数值积分法
数值积分方法
的值大.
二、Simpson公式
n=2时的求积公式
将 [a, b] 二 等分，等分节点 x0 = a ，x1 = (a +b)/2， x2 = b 作为积分节点，构造二次Lagrange插值多 项式 L2(x)：2 b
a
f ( x )dx Ak f ( xk ) A0 f ( x0 ) A1 f ( x1 ) A2 f ( x2 )
f ( x ) 在节 a x0 x1
xn b
f ( x0 ), f ( x1 ),
, f ( xn )
作n次Lagrange插值多项式: Ln ( x )
l
k 0
n
k
( x ) f ( xk )
b a
f ( x )dx Ln ( x )dx
a
b
b a
f ( x )dx Ln ( x )dx
b]上的积分公式，这种方法称为复合求积法。
5.2.1 复化梯形积分 将[a, b]分成若干小区间，在每个区间[xi, xi+1]上用 梯形积分公式，再将这些小区间上的数值积分累加 起来，就得到区间[a, b]上的数值积分。这种方法称 为复化梯形积分。 ★ 计算公式
将[a, b] n等分, h = xi+1- xi= (b -a)/n, xi = a + ih, i = 0,1,2,…,n,
其中
4
M 4 max f
a xb
( 4)
( x)
本题
M 4 的求法： 1 sin x cos txdt f ( x) 0 x
1 1 0 0
1 M4 5
f ( x ) t sin txdt t cos( tx
计算方法_数值积分
f
(b)]
其中xk=a+kh
(k=0,1,2,…,N)，
h
ba N
2.复合Simpson公式
如果在每个子区间上使用Simpson公式，就得到复
合Simpson公式。将N等分后的每个子区间再对分一次，
于是共有2N+1个节点，xk 在每个N等分的子区间[x2k ,
ak x2k+2]
h (k=0,1,2,…,2N)， (2k=0,1,2,…,N-1)上应
这个问题有明显的答案
I*
4 a rc tg
x
|
1 0
3 .1 4 1 5 9 2 6
取n = 8用复合梯形公式
T8
1 8
1 2
f
(0)
2
f
1 8
2
f
1 4
2
f
3 8
2
f
1 2
2
f
5 8
5.1 牛顿 ― 柯特斯(Newton―Cotes) 公式
建立数值积分公式最基本的思想是选取一个既简单又 有足够精度的函数φ(x),用φ(x)代替被积函数f(x),于是有
b
b
a f (x)dx a (x)dx
现用第四章介绍的插值多项式Pn(x)来代替被积函数f(x),即有
b
b
a
算的结果进行比较。
解 计算结果列于表5-2中。
函数f (x) 梯形值 Simpson值 Cotes值 准确值
数值积分方法
数值积分方法
数值积分方法是解决数学问题的一种有效的技术。
它与其它数值技术不同，可以求出定义积分的鲁棒解决方案。
积分解决方案可以用来代替无法求解的积分操作，从而使得在积分分析中也能简化求解过程。
数值积分方法有多种，其中最常见的是数值微积分方法，也被称为精确积分法或有界积分法。
这种方法的核心思想是使用数值技术来模拟定义积分的过程，从而进行函数的数值求解。
常见的积分模拟技术有多元积分法、梯形公式法和拉格朗日积分法等，这些技术都可以用计算机实现，可以用来解决各种复杂的积分问题。
数值积分方法在科学研究、工程技术和统计分析等方面都有重要的应用。
其中，科学研究主要是利用数值积分方法进行数值模拟，模拟自然界中的物理、化学过程，从而分析其复杂的时空行为；工程技术则主要利用数值积分方法来解决力学、热力学等方面的计算问题；在统计分析方面，数值积分方法可以用来求解分布函数的统计量和拟合曲线的系数。
此外，在应用数值积分方法时，还应注意几点：首先，在使用数值积分方法前，需要对待求解函数进行适当的数值化处理，以保证得到准确的结果；其次，在求解定义积分时，需注意所用的数值计算方法及精度，以保证可以得到正确而又精确的结果；最后，要根据具体求解问题选择合适的数值积分方法，从而提高求解的效率。
