Вычисление определённых интегралов методом интегрирования по частям и методом замены переменной
При выводе формулы интегрирования по частям было получено равенство u dv = d (uv) – v du. Проинтегрировав его в пределах от a до b и учитывая теорему 4 параграфа этой статьи о свойствах определённого интеграла, получим
Как это следует из теоремы 2 параграфа о свойствах неопределённого интеграла, первый член в правой части равен разности значений произведения uv при верхнем и нижнем пределах интегрирования. Записав эту разность кратко в виде
получаем формулу интегрирования по частям для вычисления определенного интеграла:
(49)
Пример 6. Вычислить определённый интеграл
Решение. Интегрируем по частям, полагая ,
; тогда ,
. По формуле (49) находим
Найти определённый интеграл по частям самостоятельно, а затем посмотреть решение
Пример 7. Найти определённый интеграл
.
Пример 8. Найти определённый интеграл
.
Перейдём к вычислению определённого интеграла методом замены переменной. Пусть
где, по определению, F(x) – первообразная для f(x). Если в подынтегральном выражении произвести замену переменной
то в соответствии с формулой (16) можно записать
В этом выражении
первообразная функция для
В самом деле, её производная, согласно правилу дифференцирования сложной функции, равна
Пусть α и β – значения переменной t , при которых функция
принимает соответственно значения aи b, т.е.
Тогда
Но, согласно формуле Ньютона-Лейбница, разность F(b) – F(a) есть
поскольку F(x) – первообразная для f(x).
Итак,
(50)
Это и есть формула перехода к новой переменной под знаком определённого интеграла. С её помощью определённый интеграл
после замены переменной
преобразуется в определённый интеграл относительно новой переменной t. При этом старые пределы интегрирования a и b заменяются новыми пределами и . Чтобы найти новые пределы, нужно в уравнение
поставить значения x = aи x = b, т.е. решить уравнения
и
относительно и . После нахождения новых пределов интегрирования вычисление определённого интеграла сводится к применению формулы Ньютона-Лейбница к интегралу от новой переменной t. В первообразной функции, которая получается в результате нахождения интеграла, возвращаться к старой переменной нет необходимости.
При вычислении определённого интеграла методом замены переменной часто бывает удобно выражать не старую переменную как функцию новой, а, наоборот, новую – как функцию старой.
Пример 9. Вычислить определённый интеграл
Решение. Произведём замену переменной, полагая
Тогда , откуда
, и подынтегральное выражение преобразуется так:
Найдём новые пределы интегрирования. Подстановка значений x = 4 и x = 5 в уравнение
даёт
а
Используя теперь формулу (50), получим
После замены переменной мы не возвращались к старой переменной, а применили формулу Ньютона-Лейбница к полученной первообразной.
Найти определённый интеграл заменой переменной самостоятельно, а затем посмотреть решение
Пример 10. Найти определённый интеграл
.
Пример 11. Найти определённый интеграл
.
| Назад | Листать | Вперёд>>> |
Начало темы «Интеграл»
Продолжение темы «Интеграл»
Поделиться с друзьями
1 Постановка физической задачина расчёт определённого интеграла
Допустим, у нас есть таблично заданная некоторая величина. Для примера пусть это будет накопленная доза радиации при авиаперелёте. Скажем, был такой эксперимент: человек с дозиметром летел на самолёте из пункта А в пункт Б и периодически измерял дозиметром мощность дозы (единицы измерений – микрозиверт в час, мкЗв/ч). Возможно, Вас это удивит, но при обычном перелёте на самолёте человек попадает под радиоактивное излучение, превышающее фоновый уровень до 10 раз и даже больше. Но воздействие это кратковременное, и поэтому не столь опасное. По результатам измерений у нас есть таблица вот такого формата: Время – Мощность дозы.
Таблично заданная величина для расчёта определённого интеграла
Необходимо посчитать суммарную накопленную за время полёта дозу.
Вычисление интегралов в Excel
Формулировка в предыдущем предложении определяет сущность понятия интегрирования.
Интеграл чего-либо – это сумма всех малых частей этого чего-либо. Чем больше количество этих малых частей, тем точнее значение интеграла соответствует действительности, определяя признак изучаемого объекта.
Интегрирование применимо для изучения свойств физических и философских объектов при условии, что эти свойства остаются неизменными как для «мелкой» части, так и для всего объекта в целом.
Функция – это описание зависимости некоторого признака или свойства объекта от аргумента.
