Вычисление определённых интегралов

Вычисление определённых интегралов

Министерство Образования Российской Федерации

Рязанская государственная радиотехническая академия

Кафедра вычислительной и прикладной математики.

ВЫЧИСЛЕНИЕ ОПРЕДЕЛЕННЫХ ИНТЕГРАЛОВ.

Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине «Информатика»

Выполнил: студент гр.

Проверил:

Никитин В.И.

Рязань, 2001г

Задание.

Составить программу вычисления определенного интеграла [pic]

с погрешностью не превышающей заданную величину [pic]. В программе

предусмотреть защиту от зацикливания итерационного процесса, подсчет и

вывод на печать числа итераций, за которое удается найти значение интеграла

с заданной погрешностью. Для проверки программы интегрирования вычислить

[pic]

Метод вычислений – Формула Гаусса.

|№ |f(x) |a |b |c |d |[pic] |

|1 |edx/2cos2(cx) |0 |( |0.9; 1; 1.05; |2.4; 2.5; 2.6|10-4 |

| | | | |1.1 | | |

|2 |(x ln(cdx))2 |1 |e |3; 3.2; 3.4; |0.5; 0.4; |10-3 |

| | | | |3.5 |0.85 | |

Содержание.

Задание. 1

Содержание. 2

Описание метода решения. 3

Блок-схема программы. 4

Текст программы и результаты счета. 5

Заключение. 7

Библиографический список. 7

Описание метода решения.

В формуле Гаусса на каждом интервале интегрирования значение функции

f(x) вычисляется не в равномерно распределенных по интервалу узлах, а в

абсциссах, выбранных из условия обеспечения минимума погрешности

интерполяции:

[pic]

где n- число интервалов интегрирования, m – число вычисляемых на каждом

интервале значений функции. [pic], [pic]– границы интервалов

интегрирования; [pic] и [pic]- коэффициенты значения которых определяются

величиной m. Для m=3 A1=5/9, A2=8/9, A3=5/9, [pic], t2=0, t3=-t1

Блок-схема программы.

Блок-схема1: Функция вычисления интеграла.

Блок-схема 2: Основная программа.

Текст программы и результаты счета.

program Kursovoy;

const A1=5/9; A2=8/9; t=-0.77459;{константы для взятия интеграла методом

Гаусса}

type func=function(x,c,d:real):real;{прототип функции от которой берется

интеграл}

var a,b,eps:real;{пределы интегрирования и точность вычисления}

c:array[1..4] of real;{параметры функции, от которой берется интеграл}

d:array[1..5] of real;{взяты из таблицы 2}

function f_test(x,c,d:real):real;{тестовая функция sin(x)}

begin{интеграл от 0 до пи теоретически равен 2}

f_test:=sin(x);

end;

function f1(x,c,d:real):real;{первая функция из таблицы 2}

begin

f1:=exp(d*x/2)*sqr(cos(c*x));

end;

function f2(x,c,d:real):real;{вторая функция из таблицы 2}

begin

f2:=sqr(x*ln(c*d*x));

end;

{Функция взятия интеграла от функции f, прототип(вид) которой описан в типе

func

a,b- пределы интегрирования, cm,dm-параметры c и d функции f, eps

-точность вычислений

k-число итераций, за которые удалось найти интеграл }

function Integral(f:func;a,b,cm,dm,eps:real; var k:integer):real;

var S,z,h,c,d,l,x,x1,x2,x3:real;{S-текущее приближенное значение интеграла,

z-предыдуще приближенное значение интеграла,h-шаг интегрирования,

c,d,l,x,x1,x2,x3-вспомогательные переменные см. стр.25 методички}

i,n:integer;{i-счетчик цикла, n-число интервалов интегрирования}

begin

n:=1; S:=0; k:=0;

