Исследование точности численного интегрирования

[pic]

Министерство общего и профессионального образования РФ.

Уральский государственный технический университет – УПИ

Кафедра “Технология и средства связи”

"Исследование точности численного интегрирования"

"Research of Accuracy of Numerical Integration"

Отчет

по лабораторной работе

дисциплины

"Информатика",

третий семестр

Преподаватель: Болтаев А.В.

Студенты: Степанов А.Г

Черепанов К.А.

Группа: Р-207

Екатеринбург

2000

Содержание

1. Задание исследования 3

2. Подробное описание задачи и способы ее решения 3

3. Результаты исследований 4

4. Сравнение результатов 12

5. Список библиографических источников 13

6. Текст программы 13

Задание исследования

Провести исследование внутренней сходимости численного интегрирования

методом Симпсона и трапеций различных функций, задаваемых с помощью языка

С.

Подробное описание задачи и способы ее решения

Необходимо провести исследования так называемой внутренней сходимости

численного интегрирования методами Симсона и трапеций различных функций,

задаваемых с помощью функций языка С. Предполагается, что отрезок

интегрирования [a,b] разбит на n равных частей системой точек (сеткой).

[pic] [pic] [pic] [pic]

Контроль внутренней сходимости заключается в циклическом вычислении

приближенных значений интеграла для удваимого по сравнению со значением на

предыдущем прохождении цикла числа n. Отношения абсолютной величины

разности этих значений к абсолютной величине предыдущего приближенного

значения принимается в качестве критерия достижения точности интеграла.

Построить зависимости количеств итераций от различных величин критерия

точности.

Построить обратные зависимости критерия точноти от количества итераций.

Повторить все вышеуказанные исследования для случая, когда при вычислении

критерия точности разность значений интеграла относится не к предыдущему

значению, а к точному значению аналитически вычисленного интеграла.

Исследовать влияние увеличения верхнего предела интегрирования на

точность (при прочих неизменных условиях)

Метод трапеций

[pic], где

[pic] [pic]

Метод Симпсона

[pic], где

[pic]

Результаты исследований

Таблица и график зависимости количества итераций от различных значений

критерия точности

Для [pic]

|Критерий |Количество |

|точности |итераций |

|-0,1676631 |14 |

|-0,1518916 |16 |

|-0,0046931 |12 |

|-0,0026531 |11 |

|-0,0002639 |10 |

|-0,0001709 |2 |

|-0,0001297 |9 |

|-0,0000557 |3 |

|-0,000025 |8 |

|-0,0000198 |4 |

|-0,0000096 |5 |

|-0,0000038 |6 |

|0 |15 |

|0,0000052 |7 |

|0,071089 |13 |

[pic]

|Критерий |Количество |

|точности |итераций |

|-0,1127271 |16 |

|-0,0750288 |15 |

|-0,0540677 |14 |

|-0,0021415 |12 |

|-0,0005711 |11 |

|-0,0000458 |9 |

|-0,0000381 |2 |

|-0,0000191 |3 |

|-0,000008 |4 |

|-0,000004 |5 |

|-0,0000019 |7 |

|-0,0000002 |6 |

|0,000005 |8 |

|0,0002983 |10 |

|0,0164377 |13 |

[pic]

|Критерий |Количество |

|точности |итераций |

|-0,0066709 |13 |

|-0,0042367 |14 |

|-0,0003561 |10 |

|-0,0000016 |5 |

|-0,000001 |4 |

|0,0000005 |3 |

|0,0000006 |6 |

|0,0000009 |2 |

|0,0000009 |7 |

|0,0000223 |8 |

|0,000056 |9 |

|0,0002782 |11 |

|0,0003474 |12 |

|0,005293 |16 |

|0,0053267 |15 |

[pic]

|Критерий |Критерий |

|точности |точности |

|-61,4469795 |12 |

|-5,714047 |3 |

|-1,0215755 |13 |

|-0,7241433 |2 |

|-0,5121117 |4 |

|-0,3222643 |11 |

|-0,2163614 |7 |

|-0,1536629 |9 |

|-0,0930261 |14 |

|0,0353183 |16 |

|0,057059 |15 |

|0,1697371 |5 |

|0,2025534 |10 |

|0,2504728 |6 |

|0,6202592 |8 |

[pic]

