И парадокс состоит в том, что по этой причине (видимо) он довольно редко встречается на практике. Неудивительно, что данная статья появилась на свет через несколько лет после того, как я рассказал о более распространённых методах трапеции и Симпсона , где упомянул о прямоугольниках лишь вскользь. Однако на сегодняшний день раздел об интегралах практически завершён и поэтому настало время закрыть этот маленький пробел. Читаем, вникаем и смотрим видео! ….о чём? Об интегралах, конечно =)
Постановка задачи уже была озвучена на указанном выше уроке, и сейчас мы быстренько актуализируем материал:
Рассмотрим интеграл . Он неберущийся. Но с другой стороны, подынтегральная функция непрерывна на отрезке , а значит, конечная площадь существует. Как её вычислить? Приближённо. И сегодня, как вы догадываетесь – методом прямоугольников.
Разбиваем промежуток интегрирования на 5, 10, 20 или бОльшее количество равных (хотя это не обязательно) отрезков, чем больше – тем точнее будет приближение. На каждом отрезке строим прямоугольник, одна из сторон которого лежит на оси , а противоположная – пересекает график подынтегральной функции. Вычисляем площадь полученной ступенчатой фигуры, которая и будет приближённой оценкой площади криволинейной трапеции (заштрихована на 1-м рисунке) .
Очевидно, что прямоугольники можно построить многими способами, но стандартно рассматривают 3 модификации:
1) метод левых прямоугольников;
2) метод правых прямоугольников;
3) метод средних прямоугольников.
Оформим дальнейшие выкладки в рамках «полноценного» задания:
Пример 1
Вычислить определённый интеграл приближённо:
а) методом левых прямоугольников;
б) методом правых прямоугольников.
Промежуток интегрирования разделить на равных отрезков, результаты вычислений округлять до 0,001
Решение : признАюсь сразу, я специально выбрал такое малое значение – из тех соображений, чтобы всё было видно на чертеже – за что пришлось поплатиться точностью приближений.
Вычислим шаг
разбиения (длину каждого промежуточного отрезка)
:
Метод левых прямоугольников
получил своё называние из-за того, 
что высОты
прямоугольников на промежуточных отрезках равны значениям функции
в левых
концах данных отрезков:
Ни в коем случае не забываем, что округление следует проводить до трёх знаков после запятой – это существенное требование условия
, и «самодеятельность» здесь чревата пометкой «оформите задачу, как следует».
Вычислим площадь ступенчатой фигуры, которая равна сумме площадей прямоугольников: 
Таким образом, площадь криволинейной трапеции
: . Да, приближение чудовищно грубое (завышение хорошо видно на чертеже)
, но и пример, повторюсь, демонстрационный. Совершенно понятно, что, рассмотрев бОльшее количество промежуточных отрезков (измельчив разбиение), ступенчатая фигура будет гораздо больше похожа на криволинейную трапецию, и мы получим лучший результат.
При использовании «правого» метода высОты
прямоугольников равны значениям функции
в правых
концах промежуточных отрезков:
Вычислим недостающее значение 
и площадь ступенчатой фигуры:
– тут, что и следовало ожидать, приближение сильно занижено:
Запишем формулы в общем виде. Если функция непрерывна на отрезке , и он разбит на равных частей: , то определённый интеграл можно вычислить приближенно по формулам:
– левых прямоугольников;
– правых прямоугольников;
(формула в следующей задаче)
– средних прямоугольников,
где – шаг разбиения.
В чём их формальное различие? В первой формуле нет слагаемого , а во второй -
На практике рассчитываемые значения удобно заносить в таблицу:
а сами вычисления проводить в Экселе. И быстро, и без ошибок:
Ответ
: 
Наверное, вы уже поняли, в чём состоит метод средних прямоугольников:
Пример 2
Вычислить приближенно определенный интеграл методом прямоугольников с точностью до 0,01. Разбиение промежутка интегрирования начать с отрезков.
Решение : во-первых, обращаем внимание, что интеграл нужно вычислить с точностью до 0,01 . Что подразумевает такая формулировка?
Если в предыдущей задаче требовалось прОсто округлить результаты до 3 знаков после запятой (а уж насколько они будут правдивы – не важно) , то здесь найденное приближённое значение площади должно отличаться от истины не более чем на .
И во-вторых, в условии задачи не сказано, какую модификацию метода прямоугольников использовать для решения. И действительно, какую?
Почему? А он при прочих равных условиях (том же самом разбиении)
даёт гораздо более точное приближение. Это строго обосновано в теории, и это очень хорошо видно на чертеже:
В качестве высот прямоугольников здесь принимаются значения функции
, вычисленные в серединах
промежуточных отрезков, и в общем виде формула приближённых вычислений запишется следующим образом:
, где – шаг стандартного «равноотрезочного» разбиения .
Следует отметить, что формулу средних прямоугольников можно записать несколькими способами, но чтобы не разводить путаницу, я остановлюсь на единственном варианте, который вы видите выше.
Вычисления, как и в предыдущем примере, удобно свести в таблицу. Длина промежуточных отрезков, понятно, та же самая: – и очевидно, что расстояние между серединами отрезков равно этому же числу. Поскольку требуемая точность вычислений составляет , то значения нужно округлять «с запасом» – 4-5 знаками после запятой:
Вычислим площадь ступенчатой фигуры:
Давайте посмотрим, как автоматизировать этот процесс:
Таким образом, по формуле средних прямоугольников:
Как оценить точность приближения? Иными словами, насколько далёк результат от истины (площади криволинейно трапеции) ? Для оценки погрешности существует специальная формула, однако, на практике её применение зачастую затруднено, и поэтому мы будем использовать «прикладной» способ:
Вычислим более точное приближение – с удвоенным количеством отрезков разбиения: . Алгоритм решения точно такой же: 
.
