1.3 Формула Симпсона
- •2.1.4 Приближенное решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Метод Эйлера
- •3. Задание Вариант 1
- •Вариант 2
- •Вариант 3
Практическое занятие №25
«Численное интегрирование с помощью формул прямоугольников, трапеций, Симпсона.
Приближенное решение дифференциальных уравнений с помощью формул Эйлера»
1. Цель: Выработать навыки и умения по применению методов приближённого
интегрирования – формул прямоугольников, трапеций и Симпсона, в решении
приближенными методами дифференциальных уравнений
2. Пояснения к работе
2.1 Краткие теоретические сведения:
2.1.1 Формула прямоугольников
Известно, что не для всякой непрерывной функции ее первообразная выражается через элементарные функции. Кроме того, на практике сталкиваются с необходимостью вычислять интегралы от функций, заданных табличным или графическим способами, а так же интегралы от функций, первообразные которых выражаются через элементарные очень сложно, что требует большой вычислительной работы и с практической точки зрения нерационально. В этих случаях вычисление определенного интеграла по формуле Ньютона – Лейбница затруднительно, поэтому прибегают к различным методам приближенного интегрирования. Наиболее простым методом приближенного вычисления определенного интеграла является метод прямоугольников, основанный на непосредственном определении интеграла:
,
где есть интегральная сумма, соответствующая некоторому разбиению отрезка и некоторому набору точек отрезка разбиения.
Вычисление определенного интеграла геометрически сводится к вычислению площади криволинейной трапеции, ограниченной неотрицательной функцией f(x), осью абсцисс и прямыми и .
рис. 1.
Для точности численного интегрирования нужно отрезок разбить на несколько частей и для каждой из них вычислить приближенное значение площади криволинейной трапеции, основанием которой является отрезок , а высотой - число , т.е. значение функции в точке
152
, выбранное из условия минимума ошибки интегрирования. Тогда за приближенное значение
интеграла на отрезке принимают интегральную сумму:
Практически удобно делить отрезок на равные части , а точки совмещать с
левыми или правыми концами отрезков разбиения. Если точку совместить с левым концом отрезка , то приближенное значение интеграла геометрически равно площади заштрихованной нижней ступенчатой фигуры и может быть представлено формулой левых прямоугольников:
(1)
где - шаг разбиения. Если же в качестве точки . выбрать правый конец отрезка , приближенное значение интеграла графически равно площади верхней ступенчатой фигуры, и вычисляется по формуле правых прямоугольников:
(2)
Погрешность вычисления:
, где - максимум на (3)
Пример 1. Используя формулу прямоугольников при , вычислить с тремя десятичными знаками . Оценить допущенную погрешность.
Решение: разделим отрезок на 10 равных частей точками и найдём значения функции в этих точках:
|
1 |
1.1 |
1.2 |
1.3 |
1.4 |
1.5 |
1.6 |
1.7 |
1.8 |
1.9 |
2 |
|
1.000 |
0.909 |
0.833 |
0.769 |
0.714 |
0.667 |
0.625 |
0.588 |
0.556 |
0.526 |
0.5 |
Тогда получим и по формуле (1) находим
.
Оценим погрешность. Имеем ; функция монотонно убывает на отрезке , поэтому и .
Так как допущенная погрешность влияет уже на второй знак после запятой, то третий знак следует округлить. Значит, . Если вычислить этот интеграл по формуле Ньютона –
153
Лейбница, то получим . Таким образом, ответ является приближённым значением . Но ; следовательно, при вычислении допущена погрешность, меньшая .