repeat

k:=k+1;{увеличиваем число итераций}

z:=S; {предыдущее значение интеграла равно текущему}

n:=n*2;{в два раза увеличиваем число интервалов интегрирования}

h:=(b-a)/n; x:=a; S:=0; c:=h/2; l:=c*t;{определение шага

интегрирования,

начального значения x, сам интеграл сначала равен 0,

вспомогательные переменные считаем }

for i:=0 to n-1 do{перебираем все интервалы интегрирования}

begin

d:=x+c; x1:=d-l;x2:=d; x3:=d+l;{вычисляем значения абцисс узлов,

выбранных из условия обеспечения минимума погрешности интерполяции}

S:=S+A1*(f(x1,cm,dm)+f(x3,cm,dm))+A2*f(x2,cm,dm);{добавляем к сумме}

x:=x+h;{переходим на новый интервал интегрирования}

end;

S:=S*c;{умножаем полученную сумму на h/2}

until (abs(z-S)=14);{выходим из цикла,

если относительная погрешность предыдущего и текущего интегралов меньше

заданной точности

или если число итераций превысило допустимое}

Integral:=S;{возвращаем значение полученного интергала}

end;

var i,j,n:integer;

begin

{вычисляем значение проверочного интеграла, передавая в функцию Integral

имя вычисляемой функции

в данном случае f_test, интервал интегрирования a=0 b=3.14159

cm=0 dm=0(последние два параметра в данном случае могут быть любыми,т.к.

f_test от них не зависит)

eps=1e-3(точность), в параметр n, по выходе из функции вычисления

интеграла будет записано число итераций}

writeln('Проверочный интеграл от 0 до пи sin(x)dx

=',Integral(f_test,0,3.14159,0,0,1e-3,n):7:5,

' ',n,' итераций');

c[1]:=0.9; c[2]:=1; c[3]:=1.05; c[4]:=1.1;{ввод параметров для первой

функции}

d[1]:=2.4; d[2]:=2.5; d[3]:=2.6; eps:=1e-4;

a:=0; b:=3.14159;

writeln('Интеграл от ',a:1:0,' до ',b:5:3,' функции f1 ','с

точностью',eps:5,' при:');

for i:=1 to 4 do{перебираем параметр с}

for j:=1 to 3 do{перебираем параметр d}

begin

{вычисляем значение первого интеграла, передавая в функцию Integral имя

вычисляемой функции

в данном случае f1, интервал интегрирования a=0 b=3.14159

cm=c[i] dm=d[i](последние два параметра перебираются в цикле и не равны

0, т.к. f1 от них зависит)

eps=1e-4(точность), в параметр n, по выходе из функции вычисления

интеграла будет записано число итераций}

writeln('с=',c[i]:4:2,' d=',d[j]:4:2,' равен

',Integral(f1,a,b,c[i],d[j],eps,n):8:5, ' ',n, ' итераций');

end;

readln;{ожидаем нажатия клавиши enter, иначе все выводимые данные не

поместятся на один экран}

c[1]:=3; c[2]:=3.2; c[3]:=3.4; c[4]:=3.5;{ввод параметров для первой

функции}

d[1]:=0.5; d[2]:=0.4; d[3]:=0.85; eps:=1e-3;

a:=1; b:=exp(1);{b=e}

writeln('Интеграл от ',a:1:0,' до ',b:5:3,' функции f2 ','с

точностью',eps:5,' при:');

for i:=1 to 4 do{перебираем параметр с}

for j:=1 to 3 do{перебираем параметр d}

begin

{вычисляем значение второго интеграла, передавая в функцию Integral имя

вычисляемой функции

в данном случае f2, интервал интегрирования a=1 b=e

cm=c[i] dm=d[i](последние два параметра перебираются в цикле и не равны

0, т.к. f2 от них зависит)

eps=1e-3(точность), в параметр n, по выходе из функции вычисления

интеграла будет записано число итераций}

writeln('с=',c[i]:4:2,' d=',d[j]:4:2,' равен

',Integral(f2,a,b,c[i],d[j],eps,n):8:5, ' ',n, ' итераций');

end;

end.