Найдём середину первого промежуточного отрезка 
и далее приплюсовываем к полученному значению по 0,3. Таблицу можно оформить «эконом-классом», но комментарий о том, что изменяется от 0 до 10 – всё же лучше не пропускать:
В Экселе вычисления проводятся «в один ряд» (кстати, потренируйтесь)
, а вот в тетради таблицу, скорее всего, придётся сделать двухэтажной (если у вас, конечно, не сверхмелкий почерк).
Вычислим суммарную площадь десяти прямоугольников:
Таким образом, более точное приближение:
Которые я и предлагаю вам изучить!
Пример 3: Решение
: вычислим шаг разбиения:
Заполним расчётную таблицу:
Вычислим интеграл приближённо методом:
1) левых прямоугольников:
;
2) правых прямоугольников:
;
3) средних прямоугольников:
.
Вычислим интеграл более точно по формуле Ньютона-Лейбница:
и соответствующие абсолютные погрешности вычислений:
Ответ
:
1. Введение. Постановка задачи……..…………………………2стр.
2. Вывод формулы……………………………………………….3стр.
3. Дополнительный член в формуле прямоугольников……….5стр.
4. Примеры………………………………………………………..7стр.
5. Заключение……………………………………………………..9стр.
6. Список литературы…………………………………………...10стр.
Постановка задачи.
Задача вычисления интегралов возникает во многих областях прикладной математики. В большинстве случаев встречаются определённые интегралы от функций, первообразные которых не выражаются через элементарные функции. Кроме того, в приложениях приходится иметь дело с определёнными интегралами, сами подынтегральные функции не являются элементарными. Распространенными являются также случаи, когда подынтегральная функция задается графиком или таблицей экспериментально полученных значений. В таких ситуациях используют различные методы численного интегрирования, которые основаны на том, что интеграл представляется в виде предела интегральной суммы (суммы площадей), и позволяют определить эту сумму с приемлемой точностью. Пусть требуется вычислить интеграл при условии, что a и b конечны и f(x) является непрерывной функцией на всем интервале (a, b). Значение интеграла I представляет собой площадь, ограниченную кривой f(x),осью x и прямыми x=a, x=b. Вычисление I проводится путем разбиения интервала от a до b на множество меньших интервалов, приближенным нахождением площади каждой полоски, получающейся при таком разбиении, и дальнейшем суммировании площадей этих полосок.
Вывод формулы прямоугольников.
Прежде, чем перейти к формуле прямоугольников, сделаем следующее замечание:
З а м е ч а н и е. Пусть функция f(x) непрерывна на сегменте , а
Некоторые точки сегмента . Тогда на этом сегменте найдётся точка такая, что среднее арифметическое 
.
В самом деле, обозначим через m и M точные грани функции f(x) на сегменте . Тогда для любого номера k справедливы неравенства . Просуммировав эти неравенства по всем номерам и поделив результат на n, получим
Так как непрерывная функция принимает любое промежуточное значение, заключённое между m и M, то на сегменте найдётся точка такая, что
.
Первые формулы для приближенного вычисления определённых интегралов проще всего получаются из геометрических соображений. Истолковывая определенный интеграл как площадь некоторой фигуры, ограниченной кривой , мы и ставим перед собой задачу об определении этой площади.
Прежде всего, вторично используя эту мысль, которая привела к самому понятию об определенном интеграле, можно разбить всю фигуру (рис. 1) на полоски, скажем, одной и той же ширины , а затем каждую полоску приближенно заменить прямоугольником, за высоту которого принята какая-либо из ее ординат. Это приводит нас к формуле
где 
, а R – дополнительный член. Здесь искомая площадь криволинейной фигуры заменяется площадью некоторой состоящей из прямоугольников ступенчатой фигуры (или – если угодно – определенный интеграл заменяется интегральной суммой). Эта формула и называется формулой прямоугольников.
На практике обычно берут 
; если соответствующую среднюю ординату 
обозначить через , то формула перепишется в виде
.
Дополнительный член в формуле прямоугольников.
Перейдём к отысканию дополнительного члена в формуле прямоугольников.
Справедливо следующее утверждение:
У т в е р ж д е н и е. Если функция f(x) имеет на сегменте непрерывную вторую производную, то на этом сегменте найдётся такая точка
Что дополнительный член R в формуле (1) равен
(2)
Доказательство.
Оценим , считая, что функция f(x) имеет на сегменте [-h, h] непрерывную вторую производную Для этого подвергнем двукратному интегрированию по частям каждый из следующих двух интегралов:
Для первого из этих интегралов получим
Для второго из интегралов аналогично получим
Полусумма полученных для и выражений приводит к следующей формуле:
(3)
Оценим величину , применяя к интегралам и формулу среднего значения и учитывая неотрицательность функций и . Мы получим, что найдутся точка на сегменте [-h, 0] и точка на сегменте
Такие, что
В силу доказанного замечания на сегменте [-h, h] найдётся точка такая, что 
Поэтому для полусуммы мы получим следующее выражение:
Подставляя это выражение в равенство (3), получим, что
(4)
. (5)
Так как величина представляет собой площадь некоторого прямоугольника с основанием (рис.1), то формулы (4) и (5) доказывают, что ошибка, совершаемая при замене указанной площадью, имеет порядок
Таким образом, формула 
тем точнее, чем меньше h. Поэтому для вычисления интеграла естественно представить это интеграл в виде суммы достаточно большого числа n интегралов
И к каждому из указанных интегралов применить формулу (4). Учитывая при этом, что длина сегмента равна , мы получим формулу прямоугольников (1), в которой
Здесь . Мы воспользовались формулой, доказанной в утверждении, для функции
Примеры вычисления определённых интегралов
по формуле прямоугольников.
Для примеров возьмём интегралы, которые вычислим сначала по формуле Ньютона-Лейбница, а затем по формуле прямоугольников.
П р и м е р 1. Пусть требуется вычислить интеграл .
