Föreläsning 10, Numme K2, GNM Kap 6 Integraler & GNM 8:3C Richardsonextrapolation

Relevanta dokument
Denna föreläsning. DN1212 Numeriska metoder och grundläggande programmering FN Linjära ekvationssystem. Repetition av FN3 (GNM kap 4.

Analys grundkurs B lab 1. Stefan Gustafsson Per Jönsson Fakulteten för Teknik och Samhälle, 2013

Integraler. 1 Inledning. 2 Beräkningsmetoder. CTH/GU LABORATION 2 MVE /2013 Matematiska vetenskaper

Laborationstillfälle 3 Numerisk integration

Löpsedel: Integraler. Block 4: Integraler. Lärobok. Exempel (jfr lab) Exempel (jfr lab) Integrering i Matlab

Numerisk Integration En inledning för Z1

SF1625 Envariabelanalys

Tillämpning - Ray Tracing och Bézier Ytor. TANA09 Föreläsning 3. Icke-Linjära Ekvationer. Ekvationslösning. Tillämpning.

SF1625 Envariabelanalys

TATA42: Tips inför tentan

Integralen. f(x) dx exakt utan man får nöja sig med att beräkna

Läsanvisningar för MATEMATIK I, ANALYS

Preliminär version 2 juni 2014, reservation för fel. Tentamen i matematik. Kurs: MA152G Matematisk Analys MA123G Matematisk analys för ingenjörer

Tillämpning av integraler

1 e x2. lim. x ln(1 + x) lim. 1 (1 x 2 + O(x 4 )) = lim. x 0 x 2 /2 + O(x 3 ) x 2 + O(x 4 ) = lim. 1 + O(x 2 ) = lim = x = arctan x 1

13 Generaliserade dubbelintegraler

9. Bestämda integraler

f(x)dx definieras som arean av ytan som begränsas av y = f(t), y = 0, t = a och t = b, se figur.

Några integraler. Kjell Elfström. x = f 1 (y) = arcsin y. . 1 y 2 Vi låter x och y byta roller och formulerar detta resultat som en sats: cos x = 1

V1. Intervallet [a,b] är ändligt, dvs gränserna a, b är reella tal och INTE ±. är begränsad i intervallet [a,b].

Vilken rät linje passar bäst till givna datapunkter?

============================================================ V1. Intervallet [a,b] är ändligt, dvs gränserna a, b är reella tal och INTE.

Mat Grundkurs i matematik 1, del III

FÖRSÄTTSBLAD TILL TENTAMEN. ELLER (fyll bara i om du saknar tentamenskod): Datum: 21 december Bordsnummer:

Sats 3: Egenskaper. (a) (b) f(x) dx = 2 f(x) dx. (c) (Af(x) + Bg(x))dx. g(x) dx = A. (d) (e) Om a b och f(x) g(x) (f) Triangelolikheten: Om a b

V1. Intervallet [a,b] är ändligt, dvs gränserna a, b är reella tal och INTE ±. är begränsad i intervallet [a,b].

Skriv tydligt! Uppgift 1 (5p)

Volum av rotationskroppar. Båglängd, rotationsytor. Adams 7.1, 7.2, 7.3

Teorifrå gor kåp

19 Integralkurvor, potentialer och kurvintegraler i R 2 och R 3

PASS 1. RÄKNEOPERATIONER MED DECIMALTAL OCH BRÅKTAL

TATA42: Föreläsning 4 Generaliserade integraler

Area([a; b] [c; d])) = (b a)(d c)

TATA42: Föreläsning 4 Generaliserade integraler

Generaliserade integraler

Sidor i boken

Tentamen i Analys B för KB/TB (TATA09/TEN1) kl 08 13

Analys 360 En webbaserad analyskurs Grundbok. Integralkalkyl. MatematikCentrum LTH

24 Integraler av masstyp

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen 8 juni 2011, Svar och lösningsförslag

TENTAMEN. Matematik för basår I. Massimiliano Colarieti-Tosti, Niclas Hjelm & Philip Köck :00-12:00

Laboration i matematik Envariabelanalys 2

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen T Erlandsson

Rationella uttryck. Förlängning och förkortning

Mat Grundkurs i matematik 1, del III

14. MINSTAKVADRATMETODEN

Frågor för tentamen EXTA50 Samhällsmätning, 9 hp, kl januari, 2015.

