Ćwiczenie 4 (2 godziny)

Całkowanie numeryczne

Cel ćwiczenia

Sprawozdanie powinno zawierać

Praktyczne zaznajomienie się z najprostszymi metodami całkowania numerycznego. Doświadczalne

• Zestawienie tabelaryczne i wykresy błędu względnego i bezwzględnego (ewentualnie ich modułów)

zbadanie przydatności ekstrapolacji Richardsona w całkowaniu numerycznym. Poznanie praktycznych

całki w zależności od liczby podprzedziałów (długości kroku).

zalet adaptacyjnych procedur całkowania numerycznego.

• Wyniki uzyskane przez zastosowanie ekstrapolacji Richardsona.

• Wykresy błędu i liczby wywołań procedury obliczającej funkcję podcałkową w zależności od przy-

Instrukcja wykonawcza

jętej tolerancji dla procedur adaptacyjnych quad, quad8, alobb, asimp.

• Uwagi i wnioski, w szczególności ocenę przydatności badanych kwadratur do obliczania całek

1. Napisać M-funkcję obliczającą przybliżoną wartość całki oznaczonej (złożoną) metodą prostoką-

różnych typów funkcji podcałkowych (w celu dokonania takiej oceny wskazane jest wykonanie

tów (wariant punktu środkowego). Jako parametry wejściowe procedury przyjąć: nazwę M-funkcji

wykresów badanych funkcji podcałkowych w przedziale całkowania).

obliczającej funkcję podcałkową, końce przedziału całkowania oraz ilość podprzedziałów. Prze-

testować napisaną M-funkcję obliczając przybliżoną wartość wskazanych przez prowadzącego

Wymagana wiedza teoretyczna

zajęcia całek oznaczonych. Skopiować dwukrotnie utworzony M-plik i zmodyfikować kopie tak

by obliczały przybliżoną wartość całki metodą trapezów i metodą Simpsona. Wykonać obli-

• Podstawowe pojęcia związane z całkowaniem numerycznym: kwadratura, kwadratury proste i zło-

czenia przybliżonych wartości podanych przez prowadzącego całek testowych przyjmując ilość

żone, rząd kwadratury ([1, str. 161–163], [2, str. 127–127]).

podprzedziałów równą 8, 16, 32, 64; obserwować błąd uzyskanych przybliżeń; uzupełnić obli-

• Najprostsze metody wraz z analizą ich błędu: metoda prostokątów, trapezów, wzór Simpsona ([3,

czenia o takie w których liczba podprzedziałów będzie nieparzysta (wartości nieparzyste między

str. 282–283, 285–286, 259–260], [1, str. 166, 167, 169]).

wskazanymi potęgami liczby 2). Jeśli błąd względny przekracza 0.1% dla wszystkich wykonanych

• Kwadratury Newtona-Cotes’a – zasada konstrukcji i podstawowe właściwości ([1, str. 164–170],

obliczeń zwiększać w/g podanego schematu (tzn. potęgi liczby 2 i pośrednie wartości nieparzy-

[4, str. 97–100], [5, str. 113–116], [3, str. 294], [2, str. 136–145])

ste) liczbę podprzedziałów aż do chwili, gdy błąd względny osiągnie wartości poniżej tego progu.

• Kwadratury Gaussa – idea i podstawowe właściwości ([3, str. 294–296], [1, str. 175–179], [2, str.

Wyniki obliczeń przybliżonych wartości całki dla zadanego przedziału zestawić w postaci tabeli,

145–150])

dla wszystkich wymienionych wyżej metod. Uzyskane wyniki umieścić na wspólnym wykresie na

• Zastosowanie ekstrapolacji w zagadnieniach całkowania numerycznego. Metoda Romberga ([3,

tle obliczonej dokładnej wartości całki. Zwrócić uwagę na szybkość zbieżności poszczególnych

str. 284–285], [1, str. 171–173], [5, str. 117–122], [2, str. 153–156])

metod. Zastanowić się dla jakiego rodzaju funkcji można stosować określony typ kwadratur.

• Wybór kwadratury. Adaptacyjne procedury całkowania numerycznego – zasada działania. ([5, str.

Sporządzić zestawienie tabelaryczne błędu względnego i bezwzględnego całki w zależności od

122–127], [2, str. 161–164])

liczby podprzedziałów i wybranej metody.

Wymagana wiedza n/t programu Matlab

2. Wykorzystując M-plik ekstrap przeprowadzić ekstrapolację Richardsona wyników uzyskanych

metodą trapezów, wykorzystując wartości całki obliczone przy kroku równym 1 , 1 , 1 , 1

• Pętle i instrukcje warunkowe

8

16

32

64

długości przedziału całkowania. Przeprowadzić tę samą ekstrapolację, tym razem rozpoczynając

• Podstawowe operatory działające na tablicach „poelementowo” ( .*, ./, .\, .^ )

od 1 długości przedziału całkowania i w każdym etapie redukując krok trzykrotnie. Porównać

• Funkcje definiowane przez użytkownika (M-funkcje)

8

otrzymane wyniki. Jeśli wzięte do obliczeń ekstrapolacyjnych wyniki są obarczone dużym błędem

• Standardowe procedury całkowania numerycznego ( quad, quad8 )

powtórzyć obliczenia z krokiem początkowym zapewniającym błąd względny poniżej 0.1%.

Literatura

3. Przetestować na tych samych przykładach standardowe procedury całkowania numerycz-

nego dostarczane w ramach pakietu Matlab (quad i quad8) i porównać ich działanie

[1] Zenon Fortuna, Bohdan Macukow, Janusz Wąsowski. Metody numeryczne, strony 161–183. WNT War-

szawa, 1995.

z procedurami alobb, asimp przez wykonanie obliczeń z różną założoną tolerancją (np.

[2] Janina Jankowska, Michał Jankowski. Przegląd metod i algorytmów numerycznych. Część 1. WNT War-

10 − 1 , 10 − 2 , 10 − 3 , 10 − 4 , 10 − 5 , 10 − 6) i obserwację rzeczywiście osiągniętej dokładności oraz szawa, 1981.

ilości wywołań funkcji podcałkowej.

[3] Germund Dahlquist, ˚

Ake Björck. Metody numeryczne, strony 259–260, 282–299. PWN Warszawa, 1983.

[4] Josef Stoer. Wstęp do metod numerycznych, wolumen 1, strony 97–124. PWN Warszawa, 1979.

[5] Anthony Ralston. Wstęp do analizy numerycznej, strony 87–126. PWN Warszawa, 1983.

[6] David Kincaid, Ward Cheney. Analiza numeryczna, strony 457–484. WNT Warszawa, 2006.

[7] Jerzy Krupka, Roman Z. Morawski, Leszek J. Opalski. Metody numeryczne dla studentów elektroniki

i technik informacyjnych, strony 101–119.

Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa,

1997.