По формуле Ньютона-Лейбница, получим
Теперь применим формулу прямоугольников
Таким образом, .
В данном примере неточности в вычислениях нет. А значит, для данной функции формула прямоугольников позволила точно вычислить определённый интеграл.
П р и м е р 2. Вычислим интеграл с точностью до 0,001.
Применяя формулу Ньютона-Лейбница, получим .
Теперь воспользуемся формулой прямоугольников.
Так как для имеем 
(если ), то
Если взять n=10, то дополнительный член нашей формулы будет 
Нам придётся внести ещё погрешность, округляя значения функции; постараемся, чтобы границы этой новой погрешности разнились меньше чем на С этой целью достаточно вычислять значение функции с четырьмя знаками, с точностью до 0,00005. Имеем:
Сумма 6,9284.
.
Учитывая, что поправка к каждой ординате (а следовательно и к их среднему арифметическому) содержится между , а также принимая во внимание оценку дополнительного члена , найдём, что содержится между границами и , а следовательно, и подавно между 0,692 и 0,694. Таким образом, 
.
Заключение.
Изложенный выше метод вычисления определенных интегралов содержит четко сформулированный алгоритм для проведения вычислений. Другой особенностью изложенного метода является стереотипность тех вычислительных операций, которые приходится производить на каждом отдельном шаге. Эти две особенности обеспечивают широкое применение изложенного метода для проведения вычислений на современных быстродействующих вычислительных машинах.
Выше для приближенного вычисления интеграла от функции f(x)
мы исходили из разбиения основного сегмента на достаточно большое число n равных частичных сегментов одинаковой длины h и из последующей замены функции f(x) на каждом частичном сегменте многочленом соответственно нулевого, первого или второго порядка.
Погрешность, возникающая при таком подходе, никак не учитывает индивидуальных свойств функции f(x). Поэтому, естественно, возникает идея о варьировании точек разбиения основного сегмента на n, вообще говоря, не равных друг другу частичных сегментов, которое обеспечивало бы минимальную величину погрешности данной приближённой формулы.
Список литературы.
1. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления в 3-х томах, том II. (§§ 332, 335).
2. Ильин В.А., Позняк Э.Г. Основы математического анализа, часть I. Москва «Наука», 1982г. (Глава 12, пп.1, 2, 5).
Перейдем к модификациям метода прямоугольников.
Это формула метода левых прямоугольников .
- это формула метода правых прямоугольников
.
Отличие от метода средних прямоугольников заключается в выборе точек не в середине, а на левой и правой границах элементарных отрезков соответственно.
Абсолютная погрешность методов левых и правых прямоугольников оценивается как .
Блок-Схема
Для того, чтобы вычислить интеграл по формуле правых прямоугольников в Excel, необходимо выполнить следующие действия:
1. Продолжить работу в том же документе, что и при вычислении интеграла по формуле левых прямоугольников.
2. В ячейку D6 ввести текст y1,…,yn.
3. Ввести в ячейку D8 формулу =КОРЕНЬ(B8^4-B8^3+8), скопировать эту формулу методом протягивания в диапазон ячеек D9:D17
4. Ввести в ячейку D18 формулу =СУММ(D7:D17).
5. Ввести в ячейку D19 формулу =B4*D18.
6. Ввести в ячейку D20 текст правых.
В итоге получаем следующее:
Для того, чтобы вычислить интеграл по формуле правых прямоугольников в Mathcad, необходимо выполнить следующие действия:
1. Ввести в поле ввода в одной строчке через какое-либо расстояние следующие выражения: a:=0, b:=3.2, n:=10.
2. В следующей строчке ввести формулу с клавиатуры h:=(b-a)/n ().
3. Рядом вывести значение данного выражения, для этого набрать с клавиатуры: h=.
4. Ниже ввести формулу для вычисления подинтегральной функции, для этого с клавиатуры набрать f(x):=, затем открыть панель инструментов "Арифметика", либо воспользовавшись значком , либо следующим способом:
После этого, на панели инструментов "Арифметика" выбрать "Квадратный корень": , затем в появившемся темном квадрате ввести выражение с клавиатуры x^4-x^3+8, перемещение курсора осуществляется стрелками на клавиатуре (обратить внимание на то, что в поле ввода данное выражение сразу преобразуется к стандартному виду ).
5. Ниже ввести выражение I1:=0.
6. Ниже ввести выражение pr_p(a,b,n,h,I1):=.
7. Затем выбрать панель инструментов "Программирование" (либо: "Вид"-"Панели инструментов"-"Программирование", либо: значок ).
8. На панели инструментов "Программирование" добавить строку программы: , затем поставить курсор в первый темный прямоугольник и на панели инструментов "Программирование" выбрать "for".
9. В полученной строке, после слова for, встать курсором в первый из прямоугольников и набрать i.
10. Затем выбрать панель инструментов "Матрицы" (либо: "Вид"-"Панели инструментов"-"Матрицы", либо: значок ).
11. Поставить курсор в следующий темный прямоугольник и на панели инструментов "Матрицы" нажать: , где набрать в двух появившихся прямоугольниках соответственно: 1 и n.
12. Поставить курсор в нижестоящий темный прямоугольник и дважды добавить строку программы.
13. После этого вернуть курсор в первый из появившихся прямоугольников и набрать x1, затем нажать "Локальное присвоение" на панели "Программирование": и после этого набрать a+h.
14. Поставить курсор в следующий темный прямоугольник, где набрать I1 присвоить (кнопка "Локальное присвоение") I1+f(x1).
15. Поставить курсор в следующий темный прямоугольник, где набрать a присвоить (кнопка "Локальное присвоение") x1.
16. В следующем темном прямоугольнике добавить строку программы, где в первом из полученных прямоугольников набрать I1 присвоить (кнопка "Локальное присвоение") I1*h (обратить внимание, что знак умножения в поле ввода автоматически превращается в стандартный ).