Объект – плоская фигура между графиком функции и осью абсцисс.
Признак (значение функции) – высота фигуры.
Аргумент (независимая переменная) – ширина фигуры.
Функция – описание зависимости высоты от ширины.
Определенный интеграл функции – площадь фигуры. Площадь тоже является признаком фигуры, но зависит от двух переменных – высоты и ширины – и представляет собой качественно иной новый признак.
5 Определение площадипод графиком функции
Осталось найти сумму вычисленных площадей трапеций. Можно в ячейке «F2» написать формулу: =СУММ(E:E) Это и будет сумма всех значений в столбце «E», т.е. численное значение искомого определённого интеграла. Но давайте сделаем вот что: определим накопленную дозу в разные моменты полёта. Для этого в ячейку «F4» впишем формулу =СУММ(E$3:E4) и маркером заполнения распространим на весь столбец «F».
Обозначение E$3 говорит программе Excel, что увеличивать индекс ячейки «3» в столбце «E» при переносе формулы на следующие строки не нужно. Т.е. в строке 4 формула будет определять сумму в ячейках с «Е3» по «Е4», в строке 5 – сумму с «Е3» по «Е5», в строке 6 – с «Е3» по «Е6» и т.д.
Построим график по столбцам «F» и «A». Это график изменения накопленной дозы радиации во времени. Наглядно видно монотонное увеличение накопленной дозы радиации за время полёта. Это говорит о том, что мы правильно рассчитали интеграл. И окончательное значение накопленной за двухчасовой полёт дозы радиации, которое получается в последней ячейке этого столбца, равно примерно 4,5 микрозиверт.
Вычисление суммарной площади всех трапеций, что численно равно искомому определённому интегралу
Таким образом, мы только что нашли определённый интеграл таблично заданной функции в программе Excel на реальном физическом примере. В качестве приложения к статье – файл Excel с нашим примером.
-
Как сделать ссылку на сводную таблицу в excel
-
Как работать в автокаде для чайников бесплатно видео
-
Как добавить в счет срок поставки в 1с
-
Как выбрать подрядчика 1с
- Как записывается в майкрософт эксель ссылка на диапазон ячеек выделенные на изображении сдо
4 Согласованиеединиц измерения
В нашем примере измерения мощности дозы радиации даётся в мкЗв/час, а шкала времени – с точностью до минут. Мы не можем брать интеграл по времени, измеряемому в минутах, для величины, измеряемой в часах. Поэтому необходимо перевести мкЗв/час в мкЗв/мин.
Для перевода просто разделим мощность дозы в мкЗв/час построчно на количество минут в часе, т.е. на 60. Добавим ещё один столбец в нашу таблицу. На иллюстрации это столбец «D». В столбце «D» в строке 2 вписываем =С2/60 А потом с помощью маркера заполнения распространяем эту формулу на все остальные ячейки в столбце «D», (т.е. тянем мышью чёрный прямоугольник в правом нижнем углу ячейки). Таким образом, в столбце «D» у нас появятся значения мощности дозы радиации, измеряемые в микрозивертах в минуту для каждой минуты перелёта.
Согласуем единицы измерения по шкале времени и шкале мощности дозы
Лирическое отступление
Зачем оценивать ошибку интегрирования? Можно ведь взять «маленький» шаг сетки и заведомо получить «точный» результат, и не важно что потребуется сделать 1000 или более шагов интегрирования, ведь вычислительные мощности так дешевы!
На этот счет есть 2 замечания: для больших интервалов интегрирования может потребоваться слишком много шагов и если вычисление интеграла лишь часть задачи, да еще и если оно находится в цикле, то это может замедлить работу программы. И второй момент: если мы не знаем ошибки, то как мы можем быть уверены, что вычисленное значение нам подходит? Например, мы вычисляем интеграл, чтобы получить значение, которое мы будем затем сравнивать с неким критерием. Если значение больше критерия, то мы принимаем одно решение, а если нет, то другое. Из-за недостаточной точности вычисления интеграла может случиться, что будет принято неверное решение, что соответственно приведет к некорректной работе программы (в определенной ситуации).
Теория.
Подробно рассмотрим два наиболее точных метода численного интегрирования функции одной переменной – метод трапеций и метод парабол или метод Симпсона. Есть еще метод прямоугольников, но мы его проигнорируем из-за невысокой точности.