综上所述，数值积分方法是一种有效的数值技术，在科学研究、
工程技术和统计分析等方面具有重要意义。
该技术的应用需要首先对函数进行数值化处理，然后根据具体问题，选择恰当的数值积分方法和计算精度，以确保定义积分的精确求解。
数值积分-计算方法
(k=0,1,…,n) 作代换x=a+th带入上式，变为： 其中：
(k=0,1,…,n) （1-1） 这个积分是有理多项式积分，它与被积函数f(x)和区间[a,b]无关。
只要确定n就能计算出系数
。 于是得到称为Newton—Cotes公式的求积公式： （1-2） 其中
称为Newton—Cotes系数。如表1所示。 表1 Newton—Cotes系数
§3.1计算n阶求积公式
若有m次代数精度，对(k=0,1,…)应有
而。
§3.2 Gauss求积公式的基本原理
更一般形式： （2-1） 为权函数，设>0，且在[a,b]上可积，构造n阶求积公式：
（2-2） 积分点使得（2-2）式达到2n+1次代数精度，则积分点称为Gauss 点，（2-2）式称为Gauss求积公式。
§2Newton—Cotes公式 §2.1Newton—Cotes公式的推导
当§1.1插值求积公式的插值节点为等距节点时，就得到Newton— Cotes公式。
将区间[a,b]n等分，，n+1个节点为 xk=a+kh (k=0,1,…,n)
在节点上对f(x)的Lagrange插值多项式是：
用Pn(x)代替f(x)构造求积公式： 记
y=(1-1/2*(sin(x)).^2).^(1/2); 在Matlab工作窗口中调用函数：
y2=gauss2('gaussf',0,pi/2) 运行结果为：
y2= 1.3508
第5章 结论
通过以上变成和计算，得到所求的两组积分：
应用Newton—Cotes积分公式所求的结果分别是 y1=1.5078，y2 = 1.3506，而应用Gauss-Legendre方法所求得的结果分别是y1=1.5705 和 y2= 1.3508。单从结果上看，我们也能看出，Newton—Cotes积分公式 和Gauss-Legendre积分公式在精度上的确存在着差异（两者n的取值不 同）。而结果上的差异来源很明显是插值积分在近似替代时产生的，结 合第1章理论依据的内容，Newton-Cotes积分公式的精度最高可达n+1 次，Gauss-Legendre积分公式的精度为2n+1次，由此可知，当n相同 时， Gauss -Legendre积分公式比Newton—Cotes积分公式具有更高的 代数精度。而就本题而言Gauss -Legendre积分公式具有5次代数精度， Newton—Cotes积分公式也具有5次代数精度。因此二者所求积分只存在 微小的差异，结果都比较准确。
数值积分方法
数值积分方法数值积分，又称为数值分析，是一种应用科学和数学技术来求解数学分析中几何或者微分方程的数学方法。
在实际应用中，有一系列的数值积分方法可以应用于解决某些数学问题，其中包括这些方法的微元法、有限元法、线性多项式插值法、指数插值法、函数拟合法和通用积分等方法。
通过合理的数值技术及其应用，可以有效地解决众多实际问题。
数值积分是数值分析中最基本的方法，指将数学分析中的连续函数或曲线所表示的求和问题离散化，以使其被数值计算机计算出来，也被称为数值积分。
当需要用数值积分方法求某函数的定积分时，首先必须找出该函数的积分表达式，然后对该表达式进行离散化，得到计算机可以处理的函数，最后根据具体的算法，得到数值积分的解。
数值积分方法具有多种形式，分别适用于不同实际问题。
首先，常用的数值积分方法有积分公式，如梯形公式、抛物线公式、Simpson 公式等，以及牛顿-拉夫逊多项式插值公式等，这些积分公式可以以直接的方式计算定积分，但是这种方法只适用于简单的定积分计算，在复杂定积分的计算中效果不佳。
其次，还有多元积分法，如变步长梯形法、双积分法等，这些积分法可以帮助求解一些复杂的定积分，但是计算时间较长。