Результаты счета.

Проверочный интеграл от 0 до пи sin(x)dx =2.00000 2 итераций

Интеграл от 0 до 3.142 функции f1 с точностью 1.0E-0004 при:

с=0.90 d=2.40 равен 17.12437 3 итераций

с=0.90 d=2.50 равен 19.52435 3 итераций

с=0.90 d=2.60 равен 22.28654 3 итераций

с=1.00 d=2.40 равен 22.33040 2 итераций

с=1.00 d=2.50 равен 25.49172 2 итераций

с=1.00 d=2.60 равен 29.12609 3 итераций

с=1.05 d=2.40 равен 24.19102 3 итераций

с=1.05 d=2.50 равен 27.60541 3 итераций

с=1.05 d=2.60 равен 31.52694 3 итераций

с=1.10 d=2.40 равен 25.37969 3 итераций

с=1.10 d=2.50 равен 28.93760 3 итераций

с=1.10 d=2.60 равен 33.01928 3 итераций

Интеграл от 1 до 2.718 функции f2 с точностью 1.0E-0003 при:

с=3.00 d=0.50 равен 8.40102 2 итераций

с=3.00 d=0.40 равен 5.52503 2 итераций

с=3.00 d=0.85 равен 17.78460 2 итераций

с=3.20 d=0.50 равен 9.35094 2 итераций

с=3.20 d=0.40 равен 6.29171 2 итераций

с=3.20 d=0.85 равен 19.17026 2 итераций

с=3.40 d=0.50 равен 10.29153 2 итераций

с=3.40 d=0.40 равен 7.06018 2 итераций

с=3.40 d=0.85 равен 20.52016 2 итераций

с=3.50 d=0.50 равен 10.75780 2 итераций

с=3.50 d=0.40 равен 7.44414 2 итераций

с=3.50 d=0.85 равен 21.18214 2 итераций

Заключение.

В данной курсовой работе вычислялись определенные интегралы методом

Гаусса. Как видно из полученных результатов, программа работает верно, т.к.

теоретически [pic]=2, что совпадает с расчетным, обеспечивает заданную

точность вычислений, при малом числе итераций. К достоинствам данного

метода вычисления функций стоит отнести, то что метод Гаусса обеспечивает

точное вычисление интеграла от полинома степени 2m-1. К недостаткам следует

отнести относительно большое время расчета интеграла, при больших m.

Библиографический список.

1. Решение уравнений и численное интегрирование на ЭВМ: Методические

указания к курсовой работе по дисциплине «Информатика». Рязань,2000г. 32

c.

2. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и

учащихся втузов. М.:1986 544с.

3. Бахвалов Н.С. Численные методы. М.:1975.

-----------------------

Выход

j

Вывод S, n

Приближенное вычисление второго интеграла S

j=1,3

i=1,4

c[1]:=0.9; c[2]:=1; c[3]:=1.05; c[4]:=1.1; d[1]:=2.4; d[2]:=2.5;

d[3]:=2.6; eps:=1e-4;

a:=0; b:=3.14159;

c[1]:=0.9; c[2]:=1; c[3]:=1.05; c[4]:=1.1; d[1]:=2.4; d[2]:=2.5;

d[3]:=2.6; eps:=1e-4;

a:=0; b:=3.14159;

i

Приближенное вычисление первого интеграла S

Вывод S, n

i

j

j=1,3

i=1,4

Вывод S

S=[pic]

Вход

S=S*c

d=x+c; x1=d-l; x2=d; x3=d+l;

S=S+A1*(f(x1,cm,dm)+f(x3,cm,cd))+A2*(f(x2,cm,dm))

x=x+h

i=0,n-1

i

Выход(S,k)

НЕТ

ДА

|z-S|< (|S| or

k>=14

k=k+1;z=S; n=n*2; h=(b-a)/n; x=a; S=0; c=h/2; l=c*t

n=1; S=0; k=0;

Вход(f,a,b,cm,dm, ()