Все, что требуется для понимания и применения метода трапеций и метода Симпсона на практике представлено далее на рисунке.
Площадь под кривой y = f ( x ) разбиваем на n-1 криволинейных трапеций, у которых три стороны – это прямые линии, а одна сторона – участок кривой y =f ( x ). Суммарная площадь под графиком функции на участке от x1 до xn – это и есть искомая величина, которая является определенным интегралом функции на этом участке и находится как сумма площадей всех криволинейных трапеций.
Точно вычислить аналитически площадь криволинейной трапеции бывает сложно или даже невозможно.
Для приближенного вычисления площади криволинейной трапеции можно заменить участок кривой прямой линией и, получив простую фигуру – обычную трапецию, найти по известной формуле ее площадь. В этом суть метода трапеций.
Если участок кривой линии над двумя криволинейными трапециями заменить параболой, проведенной через три характерные точки, то получим новую криволинейную трапецию с одной из сторон в виде параболы. Количество новых фигур будет в два раза меньше, чем количество исходных трапеций. Площадь этих новых фигур вычисляется по простой формуле. В этом смысл метода Симпсона.
Идею замены участка любой кривой участком параболы высказывал Исаак Ньютон, но первым вывел формулу английский математик Томас Симпсон. Метод Симпсона для вычисления интегралов является самым точным из приближенных численных методов.
Если вычисление интегралов методом трапеций не имеет ограничений, то для того, чтобы реализовать метод Симпсона необходимо выполнить два условия.
1. Разбить площадь на четное количество частей, то есть n должно быть нечетным числом!
2. Расстояния между точками по оси x должны быть одинаковыми!
Теория.
Подробно рассмотрим два наиболее точных метода численного интегрирования функции одной переменной – метод трапеций и метод парабол или метод Симпсона. Есть еще метод прямоугольников, но мы его проигнорируем из-за невысокой точности.
Все, что требуется для понимания и применения метода трапеций и метода Симпсона на практике представлено далее на рисунке.
Точно вычислить аналитически площадь криволинейной трапеции бывает сложно или даже невозможно.
Для приближенного вычисления площади криволинейной трапеции можно заменить участок кривой прямой линией и, получив простую фигуру – обычную трапецию, найти по известной формуле ее площадь. В этом суть метода трапеций.
Если участок кривой линии над двумя криволинейными трапециями заменить параболой, проведенной через три характерные точки, то получим новую криволинейную трапецию с одной из сторон в виде параболы. Количество новых фигур будет в два раза меньше, чем количество исходных трапеций. Площадь этих новых фигур вычисляется по простой формуле. В этом смысл метода Симпсона.
Идею замены участка любой кривой участком параболы высказывал Исаак Ньютон, но первым вывел формулу английский математик Томас Симпсон. Метод Симпсона для вычисления интегралов является самым точным из приближенных численных методов.
Если вычисление интегралов методом трапеций не имеет ограничений, то для того, чтобы реализовать метод Симпсона необходимо выполнить два условия.
1. Разбить площадь на четное количество частей, то есть n должно быть нечетным числом!
2. Расстояния между точками по оси x должны быть одинаковыми!
Ошибка вычисления
На рисунке ниже показано откуда появляется ошибка интегрирования. Для первых 2-х трапеций (образованы красными линиями) площадь меньше чем у истинной функции (синяя линия). Для следующих 2-х — площадь больше. Из этого следует, что метод трапеций хорошо работает для осциллирующих функций, когда ошибки компенсируют друг друга.
Простой многочлен был выбран в качестве демонстрационной функции, чтобы можно было вычислить интеграл точно и потом найти истинную ошибку, чтобы иметь возможность сравнить ее с оценкой.
К сожалению, для нахождения оценки ошибки потребуется вычислить первую производную. Сделать это чаще всего не сложно, но автоматизировать это в EXCEL не получится. Поэтому при изменении подинтегральной функции приходится вносить изменения в несколько формул на листе, а точнее — в 2 ячейки С19 и G31 (в файле примера они выделены красным). После ввода формул их нужно скопировать вниз.
В наем случае полученная оценка ошибки совпала с истинной ошибкой, что говорит о том что мы не ошиблись при вычислении производной и вводе формул на лист.
Совет: всегда оценивайте ошибку интегрирования.
Свойства определённого интеграла
Теорема 1. Определённый интеграл с одинаковыми пределами интегрирования равен нулю, т.е.