此外，还有有限元法、隐式Runge-Kutta法、快速积分法等，这些积分方法能够帮助求解非定积分问题，其计算效率也相对较高。
数值积分方法在实际应用中得到了广泛的应用，如仿真求解有限元方程，求解复杂的拟合问题，估计系统的运行参数，计算力学分析等等都与数值积分技术有关。
另外，今天在这一领域，全球多家著名计算数值分析软件公司也在不断改进技术，开发出更加高效的数值积分软件，从而更好地服务于实际问题的求解。
总之，数值积分方法是一门重要的数值分析学科，可用于解决多种实际问题，广泛应用于科学和技术领域，具有重要的现实意义。
python数值积分
python数值积分Python是一种高级编程语言，广泛用于科学计算和数据分析。
在数学和科学计算领域，数值积分是一个重要的问题。
数值积分是指用数值方法计算函数的定积分，即给定一个函数$f(x)$和积分区间$[a,b]$，求$int_a^bf(x)dx$的近似值。
本文将介绍Python中常用的数值积分方法和库。
一、数值积分方法1.矩形法矩形法是最简单的数值积分方法之一。
它的思想是将积分区间$[a,b]$分成$n$个小区间，每个小区间的宽度为$h=frac{b-a}{n}$，然后用函数在小区间中点的函数值$f(frac{a+i*h}{2})$来近似表示小区间的面积，从而得到整个积分区间的近似值。
具体公式为：$$int_a^bf(x)dxapproxhsum_{i=0}^{n-1}f(frac{a+i*h}{2})$$矩形法的优点是简单易懂，容易实现。
但是它的精度较低，误差较大。
2.梯形法梯形法是一种比矩形法更精确的数值积分方法。
它的思想是将积分区间$[a,b]$分成$n$个小区间，每个小区间的宽度为$h=frac{b-a}{n}$，然后用小区间两端点的函数值$f(a+i*h)$和$f(a+(i+1)*h)$来近似表示小区间的面积，从而得到整个积分区间的近似值。
具体公式为：$$int_a^bf(x)dxapproxfrac{h}{2}sum_{i=0}^{n-1}[f(a+i*h)+f(a+(i+1)*h)]$$梯形法的优点是比矩形法更精确，误差较小。
但是它的计算量较大，对于复杂函数和大量数据，可能需要较长的计算时间。
3.辛普森法辛普森法是一种更加精确的数值积分方法。
它的思想是将积分区间$[a,b]$分成$n$个小区间，每个小区间的宽度为$h=frac{b-a}{n}$，然后用小区间两端点和中点的函数值$f(a+i*h)$，$f(a+(i+1)*h)$和$f(frac{a+i*h+a+(i+1)*h}{2})$来近似表示小区间的面积，从而得到整个积分区间的近似值。
数值积分法
1 1 1 i i 1 u pi 1 pi 1 M 2 ui u t 2 t t i 2 u i C ui 1 u 2 t
（1）分段解析法；
（2）中心差分法； （3）平均常加速度法； （4）线性加速度法； （5）Newmark－β法；
（6）Wilson－θ法
•••••••• 时域逐步积分法是结构动力分析问题中一个得到广泛研究 的课题，也是得到广泛应用的计算方法。
因此提出时域逐步积分法，即只假设在一个时间步距内 是线性的，相当于用分段直线来逼近实际的曲线。
ˆ u p K ˆ i 1 i 1
i 1 i t 1 i u ui 1 ui 1 u u t 2 1 1 1 i 1 i i u ui 1 u u u 2 i 1 t t 2
当τ ＝ Δt ，即t ＝ t i＋1时刻，体系得运动状态为：
( 0) u |t ti u i , u( 0) ui u ( ) a u i 最后得： u 1 2 i ui u ( ) a u 2
i 1 at u i u
目录
1 基本问题 2 时域积分法的构造
3 Newmark法
4 方法特点比较
1.数值算法中的基本问题
车辆运动方程
(t ) cu (t ) ku (t ) p(t ) mu (t ) [C ]u (t ) [ K ]u(t ) [ p(t )] [ M ]u
