数值积分上机实验报告


    数值积分机实验报告
    题:数学已证明
    0141+x2dxπ
    成立通数值积分求π似值
    1分复合梯形复合Simpson求积公式计算π似值选择h种求积公式试误差刻画h函数较两方法精度否存某值低值继续减h值计算精度改进什?
    2实现Romberg求积方法重复面计算
    3实现适应积分方法重复面计算
    解:
    11公式分析:

    (a) 复合梯形公式
    Tnfh2[fa+fb+2i1n1fa+ih ]hban (1)
    离散误差:
    Enfnh312f(2)ξh2ba12f(2)ξa<ξ
    (b) 复合Simpson公式
    Smfh3[fa+fb+4i1mfa+2i1h+2i1m1f(a+2ih)] (3)
    hba2mban
    离散误差:
    Emfmh590f(4)ξh4ba180f(4)ξa<ξ
    12实现算法结果:

    分利梯形公式Simpson公式计算结果:
    (表中E1fπTfE2fπSf 处πMATLAB中数认具足够精度)

    i
    hi
    T(f)
    E1(f)
    S(f)
    E2(f)
    1
    1
    3000000000000000
    01416


    2
    12
    3100000000000000
    00416
    3133333333333333
    00083
    4
    14
    3131176470588235
    001042
    3141568627450980
    24026e05
    6
    16
    3136963066471264
    000463
    3141591780936043
    87265e07
    8
    18
    3138988494491089
    000260
    3141592502458707
    15113e07
    10
    110
    3139925988907159
    000167
    3141592613939215
    39651e08
    12
    112
    3140435246846851
    000116
    3141592640305380
    13284e08
    20
    120
    3141175986954129
    41667e04
    3141592652969785
    62001e10
    30
    130
    3141407468407330
    18519e04
    3141592653535359
    54434e11
    40
    140
    3141488486923612
    10417e04
    3141592653580105
    96878e12
    50
    150
    3141525986923254
    66667e05
    3141592653587253
    25402e12
    100
    1100
    3141575986923129
    16667e05
    3141592653589753
    39968e14
    200
    1200
    3141588486923130
    41667e06
    3141592653589793
    0

    表中出:复合Simpson公式复合梯形公式精度高误差收敛速度快少

    13误差降速度:



    图出复合Simpson公式误差收敛速度复合梯形公式误差收敛速度快少面验证收敛阶

    14验证收敛阶:
    实验实际误差离散误差计算程中舍入误差组成里离散误差起导作理实际误差收敛阶应该离散误差收敛阶相

    面利公式计算实际收敛阶理分析出离散误差收敛阶作较
    err1err2h1h2p

    表格中列区间长度 hi 值逐次利相邻两区间长 hi 通述公式计算收敛阶绘制成图形图形:



    (a) 复合梯形公式:
    面公式(2)知离散误差关h二阶收敛时图知实验结果收敛阶2理分析相符

    (b) 复合Simpson公式:
    里奇怪面公式(4)知离散误差理4阶收敛实验结果6阶收敛面进步深入探究

    探究:考虑积函数f(x) 特殊性导致Simpson公式离散误差真达6阶收敛
    误差余项公式
    Emfmh590f(4)ξh4ba180f(4)ξa<ξ考虑f(x)



    15计算程中舍入误差影响
    表格出:区间数n1200时着h减实际误差减
    考虑问题:断减h值断增加区间数n否实际误差会直减
    151理分析:
    知道影响实验结果精确度素离散误差舍入误差 离散误差通离散误差余项体现公式(2)(4)出断增加区间数区间长度h断减时离散误差会越越相应计算精度限制h断减时舍入误差会变理会存阈值H
    hH时离散误差起导作着区间长度h减实际误差会变hH 时时舍入误差计算结果精确度起导作减h会导致计算结果精确度基保持变甚会减