Это свойство содержится в самом определении определённого интеграла. Однако его можно получить и по формуле Ньютона-Лейбница:
Теорема 2. Величина определённого интеграла не зависит от обозначения переменной интегрирования, т.е.
(40)
Пусть F(x) – первообразная для f(x). Для f(t) первообразной служит та же функция F(t), в которой лишь иначе обозначена независимая переменная. Следовательно,
На основании формулы (39) последнее равенство означает равенство интегралов
и
Теорема 3. Постоянный множитель можно выносить за знак определённого интеграла, т.е.
(41)
Теорема 4. Определённый интеграл от алгебраической суммы конечного числа функций равен алгебраической сумме определённых интегралов от этих функций, т.е.
(42)
Теорема 5. Если отрезок интегрирования разбит на части, то определённый интеграл по всему отрезку равен сумме определённых интегралов по его частям, т.е. если
то
(43)
Теорема 6. При перестановке пределов интегрирования абсолютная величина определённого интеграла не меняется, а изменяется лишь его знак, т.е.
(44)
Теорема 7 (теорема о среднем). Определённый интеграл равен произведению длины отрезка интегрирования на значение подынтегральной функции в некоторой точке внутри его, т.е.
(45)
Теорема 8. Если верхний предел интегрирования больше нижнего и подынтегральная функция неотрицательна (положительна), то и определённый интеграл неотрицателен (положителен), т.е. если
Теорема 9. Если верхний предел интегрирования больше нижнего и функции и непрерывны, то неравенство
можно почленно интегрировать, т.е.
(46)
Свойства определённого интеграла позволяют упрощать непосредственное вычисление интегралов.
Пример 5. Вычислить определённый интеграл
Используя теоремы 4 и 3, а при нахождении первообразных – , получим
Определённый интеграл с переменным верхним пределом
Пусть f
(x
) – непрерывная на отрезке [a
, b
] функция, а F
(x
) – её первообразная. Рассмотрим определённый интеграл
(47)
а через t
обозначена переменная интегрирования, чтобы не путать её с верхней границей. При изменении х
меняется и опредёленный интеграл (47), т.е. он является функцией верхнего предела интегрирования х
, которую обозначим через Ф
(х
), т.е.
(48)
Докажем, что функция Ф
(х
) является первообразной для f
(x
) = f
(t
). Действительно, дифференцируя Ф
(х
), получим
так как F
(x
) – первообразная для f
(x
), а F
(a
) – постояная величина.
Функция Ф
(х
) – одна из бесконечного множества первообразных для f
(x
), а именно та, которая при x
= a
обращается в нуль. Это утверждение получается, если в равенстве (48) положить x
= a
и воспользоваться теоремой 1 предыдущего параграфа.
4Согласованиеединиц измерения
В нашем примере измерения мощности дозы радиации даётся в мкЗв/час, а шкала времени – с точностью до минут. Мы не можем брать интеграл по времени, измеряемому в минутах, для величины, измеряемой в часах. Поэтому необходимо перевести мкЗв/час в мкЗв/мин.
Для перевода просто разделим мощность дозы в мкЗв/час построчно на количество минут в часе, т.е. на 60. Добавим ещё один столбец в нашу таблицу. На иллюстрации это столбец «D». В столбце «D» в строке 2 вписываем =С2/60 А потом с помощью маркера заполнения распространяем эту формулу на все остальные ячейки в столбце «D», (т.е. тянем мышью чёрный прямоугольник в правом нижнем углу ячейки). Таким образом, в столбце «D» у нас появятся значения мощности дозы радиации, измеряемые в микрозивертах в минуту для каждой минуты перелёта.
Согласуем единицы измерения по шкале времени и шкале мощности дозы
3Методика вычисленияопределённого интеграла
Вычислять интеграл мы будем самым простым, но довольно точным методом – методом трапеций. Напомню, площадь фигуры под графиком любой кривой можно разделить на прямоугольные трапеции. Сумма площадей этих трапеций и будет искомым значением определённого интеграла.
Площадь трапеции определяется как полусумма оснований, умноженная на высоту: Sтрап = (A + B) / 2 × h Основания в нашем случае – это табличные измеренные значения мощности дозы за 2 последовательных промежутка времени, а высота – это разница времени между двумя измерениями.