|Критерий |Количество |

|точности |итераций |

|-0,0119308 |16 |

|-0,0007834 |13 |

|-0,0000079 |3 |

|-0,0000041 |4 |

|-0,0000037 |7 |

|-0,0000027 |5 |

|-0,0000027 |6 |

|-0,000002 |8 |

|-0,0000016 |2 |

|0,0000003 |10 |

|0,0000062 |9 |

|0,0000385 |11 |

|0,0000802 |12 |

|0,0005452 |15 |

|0,0016689 |14 |

[pic]

|Критерий |Количество |

|точности |итераций |

|-0,0026286 |16 |

|-0,0012416 |14 |

|-0,0000118 |3 |

|-0,0000107 |4 |

|-0,0000046 |5 |

|-0,0000046 |9 |

|-0,0000028 |6 |

|-0,0000021 |7 |

|-0,0000005 |2 |

|0,0000011 |10 |

|0,0000018 |8 |

|0,0000023 |11 |

|0,000058 |12 |

|0,0001049 |13 |

|0,0027928 |15 |

Таблица и график зависимости значений критерия точности от количества

итераций

Для функции [pic]

|По отношению | |По отношению | |

|к предыдущему| |к | |

|значению | |аналитическом| |

| | |у значению | |

|Критерий |Количество |Критерий |Количество |

|точности |итераций |точности |итераций |

|-0,0001709 |2 |-0,0001932 |2 |

|-0,0000557 |3 |-0,0000629 |3 |

|-0,0000198 |4 |-0,0000224 |4 |

|-0,0000096 |5 |-0,0000108 |5 |

|-0,0000038 |6 |-0,0000043 |6 |

|0,0000052 |7 |0,0000058 |7 |

|-0,000025 |8 |-0,0000283 |8 |

|-0,0001297 |9 |-0,0001466 |9 |

|-0,0002639 |10 |-0,0002983 |10 |

|-0,0026531 |11 |-0,002998 |11 |

|-0,0046931 |12 |-0,0052891 |12 |

|0,071089 |13 |0,0797403 |13 |

|-0,1676631 |14 |-0,2014365 |14 |

|0 |15 |0 |15 |

|-0,1518916 |16 |-0,1518916 |16 |

Для функции [pic]