17. В последнем темном прямоугольнике набрать I1.
18. Ниже ввести pr_p(a,b,n,h,I1) и нажать знак =.
19. Для того, чтобы отформатировать ответ, нужно дважды щелкнуть по полученному числу и указать число десятичный мест - 5.
В итоге получаем:
Ответ: значение заданного интеграла равно 14,45905.
Метод прямоугольников безусловно очень удобен при вычислении определенного интеграла. Работа была очень увлекательна и познавательна.
Использованная литература
http://www.cleverstudents.ru/method_of_rectangles.html
(методы вычисления интегралов)
http://algmet.narod.ru/theory_a4m/integr_prav/index.htm
(суть метода)
http://ru.wikipedia.org/wiki/%CC%E5%F2%EE%E4_%EF%F0%FF%EC%EE%F3%E3%EE%EB%FC%ED%E8%EA%EE%E2
(википедия)
1) введение и теория
2) Суть метода и решение примеров
3) Паскаль
Не всегда имеется возможность вычисления интегралов по формуле Ньютона-Лейбница. Не все подынтегральные функции имеют первообразные элементарных функций, поэтому нахождение точного числа становится нереальным. При решении таких задач не всегда необходимо получать на выходе точные ответы. Существует понятие приближенного значения интеграла, которое задается методом числового интегрирования типа метода прямоугольников, трапеций, Симпсона и другие.
Данная статья посвящена именно этому разделу с получением приближенных значений.
Будет определена суть метода Симпсона, получим формулу прямоугольников и оценки абсолютной погрешности, метод правых и левых треугольников. На заключительном этапе закрепим знания при помощи решения задач с подробным объяснением.
Yandex.RTB R-A-339285-1
Если функция y = f (x) имеет непрерывность на отрезке [ a ; b ] и необходимо вычислить значение интеграла ∫ a b f (x) d x .
Необходимо воспользоваться понятием неопределенного интеграла. Тогда следует разбить отрезок [ a ; b ] на количество n частей x i - 1 ; x i , i = 1 , 2 , . . . . , n , где a = x 0 < x 1 < x 2 < . . . < x n - 1 < x n = b . В промежутке отрезка x i - 1 ; x i , i = 1 , 2 , . . . , n выберем точку со значением ζ i . Из определения имеем, что существует определенный тип интегральных сумм при бесконечном уменьшении длины элементарного отрезка, который уже разбили. Это выражается формулой λ = m a x i = 1 , 2 , . . . , n (x i - x i - 1) → 0 , тогда получаем, что любая из таких интегральных сумм – приближенное значение интеграла ∫ a b f (x) d x ≈ ∑ i = 1 n f (ζ i) · (x i - x i - 1) .
Суть метода прямоугольниковвыражается в том, что приближенное значение считается интегральной суммой.
Если разбить интегрируемый отрезок [ a ; b ] на одинаковые части точкой h , то получим a = x 0 , x 1 = x 0 + h , x 2 = x 0 + 2 h , . . . , x - 1 = x 0 + (n - 1) h , x n = x 0 + n h = b , то есть h = x i - x i - 1 = b - a n , i = 1 , 2 , . . . , n . Серединами точек ζ i выбираются элементарные отрезки x i - 1 ; x i , i = 1 , 2 , . . . , n , значит ζ i = x i - 1 + h 2 , i = 1 , 2 , . . . , n .
Определение 1
Тогда приближенное значение ∫ a b f (x) d x ≈ ∑ i = 1 n f (ζ i) · (x i - x i - 1) записывается таким образом ∫ a b f (x) d x ≈ h · ∑ i = 1 n f (ζ i) x i - 1 + h 2 . Данная формула называется формулой метода прямоугольников.
Такое название метод получает из-за характера выбора точек ζ i , где гаг разбиения отрезка берется за h = b - a n .
Рассмотрим на приведенном ниже рисунке данный метод.
Чертеж явно показывает, что приближение к кусочной ступенчатой функции
y = f x 0 + h 2 , x ∈ [ x 0 ; x 1) f x 1 + h 2 , x ∈ [ x 1 ; x 2) . . . f x n - 1 + h 2 , x ∈ [ x n - 1 ; x n ] происходит на всем пределе интегрирования.
С геометрической стороны мы имеем, что неотрицательная функция y = f (x) на имеющемся отрезке [ a ; b ] имеет точное значение определенного интеграла и выглядит как криволинейная трапеция, площадь которой необходимо найти. Рассмотрим на рисунке, приведенном ниже.
