Transcript Slide 1

‫فص ل چهارم‬
‫”انت ”را ل گيريعددي ومشتق گيري گ‬
‫محاسبات عددی‬
‫پیشرفته‬
‫ا ستاد‪ :‬آقايدکتر م يرزا یی‬
‫ه يهکنند گا ن ‪:‬‬
‫ت‬
‫‪ ‬سید موسی‬
‫کیا‬
‫‪ ‬علی آغرقی‬
‫زمستان‬
‫‪93‬‬
‫انت ”را ل گيريعددي ‪:‬‬
‫اگر در رابطه‬
‫تابع ‪ f‬به صورت جدولي وجود داشته باشد از روش انتگرال گيري عددي براي حل مسئله استفاده مي‬
‫کنیم ‪ .‬برای همين منظور از چندجمله ای درون یاب استفاده می کنیم ‪.‬‬
‫روشهايانت ”را ل گيري ‪:‬‬
‫‪ ‬باا ستفاد هازچندجملهاي درونيا ب خ ط ی‬
‫‪DIRECT FIT POLYNOMIALS‬‬
‫ات س‬
‫‪‬فر مولهاينيوت ن –ک‬
‫‪o‬‬
‫‪o‬‬
‫‪o‬‬
‫‪o‬‬
‫رو ش مستط يلی‬
‫رو ش ذوزنقهاي‬
‫ان و ن ‪ 1/3‬سيمپس و ن‬
‫ق‬
‫ان و ن ‪ 3/8‬سيمپس و ن‬
‫ق‬
‫‪ ‬رو ش مربعات گاو س (دونقط هاي – سهنقط هاي و‪).....‬‬
‫كته ‪ :‬از روشهاي فوق براي محاسبه انتگرالهايي استفاده ميشود كه تابع زير انتگرال در بازه ‪ a‬تا ‪ b‬داراي نقطه منفرد ( تكين )‬
‫ن‬
‫نباشد‪.‬‬
‫ات س ‪:‬‬
‫فر مولهاينيوت ن –ک‬
‫اگر تابع ‪ F‬به ‪ N‬نقطه با فواصل مساوی ‪ h‬تقسیم شده باشد میتوانیم‬
‫ازچندجمله ای درونیاب تفاضالت پیشرو نیوتن استفاده کنیم‪.‬‬
‫فرمول‬
‫(‪)1‬‬
‫که پارامتر درونیاب ‪ s‬به صورت‬
‫مقابل دست می اید ‪:‬‬
‫همانطور که در فرمول ‪ 1‬مشخص است تابع ‪ f‬بصورت صریح براساس متغیر‬
‫‪ x‬میباشد در حالیکه تابع درونیاب ‪ p‬بصورت صریح براساس متغیر ‪s‬‬
‫بیان شده لذا میبایست طرف راست فرمول ‪ 1‬را براساس متغیر ‪ s‬بیان‬
‫کنیم‪:‬‬
‫حدود انتگرالگیری ‪ x=a,x=b‬را نیز برحسب ‪ s‬بیان کنیم ‪:‬‬
‫‪ X=a ‬به عنوان نقطه شروع (پایه) تابع درونیاب درنظر‬
‫میگیریم ‪s=0‬‬
‫‪ X=b ‬را منطبق بر ‪ s‬درنظر میگیریم ‪s=s‬‬
‫باانتخاب درجات مختلف ‪ n‬از چند جمله ای درونیاب فرمولهای مختلف‬
‫نیوتن‪ -‬کاتس مطابق جدول ذیل حاصل می شود‪:‬‬
‫روش مستطیلی دقت خیلی‬
‫کمی دارد‪.‬‬
‫تعار ی ف‪:‬‬
‫‪ ‬رنج انتگرالگیری ‪ :‬فاصله بین حد باال و‬
‫پایین‬
‫‪ : Increment ‬فاصله بین هر دو نقطه‬
‫متوالی‬
‫‪‬‬
‫‪ : interval‬بازه‬
‫‪ ‬چندجمله ای درونیاب خطی ‪ :‬به یک ‪ interval‬که شامل فقط یک ‪ increment‬باشد نیاز دارد‪.‬‬
‫‪ ‬چندجمله ای درونیاب درجه دوم ‪ :‬به دو ‪ interval‬که شامل دو ‪ increment‬باشد نیاز دارد‪.‬‬
‫رو ش ذوزنقهاي ‪:‬‬
‫با توجه به جدول از چند جمله ای درونیاب درجه اول با یک ‪interval‬‬
‫استفاده می کنیم‪.‬‬
‫ا ص لانت ”را ل درک لباز ه ‪:‬‬
‫ح‬
‫مثال ‪ :‬حاصل انتگرال‬
‫با‬
‫‪1‬‬
‫‪0.75‬‬
‫‪0.5‬‬