时域逐步积分法——Step-by-step methods 结构动力反应分析的时域直接数值计算方法：
数值积分法
数值积分法数值积分法是数学中一种重要的积分技术，它用于解决一类复杂的积分方程。
简而言之，数值积分法使用数学技巧计算复杂的定积分。
它利用数值计算技术，如复合梯形法、改进梯形法、改进Simpsons 法、Romberg积分法等，将一个复杂的函数转换成一系列简单的函数，以便计算它们之间的积分值。
数值积分法包括高斯-勒让德复合梯形法、勒贝格复合梯形法、改进梯形法、改进Simpson法、Romberg积分法等。
由于各种方法的不同，它们在不同条件下的性能也不同。
为了得到最佳的数值积分法，需要仔细分析办法的优劣、特点，以便根据不同的积分问题，选择最合适的方法来求解。
首先，复合梯形法包括高斯-勒让德法和勒贝格法。
这两种方法的共同点是都使用普通梯形法来代替复杂的函数，把它分段细分成很多小段，使其变得更容易计算。
高斯-勒让德法在每个子区间中都使用两个点来定义一个梯形，而勒贝格法在每个子区间中都使用三个点，一般来说，使用三个点比两个点计算精度更高。
其次是改进梯形法和改进Simpson法。
改进梯形法是在复合梯形法的基础上加以改进，它试图使复杂函数在小区间内更准确。
它对每个子区间进行多次拆分，以一定精度来拟合函数。
改进Simpson法也是根据复合梯形法改进而来，它把一个较大的区间拆分成以三点为基础的梯形，使拟合准确性更高。
最后是Romberg积分法。
它是一种改进的复合梯形法，它使用了一种类似复合梯形法的方法，但用一种特殊的矩阵来求解梯形的积分。
它可以把拆分的子区间数值用矩阵的乘方来表示，从而实现自动化求解，用较少的计算量就能准确求解函数积分。
总结而言，数值积分法是一类复杂的积分技术，它们具有计算准确、复杂度低、计算量少等优点，是解决复杂积分问题的不可缺少的工具。
因此，正确选择数值积分法，对于求解复杂积分方程具有重要的意义，值得大力研究和推广。
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第7章 数值积分法7.1 实验目的了解求积公式及代数精度概念，理解并掌握求定积分的求积公式的算法构造和计算，学习用计算机求定积分的一些科学计算方法和简单的编程技术和能用程序实现这些算法。
7.2 概念与结论1. 求积公式计算定积分的如下形式的近似公式：称为求积公式。
2．代数精度若求积公式对一切不高于m 次的 多项都准确成立，而对于m+1次多项式等号不成立，则称此求积公式的代数精度为m 。
代数精度越高，求积公式越好。
3.求积余项4.Newton-Cotes 求积公式的代数精度n 点Newton-Cotes 求积公式的代数精度至少可以达到n-1,且当n 为奇数时，可以达到n 。
⎰∑=≈ba nk k k x f A dx x f 1)()(⎰∑=≈ba nk k k x f A dx x f 1)()(⎰∑=-=b a nk k k x f A dx x f f R 1)()()(⎰=b a dx x f I )(5.Richardson 外推定理设函数F 1(h)逼近量F*的余项为：F*-F 1(h)=a 1h p1+a 2h p2+····+a k p k+···式中p k >p k-1>···>p 2>p 1>0, F*和a i (i=1,2, ···)都是与h 无关的常数,且k ≥1时，a k ≠0，则由：定义的函数F 2(h)也逼近F*，且有F*-F 2(h)= b 2h p2+····+b k p k +···6. 关于复合梯形公式的展开定理设f(x)在[a,b]区间上无穷次可微，则有如下展开式：T(h)=I+a 1h 2+a 2h 4+a 3h 6+…+a m h 2m +…式中T(h)是函数f(x)在[a,b]区间上的复化梯形值Tn,7.3 程序中Mathematica 语句解释1. 随机函数Random[] 随机给出闭区间[0,1]内的一个实数Random[Real, xmax] 随机给出闭区间[0,xmax]内的一个实数Random[Real, {xmin, xmax}] 随机给出闭区间[xmin,xmax]内的一个实数Random[Integer] 随机给出整数0或1Random[Integer, {xmin, xmax}] 随机给出xmin 到xmax 之间的一个整数Random[Complex] 随机给出单位正方形内的一个复数2．{a1,a2,…,an}表示由元素a1,a2,…,an 组成的一个表，元素可以是任何内容。
