Как вычислить определенный интеграл по формуле Симпсона?
Если вы искали на данной страничке только метод Симпсона, то настоятельно рекомендую сначала прочитать начало урока и просмотреть хотя бы первый пример. По той причине, что многие идеи и технические приемы будут схожими с методом трапеций.
И снова, начнём с общей формулы
Рассмотрим определенный интеграл , где – функция, непрерывная на отрезке . Проведём разбиение отрезка на чётное количество равных отрезков. Чётное количество отрезков обозначают через .
На практике отрезков может быть:
два:
четыре:
восемь:
десять:
двадцать:
Другие варианты не припоминаю.
Внимание!Число понимается как ЕДИНОЕ ЧИСЛО. То есть, НЕЛЬЗЯ сокращать, например, на два, получая . Запись лишь обозначает, что количество отрезков чётно. И ни о каких сокращениях речи не идёт
Итак, наше разбиение имеет следующий вид:
Термины аналогичны терминам метода трапеций:
Точки называют узлами.
Формула Симпсона для приближенного вычисления определенного интеграла имеет следующий вид:
где:
– длина каждого из маленьких отрезков или шаг;
– значения подынтегральной функции в точках .
Детализируя это нагромождение, разберу формулу подробнее:
– сумма первого и последнего значения подынтегральной функции;
– сумма членов с чётными индексами умножается на 2;
– сумма членов с нечётными индексами умножается на 4.
Пример 4
Вычислить приближенно определенный интеграл по формуле Симпсона с точностью до 0,001. Разбиение начать с двух отрезков
Интеграл, кстати, опять неберущийся.
Решение: Сразу обращаю внимание на тип задания – необходимо вычислить определенный интеграл с определенной точностью. Что это значит, я уже комментировалось в начале статьи, а также на конкретных примерах предыдущего параграфа. Как и для метода трапеций, существует формула, которая сразу позволит определить нужное количество отрезков (значение «эн») чтобы гарантированно достичь требуемой точности. Правда, придётся находить четвертую производную и решать экстремальную задачу. Кто понял, о чём я, и оценил объем работы, тот улыбнулся. Однако здесь не до смеха, находить четвертую производную от такой подынтегральной функции будет уже не мегаботан, а клинический психопат. Поэтому на практике практически всегда используется упрощенный метод оценки погрешности.
Начинаем решать. Если у нас два отрезка разбиения , то узлов будет на один больше: . И формула Симпсона принимает весьма компактный вид:
Вычислим шаг разбиения:
Заполним расчетную таблицу:
Еще раз комментирую, как заполняется таблица:
В верхнюю строку записываем «счётчик» индексов
Во второй строке сначала пишем нижний предел интегрирования , а затем последовательно приплюсовываем шаг .
В третью строку заносим значения подынтегральной функции. Например, если , то . Сколько оставлять знаков после запятой?Действительно, в условии опять об этом ничего не сказано. Принцип тот же, что и в методе трапеций, смотрим на требуемую точность: 0,001. И прибавляем дополнительно 2-3 разряда. То есть, округлять нужно до 5-6 знаков после запятой.
В результате:
Первичный результат получен. Теперь удваиваем количество отрезков до четырёх: . Формула Симпсона для данного разбиения принимает следующий вид:
Вычислим шаг разбиения:
Заполним расчетную таблицу:
Таким образом:
Оцениваем погрешность:
Погрешность больше требуемой точности: , поэтому необходимо еще раз удвоить количество отрезков: .
Формула Симпсона растёт, как на дрожжах:
Вычислим шаг:
И снова заполним расчетную таблицу:
Таким образом:
Заметьте, что здесь вычисления желательно уже расписать более подробно, поскольку формула Симпсона достаточно громоздка, и если сразу бУхнуть:
, то выглядеть сиё бухло будет как халтура. А при более детальной записи у преподавателя сложится благостное впечатление, что вы добросовестно стирали клавиши микрокалькулятора в течение доброго часа. Детальные вычисления для «тяжелых» случаев присутствуют в моём калькуляторе.
