Навигация по странице.

Метод парабол (Симпсона) - суть метода, формула, оценка погрешности, иллюстрация.

Пусть функция y = f(x) непрерывна на отрезке и нам требуется вычислить определенный интеграл .

Разобьем отрезок на n элементарных отрезков длины точками . Пусть точки являются серединами отрезков соответственно. В этом случае все "узлы" определяются из равенства .

Суть метода парабол.

На каждом интервале подынтегральная функция приближается квадратичной параболой , проходящей через точки . Отсюда и название метода - метод парабол.

Это делается для того, чтобы в качестве приближенного значения определенного интеграла взять , который мы можем вычислить по формуле Ньютона-Лейбница. В этом и заключается суть метода парабол .

Геометрически это выглядит так:

Графическая иллюстрация метода парабол (Симпсона).

Красной линией изображен график функции y=f(x) , синей линией показано приближение графика функции y=f(x) квадратичными параболами на каждом элементарном отрезке разбиения.

Вывод формулы метода Симпсона (парабол).

В силу пятого свойства определенного интеграла имеем .

Для получения формулы метода парабол (Симпсона) нам осталось вычислить .

Пусть (мы всегда можем к этому прийти, проведя соответствующее геометрическое преобразования сдвига для любого i = 1, 2, ..., n ).

Сделаем чертеж.

Покажем, что через точки проходит только одна квадратичная парабола . Другими словами, докажем, что коэффициенты определяются единственным образом.

Так как - точки параболы, то справедливо каждое из уравнений системы

Записанная система уравнений есть система линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных переменных . Определителем основной матрицы этой системы уравнений является определитель Вандермонда , а он отличен от нуля для несовпадающих точек . Это указывает на то, что система уравнений имеет единственное решение (об этом говорится в статье ), то есть, коэффициенты определяются единственным образом, и через точки проходит единственная квадратичная парабола.

Перейдем к нахождению интеграла .

Очевидно:

Используем эти равенства, чтобы осуществить последний переход в следующей цепочке равенств:

Таким образом, можно получить формулу метода парабол:

Формула метода Симпсона (парабол) имеет вид
.

Оценка абсолютной погрешности метода Симпсона.

Абсолютная погрешность метода Симпсона оценивается как .

Примеры приближенного вычисления определенных интегралов методом Симпсона (парабол).

Разберем применение метода Симпсона (парабол) при приближенном вычислении определенных интегралов.

Обычно встречается два типа заданий:

Возникает логичный вопрос: "С какой степенью точности проводить промежуточные вычисления"?

Ответ прост - точность промежуточных вычислений должна быть достаточной. Промежуточные вычисления следует проводить с точностью на 3-4 порядка выше, чем порядок . Также точность промежуточных вычислений зависит от числа n - чем больше n , тем точнее следует проводить промежуточные вычисления.

Пример.

Вычислите определенный интеграл методом Симпсона, разбив отрезок интегрирования на 5 частей.

Решение.

Из условия мы знаем, что a = 0; b = 5; n = 5 ; .

Формула метода Симпсона (парабол) имеет вид . Для ее применения нам требуется вычислить шаг , определить узлы и вычислить соответствующие значения подынтегральной функции .

Промежуточные вычисления будем проводить с точностью до четырех знаков (округлять на пятом знаке).

Итак, вычисляем шаг .

Переходим к узлам и значениям функции в них:

Для наглядности и удобства результаты сведем в таблицу:

Подставляем полученные результаты в формулу метода парабол:

Мы специально взяли определенный интеграл, который можно вычислить по формуле Ньютона-Лейбница, чтобы сравнить результаты.

Результаты совпадают с точностью до сотых.

Пример.

Вычислите определенный интеграл методом Симпсона с точностью до 0.001 .

Решение.

В нашем примере a = 0 , .

Первым делом нам нужно определить n . Для этого обратимся к неравенству для оценки абсолютной погрешности метода Симпсона . Можно сказать, что если мы найдем n , для которого будет выполняться неравенство , то при использовании метода парабол для вычисления исходного определенного интеграла абсолютная погрешность не превысит 0.001 . Последнее неравенство можно переписать в виде .

Выясним, какое наибольшее значение принимает модуль четвертой производной подынтегральной функции на отрезке интегрирования.

есть интервал , а отрезок интегрирования содержит точки экстремума, поэтому .

Подставляем найденное значение в неравенство и решим его:

Так как n является натуральным числом (это же количество отрезков, на которые разбивается отрезок интегрирования), то можно брать n = 5, 6, 7, … Чтобы не делать лишних вычислений, возьмем n = 5 .