Для оценки абсолютной погрешности необходимо выполнить ее оценку на заданном интервале. То есть следует найти сумму абсолютных погрешностей каждого интервала. Каждый отрезок x i - 1 ; x i , i = 1 , 2 , . . . , n имеет приближенное равенство ∫ x i - 1 x i f (x) d x ≈ f x i - 1 + h 2 · h = f x i - 1 + h 2 · (x i - x i - 1) . Абсолютная погрешность данного метода треугольников δ i , принадлежащей отрезку i , вычисляется как разность точного и приближенного определения интеграла. Имеем, что δ i = ∫ x i - 1 x i f (x) d x - f x i - 1 + h 2 · x i - x i - 1 . Получаем, что f x i - 1 + h 2 является некоторым числом, а x i - x i - 1 = ∫ x i - 1 x i d x , тогда выражение f x i - 1 + h 2 · x i - x i - 1 по 4 свойству определения интегралов записывается в форме f x i - 1 + h 2 · x i - x i - 1 = ∫ x - 1 x f x i - 1 + h 2 d x . Отсюда получаем, что отрезок i имеет абсолютную погрешность вида
δ i = ∫ x i - 1 x i f (x) d x - f x i - 1 + h 2 · x i - x i - 1 = = ∫ x i - 1 x i f (x) d x - ∫ x i - 1 x i x i - 1 + h 2 d x = ∫ x i - 1 x i f (x) = - f x i - 1 + h 2 d x
Если взять, что функция y = f (x) имеет производные второго порядка в точке x i - 1 + h 2 и ее окрестностях, тогда y = f (x) раскладывается в ряд Тейлора по степеням x - x i - 1 + h 2 с остаточным членом в форме разложения по Лагранжу. Получаем, что
f (x) = f x i - 1 + h 2 + f " x i - 1 + h 2 · x - x i - 1 + h 2 + + f "" (ε i) x - x i - 1 + h 2 2 2 ⇔ ⇔ f (x) = f (x i - 1 + h 2) = f " x i - 1 + h 2 · x - x i - 1 + h 2 + + f "" (ε i) x - x i - 1 + h 2 2 2
Исходя из свойства определенного интеграла, равенство может интегрироваться почленно. Тогда получим, что
∫ x i - 1 x i f (x) - f x i - 1 + h 2 d x = ∫ x i - 1 x i f " x i - 1 + h 2 · x - x i - 1 + h 2 d x + + ∫ x i - 1 x i f "" ε i · x - x i - 1 + h 2 2 2 d x = = f " x i - 1 + h 2 · x - x i - 1 + h 2 2 2 x i - 1 x i + f "" ε i · x - x i - 1 + h 2 3 6 x i - 1 x i = = f " x i - 1 + h 2 · x i - h 2 2 2 - x i - 1 - x i - 1 + h 2 2 2 + + f "" ε i · x i - h 2 3 6 - x i - 1 - x i - 1 + h 2 3 6 = = f " x i - 1 + h 2 · h 2 8 - h 2 8 + f "" (ε i) · h 3 48 + h 3 48 = f "" ε i · h 3 24
где имеем ε i ∈ x i - 1 ; x i .
Отсюда получаем, что δ i = ∫ x i - 1 x i f (x) - f x i - 1 + h 2 d x = f "" ε i · h 3 24 .
Абсолютная погрешность формулы прямоугольников отрезка [ a ; b ] равняется сумме погрешностей каждого элементарного интервала. Имеем, что
δ n = ∑ i = 1 n ∫ x i - 1 x i f (x) - f x i - 1 + h 2 d x и δ n ≤ m a x x ∈ [ a ; b ] f "" (x) · n · h 3 24 = m a x x ∈ [ a ; b ] f "" (x) = b - a 3 24 n 2 .
Неравенство является оценкой абсолютной погрешности метода прямоугольников.
Для модификации метода рассмотрим формулы.
Определение 2
∫ a b f (x) d x ≈ h · ∑ i = 0 n - 1 f (x i) является формулой левых треугольников.
∫ a b f (x) d x ≈ h · ∑ i = 1 n f (x i) является формулой правых треугольников.
Рассмотрим на примере рисунка, приведенного ниже.
Отличием метода средних прямоугольников считается выбор точек не по центру, а на левой и правой границах данных элементарных отрезков.
Такая абсолютная погрешность методов левых и правых треугольников можно записать в виде
δ n ≤ m a x x ∈ [ a ; b ] f " (x) · h 2 · n 2 = m a x x ∈ [ a ; b ] f " (x) · (b - a) 2 2 n
Необходимо рассмотреть решение примеров, где нужно вычислять примерное значение имеющегося определенного интеграла при помощи метода прямоугольников. Рассматривают два типа решения заданий. Суть первого случая – задание количества интервалов для разбивания отрезка интегрирования. Суть второго заключается в наличии допустимой абсолютной погрешности.
Формулировки задач выглядят следующим образом:
Рассмотрим решения в обоих случаях.
В качестве примера выбрали задания, которые поддаются преобразованию для нахождения их первообразных. Тогда появляется возможность вычисления точного значения определенного интеграла и сравнения с приближенным значением при помощи метода прямоугольников.
Пример 1
Произвести вычисление определенного интеграла ∫ 4 9 x 2 sin x 10 d x при помощи метода прямоугольников, разбивая отрезок интегрирования на 10 частей.
Решение
Из условия имеем, что a = 4 , b = 9 , n = 10 , f (x) = x 2 sin x 10 . Для применения ∫ a b f (x) d x ≈ h · ∑ i = 1 n f x i - 1 + h 2 необходимо вычислить размерность шага h и значение функции f (x) = x 2 sin x 10 в точках x i - 1 + h 2 , i = 1 , 2 , . . . , 10 .
Вычисляем значение шага и получаем, что
h = b - a n = 9 - 4 10 = 0 . 5 .
Потому как x i - 1 = a + (i - 1) · h , i = 1 , . . . , 10 , тогда x i - 1 + h 2 = a + (i - 1) · h + h 2 = a + i - 0 . 5 · h , i = 1 , . . . , 10 .
Так как i = 1 , то получаем x i - 1 + h 2 = x 0 + h 2 = a + (i - 0 . 5) · h = 4 + (1 - 0 . 5) · 0 . 5 = 4 . 25 .
После чего необходимо найти значение функции
f x i - 1 + h 2 = f x 0 + h 2 = f (4 . 25) = 4 . 25 2 sin (4 . 25) 10 ≈ - 1 . 616574
При i = 2 получаем x i - 1 + h 2 = x 1 + h 2 = a + i - 0 . 5 · h = 4 + (2 - 0 . 5) · 0 . 5 = 4 . 75 .