    152实验检验:
    (a)复合梯形公式:
    注意误差收敛速度较首先选取区间数 n100101102103…108 进行分析面图形

    图中出复合梯形公式阈值H区间数n10^610^8间取面n处区间10^610^8进行分析



    图出n取10^6 (应h10^6)左右h达阈值取阈值H10^6

    (b) 复合Simpson公式:

    注意复合Simpson公式收敛速度较快取i0100(应区间数m2i)逐次计算出应m实际误差作图图中出i42(应m84h1168)左右h达阈值取阈值H1168


    通述理分析实验验证结果:
    复合梯形公式复合Simpson公式计算积分值时分成区间长h存阈值Hh原:hH 时时舍入误差计算结果精确度起导作减h然离散误差旧会减舍入误差会增导致计算结果精确度基保持变甚会减









    21公式分析

    Romberg求积方法
    T11h12fa+fb h1ba
    Ti112[Ti11+hi1k12i1f(a+k1hi 1)]i23… hiba2i112hi1
    Tmj4j1Tmj1Tm1j14j11j23…(m≥j)
    分析离散误差:序列{Tmj}m123… 考虑EmjabfxdxTmj 离散误差数量级O(h2j)h序列区间长

    (表中EfπTiif 里πMATLAB中数认足够精确)


    I
    hi
    Tii
    E(Tii)
    1
    1
    3
    01416
    2
    12
    3133333333333333
    00083
    3
    14
    3142117647058823
    52499e04
    4
    18
    3141585783761874
    68698e06
    5
    116
    3141592665277717
    11688e08
    6
    132
    3141592653638244
    48451e11
    7
    164
    3141592653589723
    70166e14
    8
    1128
    3141592653589793
    0
    9
    1256
    3141592653589794
    88818e16
    10
    1512
    3141592653589792
    88818e16
    11
    11024
    3141592653589792
    13323e15
    12
    12048
    3141592653589794
    44409e16
    13
    14096
    3141592653589792
    13323e15
    14
    18192
    3141592653589792
    13323e15
    15
    116384
    3141592653589794
    44409e16


    22考虑舍入误差影响:

    221理分析:
    15节中作分析处Romberg积分方法样存阈值HhH 时时舍入误差计算结果精确度起导作减h然离散误差旧会减舍入误差会增导致计算结果精确度基保持变甚会减
    222实验验证:
    取i123456789101112131415逐次计算E(Tii)作图:

    图中出 i9 (应h1256 ) 时减h值(增i值)误差基变
    取阈值H1256





    31适应算法实现:

    算法思想:通递调实现(处感觉课提供算法然巧妙较冗杂会导致占太存递调算法直观更容易理解)
    实现算法:(感觉算较巧妙)

    1脚文件zishiyingm
    clear
    a0b1
    disp('误差限:')e00000001
    h(ba)2
    f1f(a)
    f2f((a+b)2)
    f3f(b)
    tic
    Sh3*(f1+f2+4*f3)
    tSimpson_auto(abeSh2f1f2f3)

    disp('似值:')t
    disp('误差:')abs(pit)
    disp('耗时:')toc

    2函数文件Simpson_autom
    function y Simpson_auto(ABeShC1C2C3) 已计算函数值传递避免重复计算

    f1f(A+h)
    f2f(A+3*h)
    利Simpson公式分计算左半区间右半区间似值
    S1h3*(C1+C2+4*f1)
    S2h3*(C2+C3+4*f2)

    判断否达需精度未达区间分半进行递调
    if abs(SS1S2)<10*e
    yS1+S2
    else y Simpson_auto (A(A+B)2e2S1h2C1f1C2)+
    Simpson_auto ((A+B)2Be2S2h2C2f2C3)

    end
    end

    碰问题:写第递函数次执行递函数调积函数4次导致计算精度够计算量增改次递调已计算函数值作参数直接传递样次需计算新节点函数值避免重复调积函数计算旧点函数值带问题

    运行结果:

    预先定误差限e
    积分似值
    实际误差
    101
    3141568627450980
    240261E05
    102
    3141592502458707
    151131E07
    103
    3141592502458707
    151131E07
    104
    3141592502458707
    151131E07
    105
    3141592651224822
    236497E09
    106
    3141592653552836
    369571E11
    107
    3141592656602465
    301267E09
    108
    3141592653153092
    436701E10
    109
    3141592653452466
    137327E10
    1010
    3141592653570822
    189715E11
    1011
    3141592653589052
    741E13
    1012
    3141592653589790
    355271E15
    1013
    3141592653589792
    133227E15
    1014
    3141592653589792
    888E16
    1015
    3141592653589793
    0
    1016
    3141592653589793
    0


    32计算程中舍入误差影响:
    适应Simpson算法预先定误差容限然通算法执行保证终结果满足误差容限里法误差刻画h函数法分析否存阈值H面结果表中出实际误差满足预先定误差界













    题二:Plank关黑体辐射理推出积分
    0∞x3ex1dx
    掌握数值计算方法计算积分较方法计算效率精度


    1计算该穷积分准确值
    推导:
    0∞x3ex1dx0∞x3ex1ex dx0∞x3exn0∞enxdx0∞n0∞x3en+1xdxn1∞0∞x3enxdxn1∞0∞ t3n4etdtn1∞1n4Γ4π4903π415≈64939394…

    2利数值积分方法进行求解:

    21GaussLaguerre积分公式:

    区间 0+∞ 中关权函数 Wxex n+1次直交项式:
    Ln+1xexdn+1xn+1exdxn+1
    Laguerre项式:
    L0x1
    L11x
    L2x24x+2
    L3xx3+9x218x+6
    L4xx416x3+72x296x+24
    L5xx5+25x4200x3+600x2600x+120

    选取Ln+1(x)n+1 根作求积基点便计算积分0∞fxexdx n+1 点 GaussLaguerre求积公式
    0∞exf(x)dx≈k0nAkf(xk)
    令 fxx3exex1x31ex 便利式计算求积分似值
    已知前五Gauss—Laguerre 求积公式节点系数:
    n
    xk
    Ak
    1
    22
    (2+√2)4
    2+2
    (2√2)4

    2
    0415774557
    0711093010
    2294280360
    0278517734
    6289945083
    0103892565 E1

    3
    0322547690
    0603154104
    1745761101
    0357418692
    4536620297
    0388879085E1
    9395070912
    0539294706E3

    4
    0263560320
    0521755611
    1413403059
    0398666811
    3596425771
    0759424497E1
    7085810006
    0361175868E2
    12640800844
    0233699724E4


    5

    0222846604
    0458964674
    1188932102
    0417000831
    2992736326
    0113373382
    5775143569
    0103991975E1
    9837467418
    0261017203E3
    15982873981
    0898547906E6


    利公式
    0∞exf(x)dx≈k0nAkf(xk)
    求结果:

    n
    似值
    误差:
    1
    641372746951758
    00802
    2
    648113017594569
    00128
    3
    649453563566895
    59623e04
    4
    6494313366207618
    37396e04
    5
    6493941422339378
    20201e06


    22采截断法
    首先limx→0+x3ex10 x0 瑕点补充定义:fx0 x 0x3ex1 x >0
    次面推导知:穷积分 0∞x3ex1dx 收敛
    考虑区间截法穷积分转化限区间积分
    注意:
    b∞x3ex1dx≤b∞x3x55dxb∞120x2dx120b<ε
    预先定误差容限 ε 取b值: b>120ε
    里取误差容限:ε107⇒b12*109
    应mathematica求解:
    100∞x3ex1dx1138566453220937×1039
    50∞x3ex1dx1505582131320634×1018
    里出面放缩合理选取b值实际需值太造成续计算量计算结果失真
    面取 b50求积公式计算 050x3ex1dx 积分值准确值 π415 进行较