Метод трапеций для вычисления значения определённого интеграла
Вычисление площадей отдельных трапеций
Теперь нужно найти площади трапеций за каждый промежуток времени. В столбце “E” будем вычислять по приведённой выше формуле площади трапеций. Полусумма оснований – это половина суммы двух последовательных мощностей дозы из столбца “D”. Так как данные идут с периодом 1 раз в минуту, а мы берём интеграл по времени, выраженному в минутах, то высота каждой трапеции будет равна единице (разница времени между каждыми двумя последовательными измерениями, например, 17ч31мин — 17ч30мин = 0ч1мин = 1мин).
Получаем формулу в ячейке “E3”: =1/2*(D3+D2)*1. Понятно, что “×1” в этой формуле можно не писать. И аналогично, с помощью маркера заполнения, распространяем формулу на весь столбец. Теперь в каждой ячейке столбца “Е” посчитана накопленная доза за 1 минуту полёта.
Вычисление площадей прямоугольных трапеций за каждый промежуток времени
Если бы данные шли не через 1 минуту, то нам нужно было бы написать формулу так:=1/2*(D3+D2)*(МИНУТЫ(A3) – МИНУТЫ(A2)). Правда при этом, если есть переход на следующий час, то получится отрицательное значение. Чтобы этого не произошло, впишем в формулу часы:=1/2*(D3+D2)*(ЧАС(A3)*60+МИНУТЫ(A3)) – (ЧАС(A2)*60+МИНУТЫ(A2)).Если переходим на следующие сутки, то нужно будет уже добавлять даты, и т.д.
Интегрирование выражений вида R(sinx, cosx)
Пример №1. Вычислить интегралы:
Rsin xcos xtg(x/2) = t
Универсальная тригонометрическая подстановка дает возможность перейти от интеграла вида к интегралу от дробно-рациональной функции, но часто такая замена ведет к громоздким выражениям. При определенных условиях эффективными оказываются более простые подстановки:
- Если выполняется равенство , то применяется подстановка cos x = t.
- Если выполняется равенство , то подстановка sin x = t.
- Если выполняется равенство , то подстановка tgx = tили ctg x = t.
В данном случае для нахождения интеграла
tg(x/2) = t
Так как дробь неправильная, то, выделяя целую часть, получим
Возвращась к исходной переменной будем иметь
b) Во втором примере рассмотрим важный частный случай, когда общее выражение имеет вид . В этом частном случае, если m нечетно, следует применить подстановку cos x = t. Если нечетно n, следует применить подстановку sin x = t. Если оба показателя тип — четные неотрицательные числа (в частности, одно из них может быть равным нулю), то выполняют замену по известным тригонометрическим формулам:
Ответ:
5 Определение площадипод графиком функции
Осталось найти сумму вычисленных площадей трапеций. Можно в ячейке «F2» написать формулу: =СУММ(E:E) Это и будет сумма всех значений в столбце «E», т.е. численное значение искомого определённого интеграла. Но давайте сделаем вот что: определим накопленную дозу в разные моменты полёта. Для этого в ячейку «F4» впишем формулу =СУММ(E$3:E4) и маркером заполнения распространим на весь столбец «F».
Обозначение E$3 говорит программе Excel, что увеличивать индекс ячейки «3» в столбце «E» при переносе формулы на следующие строки не нужно. Т.е. в строке 4 формула будет определять сумму в ячейках с «Е3» по «Е4», в строке 5 – сумму с «Е3» по «Е5», в строке 6 – с «Е3» по «Е6» и т.д.
Построим график по столбцам «F» и «A». Это график изменения накопленной дозы радиации во времени. Наглядно видно монотонное увеличение накопленной дозы радиации за время полёта. Это говорит о том, что мы правильно рассчитали интеграл. И окончательное значение накопленной за двухчасовой полёт дозы радиации, которое получается в последней ячейке этого столбца, равно примерно 4,5 микрозиверт.
Вычисление суммарной площади всех трапеций, что численно равно искомому определённому интегралу
Таким образом, мы только что нашли определённый интеграл таблично заданной функции в программе Excel на реальном физическом примере. В качестве приложения к статье – файл Excel с нашим примером.
-
Не удалось прочитать календарь outlook 2010
-
Чем заменить adobe flash player на ipad
-
Как поставить плюс перед каждым словом в excel
-
Вставка объекта неосуществима excel
- Как в 1с сделать реклассификацию основных средств
Интегрирование обратных тригонометрических функций
Интегралы, содержащие обратные тригонометрические функцииarcsin φ, arctg φ, и т.д., где φ – некоторая алгебраическая функция от x, нередко интегрируются по частям, полагая u = arcsin φ, u = arctg φ, и т.д.