|По отношению | |По отношению | |

|к предыдущему| |к | |

|значению | |аналитическом| |

| | |у значению | |

|Критерий |Количество |Критерий |Количество |

|точности |итераций |точности |итераций |

|-0,0000381 |2 |-0,0000666 |2 |

|-0,0000191 |3 |-0,0000335 |3 |

|-0,000008 |4 |-0,0000141 |4 |

|-0,000004 |5 |-0,0000069 |5 |

|-0,0000002 |6 |-0,0000004 |6 |

|-0,0000019 |7 |-0,0000033 |7 |

|0,000005 |8 |0,0000088 |8 |

|-0,0000458 |9 |-0,0000802 |9 |

|0,0002983 |10 |0,000522 |10 |

|-0,0005711 |11 |-0,0009997 |11 |

|-0,0021415 |12 |-0,0037465 |12 |

|0,0164377 |13 |0,0286955 |13 |

|-0,0540677 |14 |-0,0959378 |14 |

|-0,0750288 |15 |-0,1259331 |15 |

|-0,1127271 |16 |-0,1750124 |16 |

Сравнение результатов

Таблица сравнительных результатов

|Метод трапеции |Метод Симпсона |Аналитический |Функция |Предел|

|n=1000000 |n =1000000 |результат | |ы |

|4,5051475 |4,5240183 |4,49980967 |f(x)=1/x |0,1…..|

| | | | |9 |

|1,7491462 |1,7500761 |1,791756469 |f(x)=1/x*x|0,3…..|

| | | | |5 |

|1,9991885 |1,9999505 |2 |f(x)=sin(x|0…….? |

| | | |) | |

|-0,0000512 |0,000003 |0 |f(x)=sin(2|0…….? |

| | | |*x) | |

|0,2857157 |0,2856935 |0,285714285 |f(x)=sin(7|0…....|

| | | |*x) |? |

|0,2222053 |0,2222133 |0,222222222 |f(x)=sin(9|0…....|

| | | |*x) |? |

Таблица влияния увеличения верхнего предела на точность интегрирования

|Аналитическое |Практическое |Верхний |Погрешнос|

|значение |значение |предел |ть |

|4,49980967 |4,5217996 |9 |-0,021989|

| | | |93 |

|4,605170186 |4,624969 |10 |-0,019798|

| | | |814 |

|4,787491743 |4,8039412 |12 |-0,016449|

| | | |457 |

|4,941642423 |4,9557843 |14 |-0,014141|

| | | |877 |

|5,075173815 |5,0875444 |16 |-0,012370|

| | | |585 |

|5,192956851 |5,2039275 |18 |-0,010970|

| | | |649 |

|5,298317367 |5,3082042 |20 |-0,009886|

| | | |833 |

Следовательно, увеличение верхнего предела приводит к увеличению точности

интегрирования

Список библиографических источников

1. Справочник по математике/Бронштейн И.Н., Семендяев К.А.-М.:Физико-

математическая литература, 1998.

Текст программы

/* Курсовая работа по информатике

"Исследование точности численного интегрирования"

"Research of Accuracy of Numerical Integration"

Преподаватель:

Студенты: Степанов А.Г.

Черепанов К.А.

Группа: Р-207

*/

# include <stdio.h>

# include <io.h>

# include <stdlib.h>

# include <iostream.h>

# include <string.h>

# include <math.h>

int main ()

{

FILE *fp; /*указатель на поток*/

int n,i,t,j,N;

float a,b,h,Sum[100],x,y,coa;

printf("Research of Accuracy of Numerical Integration\n");

/*Ввод точности вычисления*/

printf("Enter accuracy of calculation n= ");

scanf("%d",&n);

/*Ввод начала интегрирования*/

printf("Enter beginnings of integration= ");

scanf("%f",&a);

/*Ввод предела интегрирования*/

printf("Enter limit of integration= ");

scanf("%f",&b);

/*Открытие файла-источника*/

while((fp=fopen("data3.xls","w"))==NULL)

{

puts("Error!!! Can't open file \nInput name of

file\n");

}

/*Ввод количества итераций*/

printf("Enter number of Itteration N= ");

scanf("%d",&N);

/*Вычисление шага интегрирования*/

h=(a+b)/n;

printf("Step=%.3f\n",h);

/*******Вычисление интеграла методом трапеций*******/

for(j=1;j<=N;j++)

{

h=(a+b)/(int(pow(2,j-1))*n);

Sum[j]=0;

for(i=0;i<=(int(pow(2,j-1))*n);i++)

{

x=a+i*h;

if(i==0)

t=1;

else

t=2;

y=t*(h/2)*(sin(2*x));

Sum[j]=Sum[j]+y;

}

if (j>1)

{

coa=(Sum[j]-Sum[j-1])/Sum[j-1];

printf("Criterion of accuracy=%.5f Number of

iteration=%d\n",coa,j);

fprintf(fp,"%.7f\t",coa);

fprintf(fp,"%d\t\n",j);

}

}

printf("The sum by a method of trapezes=%.7f\n",Sum[1]);

fprintf(fp,"The sum by a method of trapezes=%.7f\n",Sum[1]);

/*******Вычисление интеграла методом Симпсона*******/

for(j=1;j<=N;j++)

{

h=(a+b)/(int(pow(2,j-1))*n);

Sum[j]=0;

for(i=0;i<=(int(pow(2,j-1))*n);i++)

{

x=a+i*h;

if(i==0||i==n)

t=1;

else

{

if(i%2==0)

t=2;

else

t=4;

}

y=t*(h/3)*(sin(2*x));

Sum[j]=Sum[j]+y;

}

if (j>1)

{

coa=(Sum[j]-Sum[j-1])/Sum[j-1];

printf("Criterion of accuracy=%.5f Number of

iteration=%d\n",coa,j);

fprintf(fp,"%.7f\t",coa);

fprintf(fp,"%d\t\n",j);

}

}

printf("The sum by a Simpson's method= %.7f\n",Sum[1]);

fprintf(fp,"The sum by a Simpson's method=%.7f\n",Sum[1]);

scanf("%d",&b);

}

-----------------------

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]