6. 数值积分

数值分析



周维祺

引入:积分的定义

例子:中点法

中点法

If=(ba)f(a+b2)If=(b-a)\cdot f(\frac{a+b}{2})

中点法

  • 给定区间[a,b][a,b]上的可积函数f(x)f(x)

  • Δx=(ba)/n\Delta x=(b-a)/n

  • a=x0<x1<<xn=ba=x_0<x_1<\ldots<x_n=b,其中 xk=x0+kΔxx_k=x_0+k\Delta x

中点法

If=Δx(f(x0+x12)+f(x1+x22)++f(xn1+xn2))If=\Delta x\cdot\left(f(\frac{x_0+x_1}{2})+f(\frac{x_1+x_2}{2})+\ldots+f(\frac{x_{n-1}+x_n}{2})\right)

练习

  • 用中点法计算x2x^2[0,1][0,1]上积分的近似值

  • 用中点法分别计算x2x^2[0,1/2][0,1/2][1/2,1][1/2,1]上积分的近似值

  • [0,1][0,1]划分为nn个长度相等的子区间,用中点法计算x2x^2在每个子区间上积分的近似值,写出这些近似值的和

例子:梯形法

梯形法

If=(ba)f(a)+f(b)2If=(b-a)\cdot\frac{f(a)+f(b)}{2}

梯形法

  • 给定区间[a,b][a,b]上的可积函数f(x)f(x)

  • Δx=(ba)/n\Delta x=(b-a)/n

  • a=x0<x1<<xn=ba=x_0<x_1<\ldots<x_n=b,其中 xk=x0+kΔxx_k=x_0+k\Delta x

梯形法

If=Δx(f(x0)+f(xn)2+f(x1)+f(x2)++f(xn1))If=\Delta x\cdot\left(\frac{f(x_0)+f(x_n)}{2}+f(x_1)+f(x_2)+\ldots+f(x_{n-1})\right)

练习

  • 用梯形法计算x2x^2[0,1][0,1]上积分的近似值

  • 用梯形法分别计算x2x^2[0,1/2][0,1/2][1/2,1][1/2,1]上积分的近似值

  • [0,1][0,1]划分为nn个长度相等的子区间,用梯形法计算x2x^2在每个子区间上积分的近似值,写出这些近似值的和

数值积分

数值积分公式一般以观测值的加权和形式给出:

I~nf=k=0nwkf(xk)\tilde I_nf=\sum_{k=0}^n w_kf(x_k)

小结



  • 数值积分的概念和一般形式

  • 中点法和梯形法的公式