Общий подход
Вначале, если это необходимо, подынтегральное выражение нужно преобразовать, чтобы тригонометрические функции зависели от одного аргумента, который совпадал бы с переменной интегрирования.
Например, если подынтегральное выражение зависит от sin(x+a) и cos(x+b), то следует выполнить преобразование:cos (x+b) = cos (x+a – (a–b) ) = cos (x+a) cos (b–a) + sin ( x+a ) sin (b–a).После чего сделать замену z = x+a. В результате, тригонометрические функции будут зависеть только от переменной интегрирования z.
Когда тригонометрические функции зависят от одного аргумента, совпадающим с переменной интегрирования (допустим это z), то есть подынтегральное выражение состоит только из функций типа sin z, cos z, tg z, ctg z, то нужно сделать подстановку.Такая подстановка приводит к интегрированию рациональных или иррациональных функций (если есть корни) и позволяет вычислить интеграл, если он интегрируется в элементарных функциях.
Однако, часто можно найти другие методы, которые позволяют вычислить интеграл более коротким способом, основываясь на специфике подынтегрального выражения. Ниже дано изложение основных таких методов.
Численное вычисление интегралов
5.3. Численное вычисление определенных
интегралов
Технология приближенного
вычисления
Для численного вычисления определенного интеграла существует несколько
методов. Наиболее простым является метод трапеций. Для вычисления определенного
интеграла по методу трапеций используется формула:
Технология вычисления определенного интеграла в электронной таблице основана
на построении табличных значений подинтегрального выражения для каждого шага
интегрирования. Используя его можно получить лишь приближенное значение
интеграла. Технологию численного вычисления определенного интеграла в Excel с
использованием формулы трапеций рассмотрим на примере.
Пример 19.
Требуется вычислить определенный
интеграл
Величина интеграла, вычисленная аналитически, равна 9.
Решение:
1. Табулируйте подинтегральную функцию в диапазоне изменения значений
аргумента 0 – 3 с шагом 0,2 (рис. 30)
Рисунок 30
2. В ячейку С2 введите формулу =
(A3-A2)*B2+(A3-A2)*(B3-B2)/2, которая реализует часть приведенной выше формулы,
размещенной правее знака суммы, т.е вычисляет величину элементарной площадки (трапеции).
3. Скопируйте буксировкой формулу, записанную в ячейке С2 до значения
ар-гумента х = 2,8.
4. В ячейке С17 просуммируйте с помощью автосуммирования полученные
ре-зультаты. Вычисленное значение в ячейке С17 и будет величиной интеграла — 9.
Технология точного
вычисления
Технология точного вычисления основана на использовании аппарата
циклических ссылок и итераций. Применение этой технологии позволяет задавать
достаточно малый шаг интегрирования, что увеличивает точность вычислений. Для
точного вычисления нужно выполнить следующие операции:
1.
Определить на сколько
интервалов нужно разбить диапазон интегрирования, чтобы получить требуемую
точность, и задать их количество в виде количества итераций. Положим для решения
нашей задачи достаточно 10000 интервалов.
2.
Выполним команду меню Сервис ð
Параметры, откроем закладку Вычисления в диалоговом окне Параметры и в поле
Предельное число итераций введем число 10000. Если установлен флажок Итерации,
то выключим его. Закроем диалоговое окно Параметры.
3.
В ячейки рабочего листа введем исходные данные и формулы для
вычислений (рис. 31).
Рис. 31
В ячейке В6 формула =(B4-B2)/B5 вычисляет шаг интегрирования. В
ячейке С3 формула = 0+C3+B6 – вычисляет текущее значение аргумента х. Значение 0
в формуле устанавливает нижний предел интегрирования. В формуле есть циклическая
ссылка на эту же ячейку — С3 +В6,
она реализует накопление величины х относительно нижнего предела.
В ячейке D3
записана формула, реализующая метод трапеций и накопление суммы площадей
элементарных трапеций.
4.
После ввода исходных данных и формул вновь выполним команду меню
Сервис ð
Параметры, откроем закладку Вычисления в диалоговом окне Параметры и установим
флажок Итерации. Щелкнем на кнопке ОК. Потребуется некоторое время для того,
чтобы табличный процессор выполнил заданное количество циклов итераций и
вычислил результат (рис. 44).
5.