Теперь действуем как в предыдущем примере. В промежуточных вычислениях округление будем проводить на шестом порядке.

Вычисляем шаг .

Находим узлы и значения подынтегральной функции в них:

Результаты вычислений объединяем в таблицу:

Подставляем значения в формулу метода парабол:

Таким образом, по методу Симпсона получено приближенное значение определенного интеграла с точностью до 0.001 .

Действительно, вычислив исходный интеграл по формуле Ньютона-Лейбница, получаем

Замечание.

Нахождение во многих случаях затруднительно. Можно обойтись без этого, применив альтернативный подход к использованию метода парабол. Его принцип описан в разделе метод трапеций , так что не будем повторяться.

Какой же метод применять при численном интегрировании?

Точность метода Симпсона (парабол) выше точности метода прямоугольников и трапеций для заданного n (это видно из оценки абсолютной погрешности), так что его использование предпочтительнее.

Следует помнить о влиянии вычислительной погрешности на результат при больших n , что может отдалить приближенное значение от точного.

(1710-1761).

Рассмотрим отрезок . Пусть известны значения вещественной функции f(x) в точках a, (a+b)/2, b. Существует единственный полином 2-й степени p 2 (x ) , график которого проходит через точки (a, f(a)), ((a+b)/2,f((a+b)/2), (b, f(b)). Формулой Симпсона называется интеграл от этого полинома на отрезке :

Метод Симпсона имеет порядок погрешности 4 и алгебраический порядок точности 3.

Погрешность при интегрировании по отрезку [a ,b ] с шагом h определяется по формуле:

,

где - максимум четвёртой производной функции.

Так же, при невозможности оценить погрешность с помощью максимума четвертой производной (например, на заданном отрезке она не существует, либо стремится к бесконечности), можно использовать более грубую оценку:

,

где - максимум третьей производной функции.

Ссылки

• Костомаров Д. П., Фаворский А. П. «Вводные лекции по численным методам»

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Метод Рунге - Куттa
• Метод Фибоначчи поиска экстремума

Смотреть что такое "Метод Симпсона" в других словарях:

Формула Симпсона - Суть метода аппроксимация функции f (x) (синий график) квадратичным полиномом P (x) (красный) Формула Симпсона (также … Википедия

РОМБЕРГА МЕТОД - п р а в и л о Р о м б е р г а, метод вычисления определенного интеграла, основанный на Ричардсона экстраполяции. Пусть вычисляется значение I нек рого функционала, при этом вычисляемое приближенное значение Т(h)зависит от параметра h, так что в… … Математическая энциклопедия

Численное интегрирование - (историческое название: (численная) квадратура) вычисление значения определённого интеграла (как правило, приближённое). Под численным интегрированием понимают набор численных методов отыскания значения определённого интеграла. Численное… … Википедия

Квадратурные формулы

Квадратурная формула - Определённый интеграл как площадь фигуры Численное интегрирование (историческое название: квадратура) вычисление значения определённого интеграла (как правило, приближённое), основанное на том, что величина интеграла численно равна площади… … Википедия

Прямоугольников формула - Определённый интеграл как площадь фигуры Численное интегрирование (историческое название: квадратура) вычисление значения определённого интеграла (как правило, приближённое), основанное на том, что величина интеграла численно равна площади… … Википедия

Формула прямоугольников - Определённый интеграл как площадь фигуры Численное интегрирование (историческое название: квадратура) вычисление значения определённого интеграла (как правило, приближённое), основанное на том, что величина интеграла численно равна площади… … Википедия

Формула трапеций - Определённый интеграл как площадь фигуры Численное интегрирование (историческое название: квадратура) вычисление значения определённого интеграла (как правило, приближённое), основанное на том, что величина интеграла численно равна площади… … Википедия

РОДЫ - РОДЫ. Содержание: I. Определение понятия. Изменения в организме во время Р. Причины наступления Р..................... 109 II. Клиническое течение физиологических Р. . 132 Ш. Механика Р. ................. 152 IV. Ведение Р.................. 169 V … Большая медицинская энциклопедия

Интегральное исчисление - раздел математики, в котором изучаются свойства и способы вычисления интегралов и их приложения. И. и. тесно связано с дифференциальным исчислением (См. Дифференциальное исчисление) и составляет вместе с ним одну из основных частей… … Большая советская энциклопедия