)10(1)()()(11112<<--=q q h F q qh F h F p p如：{1，3，4，5}，{1,x,{2,3},x+y}，{{1，3}，{1，2，3}，{3，2，4}}等3．list[[k]]表list 中的第k 个元素4．list[[i,j]]表list 中第i 个元素中的第j 个元素,此时list 中的第i 个元素应该也是一个表。
7.4 方法、程序、实验在实际问题中，往往会遇到被积函数f(x)的原函数无法用初等函数来表示，或函数只能用表格表示，或有的虽然能用初等函数表示，但过分复杂，所以这些情形都需要去建立定积分的近似计算公式来做积分计算。
数值积分是进行定积分计算的一种方法，它可以解决不能用定积分基本公式计算的所有定积分问题。
数值积分涉及很多计算公式，这里主要介绍Newton-Cotes 求积公式、复合求积公式、Romberg 求积方法和Monte-Carlo 方法的构造过程和算法程序。
1. n 点 Newton —Cotes 求积公式n 点 Newton —Cotes 求积公式又称为等距节点求积公式，它是利用被积函数f(x)在积分区间[a,b]的n 个等分节点上的函数值构造的插值函数ϕ(x)代替f(x)做定积分计算所构造求积公式。
这个求积公式是通常做定积分近似计算的梯形公式和抛物线公式的推广，主要在理论上用的多些。
1) n 点 Newton —Cotes 求积公式的构造过程将积分区间[a,b] 分为n-1等分，其中n 个节点 x i =a+(i-1}h, i=1,2,…,n ，h=(b -a)/(n-1)，然后用f(x)在这n 个节点上建立插值于f(x)的n-1次代数多项式P n-1(x)，引入变换x=a+th, 0≤t ≤n-1则有)1)(())(()(,11,111∏∑∏∑≠==≠==--+-=--=n i k k n i i ni k k k i k n i i n k i k t x f x x x x x f x P带入定积分，有：C k (n)称为Cotes(柯特斯)系数, 则得到n 点 Newton —Cotes 求积公式:n 点 Newton —Cotes 求积公式的求积余项为当n=2时，2点的 Newton —Cotes 求积公式就是如下梯形公式：梯形求积公式求积余项为当n=3时，3点的Newton —Cotes 求积公式就是如下抛物线（Simpson ）公式：⎰∑=-≈b a n k k n k x f C a b dx x f 1)()()()())()((2)(b f a f a b dx x f b a +-≈⎰⎰∏⎰∏∑⎰∏∑⎰⎰-≠=-≠==≠==--+--=-+---=--=≈10,1)(10,11,111111)1)((1))(()()(n n i k k n i n n i k k ni i b a n i k k ki k n i i b a n ba dt ki k t n c dt k i k t x f n a b dx x x x x x f dx x P dx x f 令dx x x x x x x n f f R n b a n )())((!)()(21)(---=⎰ξ],{)()(121)(3b a f a b f R ∈''--=ηηSimpson 求积公式求积余项为如果想得到其他的 Newton —Cotes 求积公式只要在有关书中查出Cotes 系数表就可以马上得到相应的Newton —Cotes 求积公式。