Нахождение соответствующего значения функции получает вид
f x i - 1 + h 2 = f x 1 + h 2 = f (4 . 75) = 4 . 75 2 sin (4 . 75) 10 ≈ - 2 . 254654
Представим эти данные в таблице, приведенной ниже.
| i | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| x i - 1 + h 2 | 4 . 25 | 4 . 75 | 5 . 25 | 5 . 75 | 6 . 25 |
| f x i - 1 + h 2 | - 1 . 616574 | - 2 . 254654 | - 2 . 367438 | - 1 . 680497 | - 0 . 129606 |
| i | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| x i - 1 + h 2 | 6 . 75 | 7 . 25 | 7 . 75 | 8 . 25 | 8 . 75 |
| f x i - 1 + h 2 | 2 . 050513 | 4 . 326318 | 5 . 973808 | 6 . 279474 | 4 . 783042 |
Значения функции необходимо подставить в формулу прямоугольников. Тогда получаем, что
∫ 4 9 x 2 sin x 10 d x ≈ h · ∑ i = 1 n f x i - 1 + h 2 = = 0 . 5 · - 1 . 616574 - 2 . 25654 - 2 . 367438 - 1 . 680497 - 0 . 129606 + + 2 . 050513 + 4 . 326318 + 5 . 973808 + 6 . 279474 + 4 . 783042 = = 7 . 682193
Исходный интеграл можно вычислить при помощи формулы Ньютона-Лейбница. Получаем, что
∫ 4 9 x 2 · sin x 10 d x = - 1 10 x 2 · cos x + 1 5 x · sin x + 1 5 cos x 4 9 = = 7 5 cos 4 - 4 5 sin 4 - 79 10 cos 9 + 9 5 sin 9 ≈ 7 . 630083
Находим первообразную выражения - 1 10 x 2 · cos x + 1 5 x · sin x + 1 5 cos x соответствующую функции f (x) = x 2 sin x 10 . Нахождение производится методом интегрирования по частям.
Отсюда видно, что определенный интеграл отличается от значения, полученном при решении методом прямоугольников, где n = 10 , на 6 долей единицы. Рассмотрим на рисунке, приведенном ниже.
Пример 2
Вычислить приближенного значение определенного интеграла ∫ 1 2 (- 0 . 03 x 3 + 0 . 26 x - 0 . 26) d x при помощи метода левых и правых прямоугольников с точностью до одной сотой.
Решение
Из условия мы имеем, что a = 1 , b = 2 и f (x) = - 0 . 03 x 3 + 0 . 26 x - 0 . 26 .
Для применения формулы правых и левых прямоугольников нужно знать размерность шага h , а для его вычисления разбиваем отрезок интегрирования на n отрезков. По условию имеем, что точность должна быть до 0 , 01 , тогда нахождение n возможно при помощи оценки абсолютной погрешности методов левых и правых прямоугольников.
Известно, что δ n ≤ m a x x ∈ [ a ; b ] f " (x) · (b - a) 2 2 n . Для достижения необходимой степени точности необходимо найти такое значение n , для которого неравенство m a x x ∈ [ a ; b ] f " (x) · (b - a) 2 2 n ≤ 0 . 01 будет выполнено.
Найдем наибольшее значение модуля первой производной, то есть значение m a x x ∈ [ a ; b ] f " (x) подынтегральной функции f (x) = - 0 . 03 x 3 + 0 . 26 x - 0 . 26 , определенной на отрезке [ 1 ; 2 ] . В нашем случае необходимо выполнить вычисления:
f " (x) = - 0 . 03 x 3 + 0 . 26 x - 0 . 26 " = - 0 . 09 x 2 + 0 . 26
Парабола является графиком подынтегральной функции с ветвями, направленными вниз, определенная на отрезке [ 1 ; 2 ] , причем с монотонно убывающим графиком. Необходимо произвести вычисление модулей значений производных на концах отрезков, а из них выбрать наибольшее значение. Получаем, что
f " (1) = - 0 . 09 · 1 2 + 0 . 26 = 0 . 17 f " (2) = - 0 . 09 · 2 2 + 0 . 26 = 0 . 1 → m a x x ∈ [ 1 ; 2 ] f " (x) = 0 . 17
Решение сложных подынтегральных функций подразумевает обращение к разделу наибольше и наименьшее значение функции.
Тогда получаем, что наибольшее значение функции имеет вид:
m a x x ∈ [ a ; b ] f " (x) · (b - a) 2 2 n ≤ 0 . 01 ⇔ ⇔ 0 . 17 · (2 - 1) 2 2 n ≤ 0 . 01 ⇔ 0 . 085 n ≤ 0 . 01 ⇔ n ≥ 8 . 5
Дробность числа n исключается, так как n является натуральным числом. Чтобы прийти к точности 0 . 01 , используя метод правых и левых прямоугольников, не обходимо выбирать любое значение n . Для четкости расчетов возьмем n = 10 .
Тогда формула левых прямоугольников примет вид ∫ a b f (x) d x ≈ h · ∑ i = 0 n - 1 f (x i) , а правых - ∫ a b f (x) d x ≈ h · ∑ i = 1 n f (x i) . Для применения их на практике необходимо найти значение размерности шага h и f (x i) , i = 0 , 1 , . . . , n , где n = 10 .
Получим, что
h = b - a n = 2 - 1 10 = 0 . 1
Определение точек отрезка [ a ; b ] производится с помощью x i = a + i · h , i = 0 , 1 , . . . , n .
При i = 0 , получаем x i = x 0 = a + i · h = 1 + 0 · 0 . 1 = 1 и f (x i) = f (x 0) = f (1) = - 0 . 03 · 1 3 + 0 . 26 · 1 - 0 . 26 = - 0 . 03 .
При i = 1 , получаем x i = x 1 = a + i · h = 1 + 1 · 0 . 1 = 1 . 1 и f (x i) = f (x 1) = f (1 . 1) = - 0 . 03 · (1 . 1) 3 + 0 . 26 · (1 . 1) - 0 . 26 = - 0 . 01393 .
Вычисления производятся до i = 10 .