Разобьем отрезок интегрирования [а , b ] на четное число n равных частей с шагом h . На каждом отрезке [х 0, х 2], [х 2, х 4],..., [x i-1, x i+1],..., [x n-2, x n] подынтегральную функцию f (х ) заменим интерполяционным многочленом второй степени:

Коэффициенты этих квадратных трехчленов можно найти из условий равенства многочлена в точках соответствующим табличным данным . В качестве можно принять интерполяционный многочлен Лагранжа второй степени, проходящий через точки :

Сумму элементарных площадей и (рис. 3.3) можно вычислить с помощью определенного интеграла. Учитывая равенства получаем

-

Рис. 3.3. Иллюстрация к методу Симпсона

Проведя такие вычисления для каждого элементарного отрезка , просуммируем полученные выражения:

Данное выражение для S принимается в качестве значения определенного интеграла:

(3.35)

Полученное соотношение называется формулой Симпсона или формулой парабол .

Эту формулу можно получить и другими способами, например двукратным применением метода трапеций при разбиениях отрезка [а , b ] на части с шагами h и 2h или комбинированием формул прямоугольников и трапеций (см. разд. 3.2.6).

Иногда формулу Симпсона записывают с применением полуцелых индексов. В этом случае число отрезков разбиения п произвольно (не обязательно четно), и формула Симпсона имеет вид

(3.36)

Легко видеть, что формула (3.36) совпадет с (3.35), если формулу (3.35) применить для числа отрезков разбиения 2n и шага h /2.

Пример . Вычислить по методу Симпсона интеграл

Значения функции при n = 10, h = 0.1 приведены в табл. 3.3. Применяя формулу (3.35), находим

Результат численного интегрирования с использованием метода Симпсона оказался совпадающим с точным значением (шесть значащих цифр).

Один из возможных алгоритмов вычисления определенного интеграла по методу Симпсона показан на рис. 3.4. В качестве исходных данных задаются границы отрезка интегрирования [а , b ],погрешность ε, а также формула для вычисления значений подынтегральной функции у = f (x ) .

Рис. 3.4. Алгоритм метода Симпсона

Первоначально отрезок разбивается на две части с шагом h =(b - a)/2. Вычисляется значение интеграла I 1. Потом число шагов удваивается, вычисляется значение I 2 с шагом h /2. Условие окончание счета принимается в виде . Если это условие не выполнено, происходит новое деление шага пополам и т.д.

Отметим, что представленный на рис. 3.4 алгоритм не является оптимальным: при вычислении каждого приближения I 2 не используются значения функции f (x ), уже найденные на предыдущем этапе. Более экономичные алгоритмы будут рассмотрены в разд. 3.2.7.

Для построения формулы Симпсона предварительно рассмотрим такую задачу: вычислить площадь S криволинейной трапеции, ограниченной сверху графиком параболы y = Ax 2 + Bx + C, слева прямой х = - h, справа прямой x = h и снизу отрезком [-h; h]. Пусть парабола проходит через три точки (рис.8): D(-h; y 0) E(0; y 1) и F(h; y 2), причем х 2 - х 1 = х 1 - х 0 = h. Следовательно,

x 1 = x 0 + h = 0; x 2 = x 0 + 2h.

Тогда площадь S равна интегралу:

Выразим эту площадь через h, y 0 , y 1 и y 2 . Для этого вычислим коэффициенты параболы А, В, С. Из условия, что парабола проходит через точки D, E и F, имеем:

Решая эту систему, получаем: C = y 1 ; A =

Подставляя эти значения А и С в (3), получаем искомую площадь

Перейдем теперь к выводу формулы Симпсона для вычисления интеграла

Для этого отрезок интегрирования разобьем на 2n равных частей длиной

В точках деления (рис.4).а = х 0 , х 1 , х 2 , ...,х 2n-2 , x 2n-1 , x 2n = b,

Вчисляем значения подынтегральной функции f: y 0 , y 1 , y 2 , ...,y 2n-2 , y 2n-1 , y 2n , де y i = f(x i), x i = a + ih (i = 0, 1, 2,...,2n).

На отрезке подынтегральную функцию заменяем параболой, проходящей через точки (x 0 ; y 0), (x 1 ; y 1) и (x 2 ; y 2), и для вычисления приближенного значения интеграла от х 0 до х 2 воспользуемся формулой (4). Тогда (на рис. 4 заштрихованная площадь):

Аналогично находим:

................................................

Сложив полученные равенства, имеем:

Формула (5) называется обобщенной формулой Симпсона или формулой парабол , так как при ее выводе график подынтегральной функции на частичном отрезке длины 2h заменяется дугой параболы.