2) n 点 Newton —Cotes 求积公式算法1． 输入被积函数f(x)及积分上下限a,b2． 选择Cotes 系数构造求积公式3． 用求积公式求定积分3) n 点 Newton —Cotes 求积公式程序Clear[a,b,x,n,s];a=Input["a="]b=Input["b="]f[x_]=Input["被积函数f(x)="]n= Input["求积节点个数n="];c={{1/2,1/2},{1/6,4/6,1/6},{1/8,3/8,3/8,1/8},{7/90,16/45,2/15,16/45,7/90},{19/288,25/96,25/144,25/144,25/96,19/288}, {41/840,9/35,9/280,34/105,9/280,9/35,41/840},))()2(4)((6)(b f b a f a f a b dx x f b a +++-≈⎰],{)()(28801)()4(5b a f a b f R ∈--=ηη{751/17280,3577/17280,1323/17280,2989/17280,1323/17280,3577/17280,751/17280},{989/28350,5888/28350,-928/28350,10496/28350,-4540/28350,10496/28350,-928/28350,5888/28350,989/28350}};h=(b-a)/(n-1);x=Table[a+k*h,{k,0,n-1}];s=(b-a)*Sum[c[[n-1,k]]*f[x[[k]]],{k,1,n}]Print["定积分=",N[s,8]];说明本程序用n（n=2,3,4,5,6，7，8，9）点 Newton—Cotes求积公式求[a,b]上的定积分近似值。
程序执行后，按要求通过键盘输入积分下限a、积分上限b、被积函数f(x)和求积节点个数n后，计算机则给出定积分的近似值。
程序中变量说明a：存放积分下限b: 存放积分上限f[x]: 存放被积函数f(x)n: 存放求积节点个数c: 存放Cotes系数s: 存放定积分近似值h: 存放节点步长x：存放节点xi注语句c={{1/2,1/2},{1/6,4/6,1/6},{1/8,3/8,3/8,1/8},{7/90.16/45,2/15,16/45,7/90},{19/288,25/96,25/144,25/144,25/96,19/288}}的第i个分量表是具有i个节点的Cotes系数。
4)例题与实验例1.用n=3和n=4的Newton-Cotes求积公式求定积分的近似值。
解：执行n 点 Newton —Cotes 求积公式程后，在输入的窗口中按提示分别输入1、3、Exp[-x/2]、3每次输入后用鼠标点击窗口的“OK ”按扭，计算机在屏幕上给出用n=3的Newton-Cotes 求积公式计算出的定积分结果：)613261(23E E E ++定积分=0.76705953再执行n 点 Newton —Cotes 求积公式程后，在输入的窗口中按提示分别输入1、3、Exp[-x/2]、4每次输入后用鼠标点击窗口的“OK ”按扭，计算机在屏幕上给出用n=4的Newton-Cotes 求积公式计算出的定积分结果：)81838381(265673E E E E +++定积分=0.76691628因此用n=3和n=4的Newton-Cotes 求积公式求本题定积分近似值分别为0.76705953和0.76691628注意到本题的精确值为0.766800999….,可见n=4的Newton-Cotes 求积公式计算结果较好。
2. 复化求积公式复化求积公式是把积分区间分成若干小区间，在每个小区间上采用次数不高的插值公式，如梯形公式或抛物线公式，构造出相应的求积公式，然后再把它们加起来得到整个区间上的求积公式。
复化求积公式克服了高次Newton-Cotes 公式计算不稳定的问题，其运算简单且易于在计算机上实现。
常用的复化求积公式是复化梯形公式和复化抛物线公式，下面分别讨论。