Суть метода Симпсона заключается в приближении подынтегральной функции на отрезке интерполяционным многочленом второй степени p2(x), т.е. приближение графика функции на отрезке параболой. Для интерполирования подынтегральной функции используются три точки.
Рассмотрим произвольный интеграл. Воспользуемся заменой переменной таким образом, чтобы границы отрезка интегрирования вместо стали [-1,1]. Для этого введем переменную z:
Рассмотрим задачу интерполирования подынтегральной функции, используя в качестве узлов три равноудаленные узловые точки z = -1, z = 0, z = +1 (шаг равен 1, длина отрезка интегрирования равна 2). Обозначим соответствующие значения подынтегральной функции в узлах интерполяции:
Система уравнений для нахождения коэффициентов полинома, проходящего через три точки (-1, f-1), (0, f0) и(1, f-+1) примет вид:
Коэффициенты легко могут быть получены:
Вычислим теперь значение интеграла от интерполяционного многочлена:
Путем обратной замены переменной вернемся к исходному интегралу. Учтем, что:
соответствует
соответствует
соответствует
Получим формулу Симпсона для произвольного интервала интегрирования:
Полученное значение совпадает с площадью криволинейной трапеции, ограниченной осью x, прямыми x = x0, x = x2 и параболой, проходящей через точки
При необходимости, исходный отрезок интегрирования может быть разбит на N сдвоенных отрезков, к каждому из которых применяется формула Симпсона. Шаг интерполирования при этом составит:
Для первого отрезка интегрирования узлами интерполирования будут являться точки a, a+h, a+2h, для второго a+2h, a+3h, a+4h, третьего a+4h, a+5h, a+6h и т.д. Приближенное значение интеграла получается суммированием N площадей:
интегрирование численный метод симпсон
В данную сумму входят одинаковые слагаемые (для внутренних узлов с четным значением индекса - 2i). Поэтому можно перегруппировать слагаемые в этой сумме таким образом:
Приняв во внимание то, что получаем:
Оценим теперь погрешность интегрирования по формуле Симпсона. Будем считать, что у функции на отрезкесуществуют непрерывные производные. Составим разность:
Применяя к этой разнице последовательно теорему о среднем и дифференцируя R(h) получаем погрешность метода Симпсона:
Погрешность метода уменьшается пропорционально длине шага интегрирования в четвертой степени, т.е. при увеличении числа интервалов вдвое ошибка уменьшается в 16 раз.
Преимущества и недостатки
Формулы Симпсона и Ньютона-Котеса являются хорошим аппаратом для вычисления определенного интеграла достаточное число раз непрерывно дифференцируемой функции. Так, при условии, что четвертая производная не слишком велика, метод Симпсона позволяет получить достаточно высокую точность. В то же время, ее алгебраический порядок точности 3, и формула Симпсона является точной для многочленов степени не выше третьей.
Также методы Ньютона-Котеса и в частности метод Симпсона будут наиболее эффективными в случаях, когда априорная информация о гладкости подынтегральной функции отсутствует, т.е. когда подынтегральная функция задана таблично.
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
Возникает задача о численном вычислении определенного интеграла, решаемая с помощью формул, носящих название квадратурных.
Напомним простейшие формулы численного интегрирования.
Вычислим приближенное
численное значение
.
Интервал интегрирования [а, b] разобьем
на п равных частей точками деления
,
называемыми узлами квадратурной
формулы. Пусть в узлах известны значения
:
Величина
называется интервалом интегрирования
или шагом. Отметим, что в практике
-вычислений число я выбирают небольшим,
обычно оно не больше 10-20.На частичном
интервале
подынтегральную функцию заменяют
интерполяционным многочленом
который на рассматриваемом интервале приближенно представляет функцию f (х).
а) Удержим в интерполяционном многочлене только один первый член, тогда
Полученная квадратная формула
называется формулой прямоугольников.
б) Удержим в интерполяционном многочлене два первых члена, тогда
(2)
Формула (2) называется формулой трапеций.
в) Интервал
интегрирования
разобьем на четное число 2n равных
частей, при этом шаг интегрирования h
будет равен
. На интервале
длиной
2h подынтегральную функцию заменим
интерполяционным многочленом второй
степени, т. е. удержим в многочлене
три первых члена:
Полученная квадратурная формула называется формулой Симпсона
(3)
Формулы (1), (2) и (3)
имеют простой геометрический смысл. В
формуле прямоугольников подынтегральная
функция f(х) на интервале
заменяется
отрезком прямой у = ук, параллельной оси
абсцисс, а в формуле трапеций - отрезком
прямой
и
вычисляется соответственно площадь
прямоугольника и прямолинейной
трапеции, которые затем суммируются.
В формуле Симпсона функция f(х) на
интервале
длиной 2h заменяется квадратным трехчленом
- параболой
вычисляется площадь криволинейной
параболической трапеции, затем площади
суммируются.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В завершении работы, хочется отметить ряд особенностей применения рассмотренных выше методов. Каждый способ приближённого решения определённого интеграла имеет свои преимущества и недостатки, в зависимости от поставленной задачи следует использовать конкретные методы.
Метод замены переменных является одним из основных методов вычисления неопределенных интегралов. Даже в тех случаях, когда мы интегрируем каким-либо другим методом, нам часто приходится в промежуточных вычислениях прибегать к замене переменных. Успех интегрирования зависит в значительной степени от того, сумеем ли мы подобрать такую удачную замену переменных, которая упростила бы данный интеграл.