Задание на работу:

1. По указанию преподавателя или в соответствии с вариантом из Таблицы 4 заданий (см. Приложение) взять условия – подынтегральную функцию, пределы интегрирования.

2. Составить блок-схему программы и программу, которая должна:

Запросить точность вычисления определенного интеграла, нижний и верхний пределы интегрирования;

Вычислить заданный интеграл методами: для вариантов 1,4,7, 10… - правых, для вариантов 2,5,8,… - средних; для вариантов 2,5,8,… - левых прямоугольников. Вывести количество разбиений диапазона интегрирования, при котором достигнута заданная точность вычисления;

Вычислить заданный интеграл методом трапеций (для четных вариантов) и методом Симпсона (для нечетных вариантов).

Вывести количество разбиений диапазона интегрирования, при котором достигнута заданная точность вычисления;

Вывести значения контрольной функции для заданного значения аргумента и сравнить с вычисленными значениями интеграла. Сделать выводы.

Контрольные вопросы

1. Что такое определенный интеграл?

2. Почему наряду с аналитическими методами используются численные методы вычисления определенных интегралов.

3. В чем заключается сущность основных численных методов вычисления определенных интегралов.

4. Влияние количества разбиений на точность вычисления определенного интеграла численными методами.

5. Как вычислить интеграл любым методом с заданной точностью?

В этом методе предлагается подынтегральную функцию на частичном отрезке аппроксимировать параболой, проходящей через точки
(x j , f (x j )), где j = i -1; i -0.5; i , то есть подынтегральную функцию аппроксимируем интерполяционным многочленом Лагранжа второй степени:

(10.14)

Проведя интегрирование, получим:

(10.15)

Это и есть формула Симпсона или формула парабол. На отрезке
[a, b ] формула Симпсона примет вид

(10.16)

Графическое представление метода Симпсона показано на рис. 2.4.

Рис. 10.4. Метод Симпсона

Избавимся в выражении (2.16) от дробных индексов, переобозначив переменные:

(10.17)

Тогда формула Симпсона примет вид

(10.18)

Погрешность формулы (2.18) оценивается следующим выражением:

, (10.19)

где h·n = b - a , . Таким образом, погрешность формулы Симпсона пропорциональна O (h 4 ).

Замечание. Следует отметить, что в формуле Симпсона отрезок интегрирования обязательно разбивается на четное число интервалов.

10.5. Вычисление определенных интегралов методами
Монте–Карло

Рассматриваемые ранее методы называются детерминированными , то есть лишенными элемента случайности.

Методы Монте–Карло (ММК) – это численные методы решения математических задач с помощью моделирования случайных величин. ММК позволяют успешно решать математические задачи, обусловленные вероятностными процессами. Более того, при решении задач, не связанных с какими-либо вероятностями, можно искусственно придумать вероятностную модель (и даже не одну), позволяющую решать эти задачи. Рассмотрим вычисление определенного интеграла

(10.20)

При вычислении этого интеграла по формуле прямоугольников интервал [a, b ] разбиваем на N одинаковых интервалов, в серединах которых вычислялись значения подынтегральной функции. Вычисляя значения функции в случайных узлах, можно получить более точный результат:

(10.21)

(10.22)

Здесь γ i - случайное число, равномерно распределенное на интервале
. Погрешность вычисления интеграла ММК ~ , что значительно больше, чем у ранее изученных детерминированных методов.

На рис. 2.5 представлена графическая реализация метода Монте-Карло вычисления однократного интеграла со случайными узлами (2.21) и (2.22).

(2.23)

Рис. 10.6. Интегрирование методом Монте-Карло (2-й случай)

Как видно на рис. 2.6, интегральная кривая лежит в единичном квадрате, и если мы сумеем получать пары случайных чисел, равномерно распределенных на интервале , то полученные значения (γ 1, γ 2) можно интерпретировать как координаты точки в единичном квадрате. Тогда, если этих пар чисел получено достаточно много, можно приблизительно считать, что
. Здесь S – число пар точек, попавших под кривую, а N – общее число пар чисел.

Пример 2.1. Вычислить следующий интеграл:

Поставленная задача была решена различными методами. Полученные результаты сведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Замечание. Выбор табличного интеграла позволил нам сравнить погрешность каждого метода и выяснить влияние числа разбиений на точность вычислений.

11 ПРИБЛИЖЕННОЕ РЕШЕНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ
И ТРАНСЦЕНДЕНТНЫХ УРАВНЕНИЙ