MATLAB數(shù)值積分微分.ppt

MATLAB數(shù)值積分與微分 數(shù)值積分 數(shù)值微分,數(shù)值積分基本原理,求解定積分的數(shù)值方法多種多樣，如簡(jiǎn)單的梯形法、辛普生(Simpson)法、牛頓柯特斯(Newton-Cotes)法等都是經(jīng)常采用的方法。 基本思想都是將整個(gè)積分區(qū)間a,b分成n個(gè)子區(qū)間xi,xi+1，i=1,2,n，其中x1=a，xn+1=b。這樣求定積分問(wèn)題就分解為求和問(wèn)題。,數(shù)值積分的實(shí)現(xiàn)方法,1變步長(zhǎng)辛普生法 基于變步長(zhǎng)辛普生法，MATLAB給出了quad函數(shù)來(lái)求定積分。該函數(shù)的調(diào)用格式為： I,n=quad(fname,a,b,tol,trace) 其中fname是被積函數(shù)名。a和b分別是定積分的下限和上限。tol用來(lái)控制積分精度，缺省時(shí)取tol=0.001。trace控制是否展現(xiàn)積分過(guò)程，若取非0則展現(xiàn)積分過(guò)程，取0則不展現(xiàn)，缺省時(shí)取trace=0。返回參數(shù)I即定積分值，n為被積函數(shù)的調(diào)用次數(shù)。,例 求定積分。 (1) 建立被積函數(shù)文件fesin.m。 function f=fesin(x) f=exp(-0.5*x).*sin(x+pi/6); (2) 調(diào)用數(shù)值積分函數(shù)quad求定積分。 S,n=quad(fesin,0,3*pi) S = 0.9008 n = 77,2牛頓柯特斯法 基于牛頓柯特斯法，MATLAB給出了quad8函數(shù)來(lái)求定積分。該函數(shù)的調(diào)用格式為： I,n=quad8(fname,a,b,tol,trace) 其中參數(shù)的含義和quad函數(shù)相似，只是tol的缺省值取10-6。該函數(shù)可以更精確地求出定積分的值，且一般情況下函數(shù)調(diào)用的步數(shù)明顯小于quad函數(shù)，從而保證能以更高的效率求出所需的定積分值。,例 求定積分。 (1) 被積函數(shù)文件fx.m。 function f=fx(x) f=x.*sin(x)./(1+cos(x).*cos(x); (2) 調(diào)用函數(shù)quad8求定積分。 I=quad8(fx,0,pi) I = 2.4674,例 分別用quad函數(shù)和quad8函數(shù)求定積分的近似值，并在相同的積分精度下，比較函數(shù)的調(diào)用次數(shù)。 調(diào)用函數(shù)quad求定積分： format long; fx=inline(exp(-x); I,n=quad(fx,1,2.5,1e-10) I = 0.28579444254766 n = 65,調(diào)用函數(shù)quad8求定積分： format long; fx=inline(exp(-x); I,n=quad8(fx,1,2.5,1e-10) I = 0.28579444254754 n = 33,3被積函數(shù)由一個(gè)表格定義 在MATLAB中，對(duì)由表格形式定義的函數(shù)關(guān)系的求定積分問(wèn)題用trapz(X,Y)函數(shù)。其中向量X,Y定義函數(shù)關(guān)系Y=f(X)。 例 用trapz函數(shù)計(jì)算定積分。 命令如下： X=1:0.01:2.5; Y=exp(-X); %生成函數(shù)關(guān)系數(shù)據(jù)向量 trapz(X,Y) ans = 0.28579682416393,humps 函數(shù),quad(humps,0,1,1.e-4),例,ans = 29.8581,syms x h = 1/(x-.3)2+.01) + 1/(x-.9)2+.04) - 6 I = int(h),D = simple(int(h,0,1) Qexact = double(D),for k=1:12 tol=10(-k); Q,fcount=quadtx(humps,0,1,tol); err=Q-Qexact; ratio=err/tol; fprintf(%8.0e %21.14f %7d %13.3e %9.3fn,. tol,Q,fcount,err,ratio), end,tol Q count err ratio 1e-001 29.83328444174864 25 -2.504e-002 -0.250 1e-002 29.85791444629948 41 -4.109e-004 -0.041 1e-003 29.85834299237637 69 1.760e-005 0.018 1e-004 29.85832444437543 93 -9.511e-007 -0.010 1e-005 29.85832551548643 149 1.200e-007 0.012 1e-006 29.85832540194041 265 6.442e-009 0.006 1e-007 29.85832539499819 369 -5.005e-010 -0.005 1e-008 29.85832539552631 605 2.763e-011 0.003 1e-009 29.85832539549604 1061 -2.640e-012 -0.003 1e-010 29.85832539549890 1469 2.274e-013 0.002 1e-011 29.85832539549867 2429 -7.105e-015 -0.001 1e-012 29.85832539549867 4245 0.000e+000 0.000,二重定積分的數(shù)值求解,使用MATLAB提供的dblquad函數(shù)就可以直接求出二重定積分的數(shù)值解。該函數(shù)的調(diào)用格式為： I=dblquad(f,a,b,c,d,tol,trace) 該函數(shù)求f(x,y)在a,bc,d區(qū)域上的二重定積分。參數(shù)tol，trace的用法與函數(shù)quad完全相同。,例 計(jì)算二重定積分 (1) 建立一個(gè)函數(shù)文件fxy.m： function f=fxy(x,y) global ki; ki=ki+1; %ki用于統(tǒng)計(jì)被積函數(shù)的調(diào)用次數(shù) f=exp(-x.2/2).*sin(x.2+y); (2) 調(diào)用dblquad函數(shù)求解。 global ki;ki=0; I=dblquad(fxy,-2,2,-1,1) ki I = 1.57449318974494 ki = 1038,數(shù)值微分的實(shí)現(xiàn),在MATLAB中，沒(méi)有直接提供求數(shù)值導(dǎo)數(shù)的函數(shù)，只有計(jì)算向前差分的函數(shù)diff，其調(diào)用格式為： DX=diff(X)：計(jì)算向量X的向前差分，DX(i)=X(i+1)-X(i)，i=1,2,n-1。 DX=diff(X,n)：計(jì)算X的n階向前差分。例如，diff(X,2)=diff(diff(X)。 DX=diff(A,n,dim)：計(jì)算矩陣A的n階差分，dim=1時(shí)(缺省狀態(tài))，按列計(jì)算差分；dim=2，按行計(jì)算差分。,例 生成以向量V=1,2,3,4,5,6為基礎(chǔ)的范得蒙矩陣，按列進(jìn)行差分運(yùn)算。 命令如下： V=vander(1:6) DV=diff(V) %計(jì)算V的一階差分,V = 1 1 1 1 1 1 32 16 8 4 2 1 243 81 27 9 3 1 1024 256 64 16 4 1 3125 625 125 25 5 1 7776 1296 216 36 6 1,DV = 31 15 7 3 1 0 211 65 19 5 1 0 781 175 37 7 1 0 2101 369 61 9 1 0 4651 671 91 11 1 0,例 用不同的方法求函數(shù)f(x)的數(shù)值導(dǎo)數(shù)，并在同一個(gè)坐標(biāo)系中做出f(x)的圖像。 程序如下： f=inline(sqrt(x.3+2*x.2-x+12)+(x+5).(1/6)+5*x+2); g=inline(3*x.2+4*x-1)./sqrt(x.3+2*x.2-x+12)/2+1/6./(x+5).(5/6)+5); x=-3:0.01:3; p=polyfit(x,f(x),5); %用5次多