Вычисления необходимо представить в таблице, приведенной ниже.
| i | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| x i | 1 | 1 . 1 | 1 . 2 | 1 . 3 | 1 . 4 | 1 . 5 |
| f (x i) | - 0 . 03 | - 0 . 01393 | 0 . 00016 | 0 . 01209 | 0 . 02168 | 0 . 02875 |
| i | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| x i | 1 . 6 | 1 . 7 | 1 . 8 | 1 . 9 | 2 |
| f (x i) | 0 . 03312 | 0 . 03461 | 0 . 03304 | 0 . 02823 | 0 . 02 |
Подставим формулу левых треугольников
∫ 1 2 (- 0 . 03 x 3 + 0 . 26 x - 0 . 26) d x ≈ h · ∑ i = 0 n - 1 f (x i) = = 0 . 1 · - 0 . 03 - 0 . 01393 + 0 . 00016 + 0 . 01209 + 0 . 02168 + + 0 . 02875 + 0 . 03312 + 0 . 03461 + 0 . 03304 + 0 . 02823 = = 0 . 014775
Подставляем в формулу правых треугольников
∫ 1 2 (- 0 . 03 x 3 + 0 . 26 x - 0 . 26) d x ≈ h · ∑ i = 1 n f (x i) = = 0 . 1 · - 0 . 01393 + 0 . 00016 + 0 . 01209 + 0 . 02168 + 0 . 02875 + + 0 . 03312 + 0 . 03461 + 0 . 03304 + 0 . 02823 + 0 . 02 = 0 . 019775
Произведем вычисление по формуле Ньютона-Лейбница:
∫ 1 2 (- 0 . 03 x 3 + 0 . 26 x - 0 . 26) d x = = - 0 . 03 x 4 4 + 0 . 13 x 2 - 0 . 26 x 1 2 = 0 . 0175
Рассмотрим рисунок, приведенный ниже.
Нахождение наибольшего значения модуля первой производной является трудоемкой работой, поэтому можно исключить использование неравенства для оценивания абсолютной погрешности и методов численного интегрирования. Разрешено применять схему.
Берем значение n = 5 для вычисления приближенного значения интеграла. Необходимо удвоить количество отрезков интегрирования, тогда n = 10 , после чего производится вычисление примерного значения. необходимо найти разность этих значений при n = 5 и n = 10 . Когда разность не соответствует требуемой точности, то приближенным значением считается n = 10 с округлением до десятка.
Когда погрешность превышает необходимую точность, то производится удваивание n и сравнивание приближенных значений. Вычисления производятся до тех пор, пока необходимая точность не будет достигнута.
Для средних прямоугольников выполняются аналогичные действия, но вычисления на каждом шаге требуют разности полученных приближенных значений интеграла для n и 2 n . Такой способ вычисления называется правилом Рунге.
Произведем вычисление интегралов с точностью до одной тысячной при помощи метода левых прямоугольников.
При n = 5 получаем, что ∫ 1 2 (- 0 . 03 x 3 + 0 . 26 x - 0 . 26) d x ≈ 0 . 0116 , а при n = 10 - ∫ 1 2 (- 0 . 03 x 3 + 0 . 26 x - 0 . 26) d x ≈ 0 . 014775 . Так как имеем, что 0 . 0116 - 0 . 014775 = 0 . 003175 > 0 . 001 , возьмем n = 20 . Получаем, что ∫ 1 2 (- 0 . 03 x 3 + 0 . 26 x - 0 . 26) d x ≈ 0 . 01619375 . Имеем 0 . 014775 - 0 . 01619375 = 0 . 00141875 > 0 . 001 , возьмем значение n = 40 , тогда получим ∫ 1 2 (- 0 . 03 x 3 + 0 . 26 x - 0 . 26) d x ≈ 0 . 01686093 . Имеем, что 0 . 1619375 - 0 . 01686093 = 0 . 00066718 < 0 . 001 , тогда после округления значения проверим, что ∫ 1 2 (- 0 . 03 x 3 + 0 . 26 x - 0 . 26) d x равняется значению 0 , 017 с погрешностью 0 , 001 . Из оценок абсолютных погрешностей видно, что данный метод дает максимальную точность в отличие от метода левых и правых координат для заданного n . Отдается предпочтение методу средних прямоугольников.
Непрерывные подынтегральные функции при бесконечном разделении на отрезки данное приближенно число стремится к точному. Чаще всего такой метод выполняется при помощи специальных программ на компьютере. Поэтому чем больше значение n , тем больше вычислительная погрешность.
Для наиболее точного вычисления необходимо выполнять точные промежуточные действия, желательно с точностью до 0 , 0001 .
Для вычисления неопределенного интеграла методом прямоугольников следует применять формулу такого вида ∫ a b f (x) d x ≈ h · ∑ i = 1 n f (ζ i) x i - 1 + h 2 и оценивается абсолютная погрешность с помощью δ n ≤ m a x x ∈ [ a ; b ] f " " (x) · n · h 3 24 = m a x x ∈ [ a ; b ] f " " (x) · b - a 3 24 n 2 .
Для решения с помощью методов правых и левых прямоугольников применяют формулы, имеющие вид, ∫ a b f (x) d x ≈ h · ∑ i = 0 n - 1 f (x i) и ∫ a b f (x) d x ≈ h · ∑ i = 1 n f (x i) . Абсолютная погрешность оценивается при помощи формулы вида δ n ≤ m a x x ∈ [ a ; b ] f " (x) · h 2 · n 2 = m a x x ∈ [ a ; b ] f " (x) · b - a 2 2 n .
Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
Вычисление определенных интегралов по формуле Ньютона-Лейбница не всегда возможно. Многие подынтегральные функции не имеют первообразных в виде элементарных функций, поэтому мы во многих случаях не можем найти точное значение определенного интеграла по формуле Ньютона-Лейбница. С другой стороны, точное значение не всегда и нужно. На практике нам часто достаточно знать приближенное значение определенного интеграла с некоторой заданной степенью точности (например, с точностью до одной тысячной). В этих случаях нам на помощь приходят методы численного интегрирования, такие как метод прямоугольников, метод трапеций , метод Симпсона (парабол) и т.п.