После завершения вычислений вновь вызовем диалоговое окно
Параметры и выключим флажок Предельное число итераций.
Методика вычисленияопределённого интеграла
Вычислять интеграл мы будем самым простым, но довольно точным методом – методом трапеций. Напомню, площадь фигуры под графиком любой кривой можно разделить на прямоугольные трапеции. Сумма площадей этих трапеций и будет искомым значением определённого интеграла.
Площадь трапеции определяется как полусумма оснований, умноженная на высоту: Sтрап = (A + B) / 2 × h Основания в нашем случае – это табличные измеренные значения мощности дозы за 2 последовательных промежутка времени, а высота – это разница времени между двумя измерениями.
Метод трапеций для вычисления значения определённого интеграла
3Методика вычисленияопределённого интеграла
Вычислять интеграл мы будем самым простым, но довольно точным методом – методом трапеций. Напомню, площадь фигуры под графиком любой кривой можно разделить на прямоугольные трапеции. Сумма площадей этих трапеций и будет искомым значением определённого интеграла.
Площадь трапеции определяется как полусумма оснований, умноженная на высоту: Sтрап = (A + B) / 2 × h Основания в нашем случае – это табличные измеренные значения мощности дозы за 2 последовательных промежутка времени, а высота – это разница времени между двумя измерениями.
Метод трапеций для вычисления значения определённого интеграла
1Постановка физической задачина расчёт определённого интеграла
Допустим, у нас есть таблично заданная некоторая величина. Для примера пусть это будет накопленная доза радиации при авиаперелёте. Скажем, был такой эксперимент: человек с дозиметром летел на самолёте из пункта А в пункт Б и периодически измерял дозиметром мощность дозы (единицы измерений – микрозиверт в час, мкЗв/ч). Возможно, Вас это удивит, но при обычном перелёте на самолёте человек попадает под радиоактивное излучение, превышающее фоновый уровень до 10 раз и даже больше. Но воздействие это кратковременное, и поэтому не столь опасное. По результатам измерений у нас есть таблица вот такого формата: Время – Мощность дозы.
Таблично заданная величина для расчёта определённого интеграла
Необходимо посчитать суммарную накопленную за время полёта дозу.
1Постановка физической задачина расчёт определённого интеграла
Допустим, у нас есть таблично заданная некоторая величина. Для примера пусть это будет накопленная доза радиации при авиаперелёте. Скажем, был такой эксперимент: человек с дозиметром летел на самолёте из пункта А в пункт Б и периодически измерял дозиметром мощность дозы (единицы измерений – микрозиверт в час, мкЗв/ч). Возможно, Вас это удивит, но при обычном перелёте на самолёте человек попадает под радиоактивное излучение, превышающее фоновый уровень до 10 раз и даже больше. Но воздействие это кратковременное, и поэтому не столь опасное. По результатам измерений у нас есть таблица вот такого формата: Время – Мощность дозы.
Таблично заданная величина для расчёта определённого интеграла
Необходимо посчитать суммарную накопленную за время полёта дозу.
Практическая работа №8
Тема:
«Вычисление интегралов по формулам
Гаусса»
Цели:освоение
вычисления интегралов приближенными
методами с помощью квадратурных формул
Гаусса; сравнение методов трапеций и
парабол с методом Гаусса.
Задание
1. Вычислить
интеграл от заданной функции f(x)
на отрезке
при делении отрезка на 10 равных частей
по формуле Гаусса.
Задание
2. Вычислить
интеграл от заданной функции f(x)
на отрезке
при h
= 0,01 с
помощью математических программных
средств
Задание
3. Сравнить
полученный в задании 1 результат с
результатами, полученными при
вычислении интеграла методами трапеций
и парабол.
Исходные данные:
Вариант 1.
;
Вариант 2.
Вариант
3.
;
Вариант 4.
Вариант
5.
;
Вариант 6.
Вариант 7.
;
Вариант 8.
Вариант 9.
;
Вариант 10.
Вариант
11.
; Вариант 12.
Вариант 13.
;
Вариант 14.
Вариант 15.
;
Вариант 16.
Вариант 17.
;
Вариант 18.
Вариант 19.
;
Вариант 20.
Практика вычисления интегралов в Excel.
Определенной сложностью является связать вычисление интегралов с реальными задачами из жизни. Рассмотрение примеров – лучший способ устранения подобных препятствий.
Определение тепловой энергии.