По существу говоря изучение методов интегрирования сводится к выяснению того, какую надо сделать замену переменной при том или ином виде подынтегрального выражения.
Таким образом, интегрирование всякой рациональной дроби сводится к интегрированию многочлена и нескольких простейших дробей.
Интеграл от любой рациональной функции может быть выражен через элементарные функции в конечном виде, а именно:
через логарифмы- в случаях простейших дробей 1 типа;
через рациональные функции- в случае простейших дробей 2 типа
через логарифмы и арктангенсы- в случае простейших дробей 3 типа
через рациональные функции и арктангенсы- в случае простейших дробей 4 типа. Универсальная тригонометрическая подстановка всегда рационализирует подынтегральную функцию, однако часто она приводит к очень громоздким рациональным дробям, у которых, в частности, практически невозможно найти корни знаменателя. Поэтому при возможности применяются частные подстановки, которые тоже рационализируют подынтегральную функцию и приводят к менее сложным дробям.
Формула Ньютона – Лейбница представляет собой общий подход к нахождению определенных интегралов.
Что касается приемов вычисления определенных интегралов, то они практически ничем не отличаются от всех тех приемов и методов.
Точно так же применяются методы подстановки (замены переменной), метод интегрирования по частям, те же приемы нахождения первообразных для тригонометрических, иррациональных и трансцендентных функций. Особенностью является только то, что при применении этих приемов надо распространять преобразование не только на подинтегральную функцию, но и на пределы интегрирования. Заменяя переменную интегрирования, не забыть изменить соответственно пределы интегрирования.
Как следует из теоремы, условие непрерывности функции является достаточным условием интегрируемости функции. Но это не означает, что определенный интеграл существует только для непрерывных функций. Класс интегрируемых функций гораздо шире. Так, например, существует определенный интеграл от функций, имеющих конечное число точек разрыва.
Вычисление определенного интеграла от непрерывной функции с помощью формулы Ньютона-Лейбница сводится к нахождению первообразной, которая всегда существует, но не всегда является элементарной функцией или функцией, для которой составлены таблицы, дающие возможность получить значение интеграла. В многочисленных приложениях интегрируемая функция задается таблично и формула Ньютона - Лейбница непосредственно неприменима.
Если необходимо получить наиболее точный результат, идеально подходит метод Симпсона .
Из выше изученного можно сделать следующий вывод, что интеграл используется в таких науках как физика, геометрия, математика и других науках. При помощи интеграла вычисляют работу силы, находят координаты центр масс, путь пройденный материальной точкой. В геометрии используется для вычисления объема тела, нахождение длины дуги кривой и др.
Вычисление интегралов по формулам прямоугольников, трапеций и формуле Симпсона. Оценка погрешностей.
Методические указания по теме 4.1:
Вычисление интегралов по формулам прямоугольников. Оценка погрешности:
Решение многих технических задач сводится к вычислению определенных интегралов, точное выражение которых сложно, требует длительных вычислений и не всегда оправдано практически. Здесь бывает вполне достаточно их приближенного значения. Например, необходимо вычислить площадь, ограниченную линией, уравнение которой неизвестно, осью х и двумя ординатами. В этом случае можно заменить данную линию более простой, для которой известно уравнение. Площадь полученной таким образом криволинейной трапеции принимается за приближенное значение искомого интеграла. Геометрически идея способа вычислений определенного интеграла по формуле прямоугольников состоит в том, что площадь криволинейной трапеции А 1 АВВ 1 заменяется площадью равновеликого прямоугольника А 1 А 2 В 1 В 2 , которая по теореме о среднем равна
Где f(c)
--- высота прямоугольника А 1 А 2 В 1 В 2 ,
представляющая собой значение подынтегральной функции в некоторой промежуточной точке c(a< c
Практически трудно найти такое значение с , при котором (b-a) f (c) в точности равнялось бы . Для получения более точного значения площадь криволинейной трапеции разбивают на n прямоугольников, высоты которых равны y 0 , y 1 , y 2 , …,y n -1 и основания .
Если суммировать площади прямоугольников, которые покрывают площадь криволинейной трапеции с недостатком, функция --- неубывающая, то вместо формулы используют формулу
Если с избытком, то
Значения находят из равенств . Эти формулы называются формулами прямоугольников и дают приближенный результат. С увеличением n результат становится более точным.
Пример 1. Вычислить по формуле прямоугольников
Разделим промежуток интегрирования на 5 частей. Тогда . При помощи калькулятора или таблицы найдем значения подынтегральной функции (с точностью до 4-х знаков после запятой):
По формуле прямоугольников (с недостатком)
С другой стороны по формуле Ньютона-Лейбница
Найдем относительную погрешность вычисления по формуле прямоугольников:
Вычисление интегралов по формулам трапеций. Оценка погрешности:
Геометрический смысл следующего способа приближенного вычисления интегралов состоит в том, что нахождение площади приблизительно равновеликой «прямолинейной» трапеции.
Пусть необходимо вычислить площадь А 1 АmBB 1 криволинейной трапеции, выражаемую формулой .
Заменим дугу AmB
хордой AB
и вместо площади криволинейной трапеции А 1 АmBB 1
вычислим площадь трапеции А 1 АBB 1
: 
, где AA 1
и ВВ
1 -- основания трапеции, а A 1 В
1 –ее высота.
Обозначим f(a)=A 1 A,f(b)=B 1 B.
высота трапеции A 1 B 1 =b-a,
площадь 
. Следовательно, 
или
Это так называемая малая формула трапеций .
(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