‫‪0.25‬‬
‫‪0‬‬
‫ان و ن ‪ 1/3‬سيمپس و ن ‪:‬‬
‫‪o‬ق‬
‫با توجه به جدول از چند جمله ای درونیاب درجه دوم‬
‫با دو ‪ interval‬استفاده می کنیم‪.‬‬
‫در‬
‫و‬
‫با جایگذاری‬
‫فرمول فوق و انتگرال گیری داریم ‪:‬‬
‫اعد ه سيمپس و ن‬
‫مثال ‪ :‬ق‬
‫ان و ن ‪ 3/8‬سيمپس و ن ‪:‬‬
‫‪o‬ق‬
‫با توجه به جدول از چند جمله ای درونیاب درجه سوم با سه ‪nterval‬‬
‫و‬
‫و‬
‫با جایگذاری‬
‫در فرمول فوق و انتگرال گیری داریم ‪:‬‬
‫ات س‬
‫رو ش چهارنقط هاين يوت ن –ک‬
‫لذا برای ‪ n‬نقطه خواهیم‬
‫داشت‪:‬‬
‫( رو ش چهارنقط هاي )‬
‫اعد هکلیانت ”را ل گيري)‬
‫ق‬
‫رو ش مربعات گاو س ‪(:‬‬
‫روشهای ارائه شده تاکنون براساس تقسیم بازه به فواصل‬
‫‪+1‬چند‬
‫مساوی بود حال اگر بازه ]‪ [a,b‬به ‪ n‬نقطه تقسیم و‬
‫جمله ای درونیاب با درجه ‪ n‬در نظر بگیریم پس از انتگرال‬
‫گیری نتیجه به صورت زیر خواهد بود ‪.‬‬
‫مقدار تابع در‬
‫نقطه‬
‫فاکتور‬
‫وزن‬
‫فرمول مربعات گاوس با بدست آوردن‬
‫ساده سازی فرمول فوق انتگرال تابع‬
‫و‬
‫را در فاصله‬
‫و‬
‫حل میشود ‪ .‬برای‬
‫در نظر میگیریم ‪.‬‬
‫با در نظر گرفتن ‪ ( n=2‬دو نقطه ای گاوس ) مقادیر‬
‫برای توابع‬
‫بدست می آوریم ‪.‬‬
‫ان و ن دونقط هاي گاو س‬
‫ق‬
‫‪ ‬فرمولهاي قاعده مربعات گاوس در بازه ]‪ [-1,1‬قابل حل بوده لذا طبق روابط زير بازه ]‪ [a,b‬را به بازه ]‪ [-1,1‬تبديل‬
‫ميكنيم ‪.‬‬
‫رو ش سهنق ط هاي گاو س ‪:‬‬
‫حال به روش مشابه فوق ‪،‬فرمول سه نقطه اي گاوس به صورت زير در مي آيد ‪:‬‬
‫جدول و فرمول کلی مربعات گاوس برای ‪ n=2,3,4‬بصورت زیرمیباشد ‪.‬‬
‫مثال ‪ :‬رو ش دونقط هاي گاو س‬
‫مثال ‪:‬‬
‫رو ش سهنقط هاي گاو س ‪:‬‬
‫انت ”رالهاي منفرد ‪:‬‬
‫در این بخش انتگرال توابعی راحساب می کنیم که تابع ‪ f‬دریکی از‬
‫نقاط ابتدا یا انتهای بازه یا درهردونقطه تعریف نشده باشد‪ . .‬به‬
‫این نقطه ها نقطه تکین یا منفرد گویند ‪.‬‬
‫نقط هتكي ن یا منفرد‬
‫نقط هتكي ن یا منفرد‬
‫اشند‪.‬‬
‫اب ل ح ل مي ب‬
‫انیق‬
‫قب ل ح لنم ود‪.‬فق طاز رو شنقط ه م ي‬
‫ا ی نن و عانت ”رالها رانميت وا نباشي و ههاي‬
‫انی ‪:‬‬
‫رو شنق ط ه م ي‬
‫فرض می کنیم فاصله ]‪ [a,b‬را مطابق شکل به سه قسمت مساوی تقسیم کرده‬
‫ایم حال با استفاده ازتعریف انتگرال که همان مساحت سطح زیر منحنی‬
‫میباشد مقدار انتگرال ‪ f‬را برای فاصله‬
‫حساب‬
‫می کنیم‬
‫مساحت مستطیل‬
‫‪h‬‬
‫در نتیجه برای کل بازه بطول ‪ h‬برای هر‬
‫زیر بازه خواهیم داشت ‪:‬‬
‫خ طايانت ”را ل گيري رو ش ذوزنقهاي ‪:‬‬