Более подробно о преобразовании солнечной энергии в тепловую и электрическую и об экспериментах Алексея я постараюсь рассказать в отдельной статье. Следите за анонсами, многим, я думаю, это будет интересно.
Запускаем MS Excel и начинаем работу – выполняем вычисление интеграла.
1. В столбец B вписываем время проведения измерения τi .
2. В столбец C заносим температуры нагретого воздуха t2i , измеренные на выходе из коллекторов в градусах Цельсия.
3. В столбец D записываем температуры холодного воздуха t1i , поступающего на вход коллекторов.
4. В столбце E вычисляем разности температур dti на выходе и входе
5. Зная удельную теплоемкость воздуха c =1005 Дж/(кг*К) и его постоянный массовый расход (измеренная производительность вентилятора) G =0,02031 кг/с, определяем мощность установки Ni в КВт в каждый из моментов времени в столбце F
На графике ниже показана экспериментальная кривая зависимости мощности, развиваемой коллекторами, от времени.
Количество тепловой энергии, выработанной за промежуток времени – это интеграл этой функции, и значение интеграла – это заштрихованная площадь под кривой.
6. Вычисляем в ячейках столбца G площади трапеций, суммируем их и находим общее количество энергии, выработанной за день
7. Рассчитываем в ячейках столбца H элементарные площади по методу парабол, суммируем их и находим общее количество энергии по методу Симпсона
Как видим, значения не отличаются друг от друга. Оба метода демонстрируют одинаковые результаты!
Исходная таблица содержит 421 строку. Давайте уменьшим её в 30 раз и оставим всего 15 строк, увеличив тем самым интервалы между замерами с 1 минуты до 30 минут.
По методу трапеций: Q =10,220 КВт*час (-1,684%)
По методу Симпсона: Q =10,309 КВт*час (-0,827%)
Не смотря на оставшуюся неожиданно весьма высокую точность полученных результатов, метод трапеций дает в данном случае относительную ошибку в 2 раза большую, чем метод Симпсона.
Определённый интеграл с переменным верхним пределом
Пусть f(x) – непрерывная на отрезке функция, а F(x) – её первообразная. Рассмотрим определённый интеграл
(47)
где
,
а через t обозначена переменная интегрирования, чтобы не путать её с верхней границей. При изменении х меняется и опредёленный интеграл (47), т.е. он является функцией верхнего предела интегрирования х, которую обозначим через Ф(х), т.е.
(48)
Докажем, что функция Ф(х) является первообразной для f(x) = f(t). Действительно, дифференцируя Ф(х), получим
так как F(x) – первообразная для f(x), а F(a) – постояная величина.
Функция Ф(х) – одна из бесконечного множества первообразных для f(x), а именно та, которая при x = aобращается в нуль. Это утверждение получается, если в равенстве (48) положить x = aи воспользоваться теоремой 1 предыдущего параграфа.
Общие выводы.
Вычисление интегралов численными методами в Excel позволяет эффективно и быстро решать сложные практические задачи, обеспечивая очень высокую точность результатов.
Так как мы существуем в пространстве и времени, то и всё окружающее нас изменяется или в пространстве или во времени. Это означает, что аргументом x функций y интересующих нас процессов или объектов чаще всего являются длина или время. Например, пройденный путь – это интеграл функции скорости (аргумент – время), площадь плотины – это интеграл функции высоты (аргумент – длина), и т.д.
Понимание сути интегрального исчисления и умение использовать его на практике вооружает вас, как специалиста, мощным оружием в осознанном изучении окружающего мира!
Ссылка на скачивание файла с примером: vychisleniye-integralov (xls 216,0KB).
Общие выводы.
Вычисление интегралов численными методами в Excel позволяет эффективно и быстро решать сложные практические задачи, обеспечивая очень высокую точность результатов.
Понимание сути интегрального исчисления и умение использовать его на практике вооружает вас, как специалиста, мощным оружием в осознанном изучении окружающего мира!
Отзывы и комментарии к статье, уважаемые читатели, пишите в блоке, расположенном ниже статьи.
Прошу УВАЖАЮЩИХ труд автора скачать файл ПОСЛЕ ПОДПИСКИ на анонсы статей.
Вычисление интегралов в Excel. Метод Симпсона. | Блог Александра Воробьева
Более подробно о преобразовании солнечной энергии в тепловую и электрическую и об экспериментах Алексея я постараюсь рассказать в отдельной статье. Следите за анонсами, многим, я думаю, это будет интересно.