    (a)复合梯形求积公式
    公式:
    Tnfh2[fa+fb+2i1n1fa+ih ]hban
    离散误差:
    Enfnh312f(2)ξh2ba12f(2)ξa<ξ里 a0b50 f(x)x3ex1f(0)0
    求解结果:



    (b)复合Simpson 求积公式
    Smfh3[fa+fb+4i1mfa+2i1h+2i1m1f(a+2ih)]
    hba2mban
    离散误差:
    Emfmh590f(4)ξh4ba180f(4)ξa<ξ里 a0b50 f(x)x3ex1


    (c)GaussLegendre求积公式
    If050x3ex1dx
    面积分先区间 [050] 变换[11]令x25*(t+1)
    If11254*t+13e25t+11dt
    已知前6高斯—勒德求积公式结点系数:

    n
    xk
    Ak
    1
    ±0577350269
    1
    2
    ±0774596669
    1
    0
    0555 555 556
    3
    ±0861136312
    0347854854
    ±0339981044
    0652145155
    4
    ±0906179846
    0236926885
    ±0538469310
    0478628670
    5
    ±0932469514
    0171324492
    ±0661209386
    0360761573
    ±0238619186
    0467913935
    6
    ±0949107912
    0129484966
    ±0741531186
    0279705391
    ±0405845151
    0381830051
    0
    0417959184


    (d)Romberg求积公式

    Romberg求积序列进行计算积分
    If050x3ex1dx
    结果:

    i
    hi
    Tii
    E(Tii)
    1
    1
    602734E16
    64939394
    2
    12
    72333E06
    649393217
    3
    14
    0129399609
    636453979
    4
    18
    4287105281
    220683412
    5
    116
    740969437
    091575497
    6
    132
    6538473388
    004453399
    7
    164
    6492829841
    000110956
    8
    1128
    6493942337
    29344E06
    9
    1256
    6493939407
    46484E09
    10
    1512
    6493939402
    85727E12
    11
    11024
    6493939402
    13323E14
    12
    12048
    6493939402
    44409E15
    13
    14096
    6493939402
    31086E14
    14
    18192
    6493939402
    28422E14
    15
    116384
    6493939402
    41744E14
    中Tii准确值间误差见图





    (e)适应Simpson公式

    区间[050]进行积分结果:

    预先设置误差限
    似值
    实际误差
    01
    0121312585
    63726268
    001
    649498615
    00010467
    0001
    6494024148
    8475E05
    00001
    6493917421
    2198E05
    000001
    6493940614
    1212E06
    1E06
    6493939661
    2584E07
    1E07
    6493939624
    2219E07
    1E08
    6493939403
    1145E09
    1E09
    6493939402
    1337E10
    1E10
    6493939402
    1077E11
    1E11
    6493939402
    1585E12
    1E12
    6493939402
    659E13
    1E13
    6493939402
    1776E14
    1E14
    6493939402
    2665E15
    1E15
    6493939402
    1776E15


    结:
    面分析出果截断法话直接GaussLeguerre积分公式6结点情况精度已达106数量级考虑假设结点积分系数已知做需计算f(x)六结点函数值已样话计算量达较高精度
    注意考虑截断法进行求积分话方面积函数做适放定误差限求合适b值困难件事情前尝试放证明完全合理导致b值离谱续求积公式造成巨障碍
    选择合理b值情况注意已进行次似造成续什积分方法计算量计算应定积分会导致误差永远定误差容限果续数值积分方法处理面定积分里便做第二次似说截断法处理穷积分然理行实际操作会遇困难
    述实验中通篇采取b值50导致处理积分
    050x3ex1dx
    终实际误差
    50∞x3ex1dx1505582131320634×1018

    较面种方法发现:

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    文档贡献者

    文***享

    贡献于2022-12-26

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