数值积分方法.ppt

第五章 数值积分方法,计算,但是在许多实际问题经常遇到下列情况：（1）原函数存在但不能用初等函数表示；（2）原函数可以用初等函数表示，但结构复杂；（3）被积函数没有表达式，仅仅是一张函数表。,问题提出,解决以上情况的积分问题，最有效的办法为数值积分法。此种方法是利用被积函数在一些离散点处的函数值，而求得满足一定代数精度要求的定积分近似值。,取左端点矩形近似,数值积分的思想：,分割、近似、求和,取右端点矩形近似,定积分几何意义：,曲边梯形的面积,数值积分公式的一般形式：,其中,求积节点,求积系数,仅与求积节点有关,求积公式的截断误差或余项：,5.1 插值型求积公式,思想,作n次Lagrange插值多项式:,设已知函数 在节点上的函数值,余项,则有数值积分公式,这是用插值函数代替被积函数导出的定积分近似计算公式，称为插值型数值积分公式。,n=1时的求积公式,一、梯形公式,这是用线性插值函数代替被积函数导出的定积分近似计算公式，称为梯形数值积分公式。,几何意义,截断误差：已知线性插值的截断误差为,积分中值定理：连续、不变号,n=2时的求积公式,二、Simpson公式,将 a,b 二 等分，等分节点 x0=a，x1=(a+b)/2，x2=b 作为积分节点，构造二次Lagrange插值多项式L2(x)：,这是用二次插值函数代替被积函数导出的定积分近似计算公式，称为辛普森数值积分公式。,几何意义：,Simpson积分公式的截断误差（定理）：,积分中值定理：连续、不变号,复合求积法 通常把积分区间等分成若干个子区间，在每个子区间上用低阶的求积公式（如梯形积分公式Simpson积分公式），对所有的子区间求和即得整个区间a,b上的积分公式，这种方法称为复合求积法。,5.2 复合求积公式,5.2.1 复化梯形积分 将a,b分成若干小区间，在每个区间xi,xi+1上用梯形积分公式，再将这些小区间上的数值积分累加起来，就得到区间a,b上的数值积分。这种方法称为复化梯形积分。,计算公式 将a,b n等分,h=xi+1-xi=(b-a)/n,xi=a+ih,i=0,1,2,n,记为 T(h)或 Tn(f):,复化梯形公式的几何意义,小梯形面积之和近似,复化梯形公式,复化梯形公式的余项,设,由介值定理,余项估计式,计算公式 将a,b 2m 等分,m 为积分子区间数，记 n=2m，n+1为节点总数，h=xi+1-xi=(b-a)/n,xi=a+ih,i=0,1,2,n,5.2.2 复化Simpson公式：,复化Simpson公式,复化Simpson公式的几何意义,小抛物面积之和近似,系数首尾为1，奇数点为4，偶数点为2,复化Simpson公式的余项,设,由介值定理,余项估计式,例：分别利用复化梯形公式、复化Simpson公式计算积分 的近似值，要求按复化Simpson公式计算时误差不超过。,解：,首先来确定步长,复化Simpson公式的余项：,本题 的求法：,由归纳法知,解不等式得,将区间 8等分，分别采用复化Simpson、梯形公式,复化梯形公式(n=8),复化Simpson公式(n=4),代数精度的判别方法,如果求积公式对一切不高于m次的多项式都恒成立，而对于某个m+1次多项式不能精确成立，则称该求积公式具有m次代数精度。,定理 求积公式具有次m代数精度的充要条件是 为 时求积公式精确成立，而 为 时求积公式不能成为等式。,5.3 数值积分公式的代数精度和 Gauss求积公式,例2 见p73的例5.5,Gauss求积公式,一、Gauss积分问题的提法,前述的求积公式中求积节点是取等距节点，求积系数计算方便，但代数精度要受到限制；,为了提高代数精度，需要适当选择求积节点:,当求积节点个数确定后，不管这些求积节点如何选 取，求积公式的代数精度最高能达到多少？,具有最高代数精度的求积公式中求积节点如何选取？,积分公式的一般形式：,形如 的插值型求积公式的代数精度最高不超过2n+1次。,定理,这样由方程组的4个方程就能求出4个未知数，得,根据定理知三点插值型求积公式的代数精度为5，同理可以去验证三点高斯求积公式,二、Gauss求积公式的应用积分见书上的P75.,