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多种方法来数值计算定积分
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作者:
2744557306
时间:
2024-9-30 10:39
标题:
多种方法来数值计算定积分
这段代码展示了在 MATLAB 中使用多种方法来数值计算定积分的过程,包括使用 `inline` 函数、M 函数以及符号积分。下面是每个部分的详细解析:
6 g7 V' V P# [6 b' Y I
0 F/ x, W1 f9 u/ m3 W
### 1. 使用 `inline` 函数定义被积函数
6 J, D9 C! G2 V, N
```matlab
7 e5 n4 L. u0 D k T* h2 v! f
f = inline('2/sqrt(pi)*exp(-x.^2)', 'x');
v9 m/ X$ ~$ @3 Q& I+ N
```
9 \, w3 M7 i7 e: B! a$ V
- 这里 `f` 是一个 inline 函数,表示函数 \( f(x) = \frac{2}{\sqrt{\pi}} e^{-x^2} \)。`inline` 函数虽然在早期版本的 MATLAB 中常用,现已逐渐被 `anonymous functions` 取代。
$ ?0 I; a/ N/ X( c: w' y
* Y- G5 w4 J5 d* C2 A, \6 O
### 2. 数值积分
$ C; @6 @' o7 ?8 E
```matlab
& K( b5 W* l" F# J
y = quad(f, 0, 1.5); % 使用 inline 函数进行数值积分
4 X% ?' N: h5 `
```
$ i6 w: A) q: e) @" d( u# t
- `quad` 是用于数值积分的 MATLAB 函数,这里它对函数 `f` 在区间 [0, 1.5] 上进行积分。
" q( Q: T" M% \# Q
3 w* s% K* S% y) K2 R* j
### 3. 使用 M 函数定义被积函数
* T5 Y2 t! m, [' ?- G
```matlab
! F) {, ^1 }* O0 r) x
y = quad('c3ffun', 0, 1.5); % 使用 M 函数进行数值积分
3 W8 C9 y7 j- M% U' w/ o1 s
```
, |9 W( q! C5 w. F
- 这里的 `c3ffun` 应该是一个用户定义的 M 文件函数,必须在 MATLAB 的路径中。如果这是一个定义了与 `f` 相同数学表达式的函数,`quad` 函数将调用该文件进行积分。
/ o) \# |3 \0 J( w' V5 W
6 R- j, B; e$ [
### 4. 使用符号积分
; y- [3 P) z3 j- F* ` i1 k
```matlab
( Z) k' I/ V! P5 a4 k; j8 }# u
syms x, y0 = vpa(int(2/sqrt(pi)*exp(-x^2), 0, 1.5), 60);
4 w) ], e; ]8 |4 p! @$ @
```
; I& x7 f( {; h- u6 P6 J2 p' _- ]
- `syms x` 定义了符号变量 `x`。
3 g. W3 ]# W. u
- `int(...)` 计算了公式的定积分,`vpa(..., 60)` 将结果以高精度形式输出,保留60位有效数字。
8 S9 O& t0 w0 `4 x! B
% e0 Y9 Z7 F) q5 R5 }2 E( w9 O
### 5. 使用 `quad` 函数设置高精度
% k. U! y1 t0 W, `) V+ o
```matlab
% c0 Z: O9 J3 f5 d
y = quad(f, 0, 1.5, 1e-20); % 设置高精度积分,但方法失效
4 q8 a0 o* {' T% _
```
5 R& Q9 l; N& i) ^7 n
- 尝试在 `quad` 函数中设置一个非常小的容忍度(`1e-20`)来提高积分精度。
- w& K2 x7 h! `4 N/ i7 W
- 但是,这种写法可能会导致积分不成功,`quad` 函数有时在处理非常小的相对误差时可能不稳定。
* d# G+ H' r7 v! f4 T- t" a& {
4 U8 E9 k% J# m* r( }
### 解决方法与建议
* t" `, L b5 A, `
1. **替代 `inline` 函数**: 推荐使用 `@(x)` 的结构定义匿名函数。例如:
1 _, c2 M3 h# x3 j
```matlab
7 k" P' r U9 J+ Q9 Z
f = @(x) 2/sqrt(pi) * exp(-x.^2);
* c7 I G- f9 g+ [/ V) d0 P" b# C/ Z4 u
```
( X2 d2 I: H/ `" y$ h: c
2 H+ |0 F. [) `5 p( j
2. **使用 `integral` 函数**: 近年来,MATLAB 推出了 `integral` 函数,它比 `quad` 更为强大和可靠,特别是对于不规则的积分区域或高度振荡的函数。可以这样使用:
4 d2 X3 s$ L: Y2 H/ N& K+ {' M
```matlab
( t1 r1 M i0 O8 M! \# I
y = integral(f, 0, 1.5);
# l! u% r& N1 J3 [1 N
```
) w# `- P4 N& Y( g9 t
/ H5 B0 \2 T8 V, s, r2 C& U: G
3. **优化高精度设置**: 尝试使用 `quadgk`(高斯克鲁特方法)进行高精度计算:
* L* ]3 Q* y% ^9 u( X
```matlab
# R$ F( a3 {0 M( }/ C- Q
y = quadgk(f, 0, 1.5, 'RelTol', 1e-20);
( H2 ?$ a; d9 J- \2 R0 K
```
2 [8 W/ n/ F# S$ ?
% k% P4 e0 h6 O" h" c
### 总结
, B# T5 R0 ]0 _1 N2 x9 i
这段代码演示了多种在 MATLAB 环境中进行定积分计算的方法,包括传统的 `inline` 函数和符号计算,能够帮助研究者比较不同方法的结果和精度。为了提高稳定性和精确度,使用更现代的方法和函数是推荐的做法。
; I" o- l, {5 O
6 t n' J# G$ [& r$ n
9 o! o- w/ h% w9 q2 ?
* O: a0 P5 P4 I. w( O# ]0 F
examp3_30.m
2024-9-30 10:36 上传
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