В этой статье подробно разберем для приближенного вычисления определенного интеграла.
Сначала остановимся на сути этого метода численного интегрирования, выведем формулу прямоугольников и получим формулу для оценки абсолютной погрешности метода. Далее по такой же схеме рассмотрим модификации метода прямоугольников, такие как метод правых прямоугольников и метод левых прямоугольников. В заключении рассмотрим подробное решение характерных примеров и задач с необходимыми пояснениями.
Навигация по странице.
Пусть функция y = f(x) непрерывна на отрезке . Нам требуется вычислить определенный интеграл .
Как видите, точное значение определенного интеграла отличается от значения, полученного по методу прямоугольников для n = 10 , менее чем на шесть сотых долей единицы.
Графическая иллюстрация.
Пример.
Вычислите приближенное значение определенного интеграла 
методами левых и правых прямоугольников с точностью до одной сотой.
Решение.
По условию имеем a = 1, b = 2 , .
Чтобы применить формулы правых и левых прямоугольников нам необходимо знать шаг h , а чтобы вычислить шаг h необходимо знать на какое число отрезков n разбивать отрезок интегрирования. Так как в условии задачи нам указана точность вычисления 0.01 , то число n мы можем найти из оценки абсолютной погрешности методов левых и правых прямоугольников.
Нам известно, что 
. Следовательно, если найти n
, для которого будет выполняться неравенство 
, то будет достигнута требуемая степень точности.
Найдем - наибольшее значение модуля первой производной подынтегральной функции на отрезке
. В нашем примере это сделать достаточно просто.
Графиком функции производной подынтегральной функции является парабола, ветви которой направлены вниз, на отрезке
ее график монотонно убывает. Поэтому достаточно вычислить модули значения производной на концах отрезка и выбрать наибольшее:
В примерах со сложными подынтегральными функциями Вам может потребоваться теория раздела .
Таким образом:
Число n не может быть дробным (так как n – натуральное число – количество отрезков разбиения интервала интегрирования). Поэтому, для достижения точности 0.01 по методу правых или левых прямоугольников, мы можем брать любое n = 9, 10, 11, … Для удобства расчетов возьмем n = 10 .
Формула левых прямоугольников имеет вид 
, а правых прямоугольников 
. Для их применения нам требуется найти h
и 
для n = 10
.
Итак, 
Точки разбиения отрезка определяются как .
Для i = 0 имеем и .
Для i = 1 имеем и .
Полученные результаты удобно представлять в виде таблицы:
Подставляем в формулу левых прямоугольников:
Подставляем в формулу правых прямоугольников:
Вычислим точное значение определенного интеграла по формуле Ньютона-Лейбница:
Очевидно, точность в одну сотую соблюдена.
Графическая иллюстрация.
Замечание.
Во многих случаях нахождение наибольшего значения модуля первой производной (или второй производной для метода средних прямоугольников) подынтегральной функции на отрезке интегрирования является очень трудоемкой процедурой.
Поэтому можно действовать без использования неравенства для оценки абсолютной погрешности методов численного интегрирования. Хотя оценки предпочтительнее.
Для методов правых и левых прямоугольников можно использовать следующую схему.
Берем произвольное n (например, n = 5 ) и вычисляем приближенное значение интеграла. Далее удваиваем количество отрезков разбиения интервала интегрирования, то есть, берем n = 10 , и вновь вычисляем приближенное значение определенного интеграла. Находим разность полученных приближенных значений для n = 5 и n = 10 . Если абсолютная величина этой разности не превышает требуемой точности, то в качестве приближенного значения определенного интеграла берем значение при n = 10 , предварительно округлив его до порядка точности. Если же абсолютная величина разности превышает требуемую точность, то вновь удваиваем n и сравниваем приближенные значения интегралов для n = 10 и n = 20 . И так продолжаем до достижения требуемой точности.
Для метода средних прямоугольников действуем аналогично, но на каждом шаге вычисляем треть модуля разности полученных приближенных значений интеграла для n и 2n . Этот способ называют правилом Рунге.
Вычислим определенный интеграл из предыдущего примера с точностью до одной тысячной по методу левых прямоугольников.
Не будем подробно останавливаться на вычислениях.
Для n = 5
имеем 
, для n = 10
имеем 
.
Так как , тогда берем n = 20
. В этом случае 
.
Так как , тогда берем n = 40
. В этом случае 
.
Так как , то, округлив 0.01686093
до тысячных, утверждаем, что значение определенного интеграла равно 0.017
с абсолютной погрешностью 0.001
.
В заключении остановимся на погрешности методов левых, правых и средних прямоугольников более детально.
Из оценок абсолютных погрешностей видно, что метод средних прямоугольников даст большую точность, чем методы левых и правых прямоугольников для заданного n . В то же время, объем вычислений одинаков, так что использование метода средних прямоугольников предпочтительнее.
Если говорить о непрерывных подынтегральных функциях, то при бесконечном увеличении числа точек разбиения отрезка интегрирования приближенное значение определенного интеграла теоретически стремиться к точному. Использование методов численного интегрирования подразумевает использование вычислительной техники. Поэтому следует иметь в виду, что при больших n начинает накапливаться вычислительная погрешность.
Еще заметим, если Вам требуется вычислить определенный интеграл с некоторой точностью, то промежуточные вычисления проводите с более высокой точностью. Например, Вам требуется вычислить определенный интеграл с точностью до одной сотой, тогда промежуточные вычисления проводите с точностью как минимум до 0.0001 .
Подведем итог.
При вычислении определенного интеграла методом прямоугольников (методом средних прямоугольников) пользуемся формулой 
и оцениваем абсолютную погрешность как .
Для метода левых и правых прямоугольников пользуемся формулами и соответственно. Абсолютную погрешность оцениваем как .