Оцениваем погрешность:
Погрешность меньше требуемой точности: . Осталось взять наиболее точное приближение , округлить его до трёх знаков после запятой и записать:
Ответ: с точностью до 0,001
Пример 5
Вычислить приближенно определенный интеграл по формуле Симпсона с точностью до 0,0001. Разбиение начать с двух отрезков
Это пример для самостоятельного решения. Примерный образец чистового «короткого» оформления решения и ответ в конце урока.
В заключительной части урока рассмотрим еще пару распространенных примеров
Пример 6
Вычислить приближенное значение определенного интеграла с помощью формулы Симпсона, разбив отрезок интегрирования на 10 частей. Точность вычислений 0,001.
Этот интеграл берётся, правда, новичку взломать его не так-то просто, соответствующий метод решения рассмотрен в примере 5 урока Сложные интегралы. В задачах на приближенное вычисление интеграл не обязан быть непременно неберущимся! Любознательные студенты могут вычислить его точно и оценить погрешность относительно приближенного значения.
Решение: Обратите внимание на формулировку задания: «Точность вычислений 0,001». Смысловой нюанс данной формулировки предполагает, что результаты нужно только округлить до третьего знака после запятой, а не достигнуть такой точности. Таким образом, когда вам предлагается для решения задача на метод трапеций, метод Симпсона, всегдавнимательно вникайте в условие! Спешка, как известно, нужна при охоте на блох.
Используем формулу Симпсона:
При десяти отрезках разбиения шаг составляет
Заполним расчетную таблицу:
Таблицу рациональнее сделать двухэтажной, чтобы не пришлось «мельчить» и всё разборчиво вместилось на тетрадный лист.
Вычисления, не ленимся, расписываем подробнее:
Ответ:
И еще раз подчеркну, что о точности здесь речи не идет. На самом деле, ответ может быть не , а, условно говоря, . В этой связи в ответе не нужно машинально приписывать «дежурную» концовку: «с точностью до 0,001»
Пример 7
Вычислить приближенное значение определенного интеграла
с помощью формулы Симпсона, разбив отрезок интегрирования на 10 частей. Все вычисления проводить с точностью до третьего десятичного знака.
Примерная версия чистового оформления и ответ в конце урока, который подошел к концу.
Для приближенного вычисления определенного интеграл применяются и другие методы. В частности, теория степенных рядовсо стандартной задачей Приближенное вычисление определенного интеграла путём разложения подынтегральной функции в ряд. Но это уже материал второго курса.
А сейчас настала пора раскрыть страшную тайну интегрального исчисления. Я создал уже больше десятка уроков по интегралам, и это, так скажем, теория и классика темы. На практике же, в частности, при инженерных расчетах – приблизить объекты реального мира стандартными математическими функциями практически невозможно. Невозможно идеально точно рассчитать, площадь, объем, плотность, к примеру, асфальтового покрытия. Погрешность, пусть с десятого, пусть с сотого знака после запятой – но она всё равно будет. Именно поэтому по приближенным методам вычисления написаны сотни увесистых кирпичей и создано серьёзное программное обеспечение для приближенных вычислений. Классическая же теория интегрального исчисления в действительности применяется заметно реже. Но, кстати, без неё – тоже никуда!
Решения и ответы:
Пример 2:Решение: Разбиваем отрезок интегрирования на 4 части:
Тогда формула трапеций принимает следующий вид:
Вычислим шаг:
Заполним расчетную таблицу:
Таким образом:
Удвоим количество отрезков:
Вычислим шаг:
Заполним расчетную таблицу:
Таким образом:
Оценим погрешность вычислений:
, таким образом, требуемая точность достигнута.
Ответ: с точностью до 0,001
Пример 5:Решение:1) Рассмотрим два отрезка разбиения
Вычислим шаг:
Заполним расчетную таблицу:
Таким образом:
2) Рассмотрим четыре отрезка разбиения
Вычислим шаг:
Заполним расчетную таблицу:
Таким образом:
Оценим погрешность:
2) Рассмотрим восемь отрезков разбиения
Вычислим шаг:
Заполним расчетную таблицу:
Таким образом:
Оценим погрешность:
Ответ: с точностью до 0,0001
Пример 6:Решение: Используем формулу Симпсона:
, где: , ,
В данном случае:
Таким образом:
Ответ:
Дата добавления: 2014-11-29; просмотров: 3985;