‫درروش ذوزنقه اي مقدار خطا متناسب با‬
‫كه در رابطه زير صدق كند ‪.‬‬
‫كه در آن‬
‫‪.‬‬
‫كران باالي‬
‫بوده واز طريق فرمول زير بدست مي آيد‪ .‬هدف تعيين مقداري از ‪ h‬ميباشد‬
‫میباشد‬
‫‪a=o , b=1 , ε=0.01‬‬
‫با‬
‫كنيم ‪.‬‬
‫با جايگذاري در فرمول قبل مقدار ‪ h‬را بدست مي آوريم و حاصل انتگرال را با مقدار ‪ h‬بدست آمده حساب مي‬
‫‪h=0.2‬‬
‫اعد ه سيمپس و ن ‪:‬‬
‫خ طايق‬
‫به روش مشابه از طريق فرمولهاي زير مقدار ‪ h‬را بدست مي آوريم ومقدار انتگرال را با ‪ h‬حاصل بدست مي آوريم ‪.‬‬
‫مشتق چهارم تابع ‪f‬‬
‫انی ‪:‬‬
‫خ طاينقط ه م ي‬
‫=‬
‫مشتق گيريعددي‬
‫برای بدست آوردن مشتق تابع ‪ f‬از چند جمله ای‬
‫درونیاب ‪ p‬استفاده می کنیم‪.‬‬
‫ا صلههاي غ يرم ساوي ‪:‬‬
‫روشهاي مشتق گيريازتواب عبا ف‬
‫‪ ‬روش چند جمله ای درونیاب خطی‬
‫‪Direct fit polynomials‬‬
‫‪ ‬روش درونیاب الگرانژ‬
‫‪Lagrange polynomials‬‬
‫‪ ‬روش درونیاب تفاضالت تقسیم شده‬
‫‪difference polynomials‬‬
‫ا صلههاي م ساوي ‪:‬‬
‫روشهاي مشتق گيريازتواب عبا ف‬
‫‪ ‬روش چند جمله ای درونیاب تفاضالت‬
‫پیشرو نیوتن‬
‫‪ ‬روش چند جمله ای درونیاب تفاضالت پسرو‬
‫نیوتن‬
‫‪ ‬استفاده از بسط تیلور تابع‬
‫‪Divided‬‬
‫شروني وت ن ‪:‬‬
‫ا ضالتپ ي‬
‫رو ش چند جملهاي درونيا بتف‬
‫برحسب ‪ s‬بیان شده‬
‫چون‬
‫است بنابراین ‪:‬‬
‫‪S=0‬‬
‫بطور مشابه برای مشتق‬
‫دوم داریم ‪:‬‬
‫‪S=0‬‬
‫فرمولهای فوق برحسب ‪ s=0‬و در نقطه 𝑖𝑥 = 𝑥 بصورت‬
‫زیر تبدیل خواهد شد ‪.‬‬
‫معموال برای محاسبه تقریبی از مشتق اول و دوم در نقطه ‪ i‬یک یا چند‬
‫جمله از عبارات سمت راست فرمولهای فوق انتخاب میشود‪.‬‬
‫با در نظر گرفتن یک جمله‬
‫سمت راست‬
𝑥0
𝑥1
𝑥2
𝑥3
𝑥4
𝑓0
𝑓1
𝑓2
𝑓3
𝑓4
h=0.15-0.1=0.05
𝑓0′ =
𝑓1′
𝑓1 − 𝑓0 1.16183 − 1.10517
=
= 1.1332
ℎ
0.05
𝑓2 − 𝑓1 1.22140 − 1.16183
=
=
= 1.1914
ℎ
0.05
𝑓2′ =
𝑓3 − 𝑓2 1.28403 − 1.22140
=
= 1.2526
ℎ
0.05
‫‪1.22140 − 2 ∗ 1.16183 + 1.10517‬‬
‫‪= 1.164‬‬
‫‪0.052‬‬
‫اب ع ‪:‬‬
‫مشتق گيريباا ستفاد هازبس طتيل ورت‬
‫به کمک بسط تیلورتابع ‪ f‬در نقطه‬
‫میتوان مشتق تابع را بدست آورد‪.‬میدانیم‬
‫فرمول(‪)1‬‬
‫=‬
‫‪𝑓2 − 2𝑓1 + 𝑓0‬‬
‫‪ℎ2‬‬
‫= ‪𝑓0′′‬‬
‫همچنین اگر‬
‫فرمول(‪)2‬‬
‫باشد خواهیم داشت‬
‫با جمع کردن جمالت فرمولهای ‪1‬و‪ 2‬تقریب زیر برای‬
‫ِید ‪:‬‬
‫بدست می آ‬
𝑥0
𝑥1
𝑓1
𝑓0
𝑓0′
𝑥2
𝑥3
𝑓2
𝑓3
𝑓1 − 𝑓0 0.375 − 0
=
=
= 0.375
ℎ
1
𝑓2′ =
𝑓3 − 𝑓2 1.511 − 0.971
=
= 0.540
ℎ
1
𝑓2′′ =
𝑓1−2 𝑓2 + 𝑓3 0.375 − 1.942 + 1.511
=
= −0.056
ℎ2
1