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数值积分方法—矩形法,梯形公式与辛普森公式

2014-09-17 19:51阅读:
由于许多积分无法解析计算,因此发展了很多数值积分方法,使用较多的有矩形法、梯形法与辛普森公式
矩形法
矩形法是一种计算定积分近似值的方法,其思想是求若干个矩形的面积之和,这些矩形的高由函数值来决定。将积分区间[a, b] 划分为n个子区间,每个子区间的长度为 。这些矩形左上角、右上角或顶边中点在被积函数上。这样,这些矩形的面积之和就约等于定积分的近似值。
由函数上的点为矩形的左上角、右上角或顶边中点来决定,又分别被称为下(左)矩形公式、上(右)矩形公式和中矩形公式。当 n 逐渐扩大时,此近似值更加准确。矩形法的计算本质上是与黎曼积分的定义相吻合的。上述的点无论取哪个值,最终和式的值都将趋近于
定积分的值。
设被积函数为f(x),则每一个积分段为

故矩形法积分的结果为

若区间是等间距的,那么

梯形法
为了计算出更加准确的定积分,采用梯形代替矩形计算定积分近似值,其思想是求若干个梯形的面积之和,这些梯形的长短边高由函数值来决定。这些梯形左上角和右上角在被积函数上。这样,这些梯形的面积之和就约等于定积分的近似值。

故矩形法积分的结果为

若区间是等间距的,那么

辛普森法(Simpson's rule
矩形法和梯形法都是用直线线段拟合函数曲线的方法,另一种形式是采用曲线段拟合函数,实现近似逼近的数值积分方法。辛普森法(Simpson's rule)是以二次曲线逼近的方式取代矩形或梯形积分公式,以求得定积分的数值近似解。
为简便考虑,假设子区间是等间距的,将整个区间分为2n等分,子区间长度为

对于每个子区间,辛普森积分的值为

注意 下标为2k,即子区间的积分用到了3个点,这与矩形与梯形法不同。
故总的积分值为







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