Integraler. Integraler. Integraler. Integraler. Exempel (jfr lab) Integrering i Matlab. Från labben: Informationsteknologi. Beräkningsvetenskap I/KF

Svar till uppgifter 42 SF1602 Di. Int.

Föreläsning 8: Extrempunkter

UPPTÄCK OCH DEFINIERA SAMBANDET MELLAN TVÅ OMRÅDEN SOM DELAS AV GRAFEN TILL EN POTENSFUNKTION

0 a. a -Â n 2 p n. beskriver på sedvanligt sätt en a-periodisk utvidgning av f. Nedanför ritas en partialsumma av Fourierserien.

MATEMATISK STATISTIK I FORTSÄTTNINGSKURS. Tentamen måndagen den 17 oktober 2016 kl 8 12

Derivata och integral tolkning av definitionerna med hjälp av Maxima. Per Jönsson, Malmö högskola

============================================================ V1. Intervallet [a,b] är ändligt, dvs gränserna a, b är reella tal och INTE ±.

Gör slag i saken! Frank Bach

Trigonometri. 2 Godtyckliga trianglar och enhetscirkeln 2. 3 Triangelsatserna Areasatsen Sinussatsen Kosinussatsen...

Läsanvisningar till kapitel

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Genomgånget på föreläsningarna Föreläsning 16-17, 2010:

Integraler och statistik

Grundläggande matematisk statistik

Inledande kurs i matematik, avsnitt P.6. Vi ritar upp enhetscirkeln och vinkeln 2π 3.

Repetitionsuppgifter i matematik

Matematisk statistik för B, K, N, BME och Kemister

Diskreta stokastiska variabler

Inför tentamen i Analys I och II, TNA008

Användande av formler för balk på elastiskt underlag

6 Greens formel, Stokes sats och lite därtill

x = x = x = x=3 x=5 x=6 42 = 10x x + 10 = 15 x = = 20 x = 65 x + 36 = 46

Volym och dubbelintegraler över en rektangel

Intervallhalveringsmetoden, GKN sid 73. Sekantmetoden, GKN sid 79

Gauss och Stokes analoga satser och fältsingulariteter: källor och virvlar Mats Persson

Mat Grundkurs i matematik 1, del II

Lösningar och kommentarer till uppgifter i 1.2

Tyngdkraftfältet runt en (stor) massa i origo är. F(x, y, z) =C (x 2 + y 2 + z 2 ) 3 2

Kan det vara möjligt att med endast

MATEMATIKPROV, LÅNG LÄROKURS BESKRIVNING AV GODA SVAR

Matematisk statistik för B, K, N, BME och Kemister. Matematisk statistik slumpens matematik. Exempel: Utsläpp från Källby reningsverk.

9. Vektorrum (linjära rum)

Matematisk analys, laboration III. Per Jönsson Teknik och Samhälle, Malmö Högskola

Finaltävling den 20 november 2010

14 Trippelintegraler integration av funktioner av tre variabler

Byt till den tjocka linsen och bestäm dess brännvidd.

f(x + h) f(x) h f(x) f(x h) h

KTH Teknikvetenskap Fotografi-lab 3

Sfärisk trigonometri

Uppgiftssamling 5B1493, lektionerna 1 6. Lektion 1

GEOMETRISKA VEKTORER Vektorer i rummet.

Integration: Kvadratur

Dnr 6/002/2006. Till pensionsstiftelser som bedriver tilläggspensionsskydd och är underställda lagen om pensionsstiftelser

Lösningsförslag till deltentamen i IM2601 Fasta tillståndets fysik. Torsdagen den 15 mars, Teoridel

Där a mol av ämnet A reagerar med b mol av B och bildar c mol av C och d mol av D.

Materiens Struktur. Lösningar

Analys 360 En webbaserad analyskurs Grundbok. X. Integralkalkyl. MatematikCentrum LTH

Avsnitt 3. Determinanter. Vad är en determinant? Snabbformler för små determinanter

Tavelpresentation grupp 5E

y > 0, 0 < y <1 y växande, 0 < y < 1

NATIONELLT KURSPROV I MATEMATIK KURS C VÅREN Del I, 10 uppgifter utan miniräknare 4. Del II, 8 uppgifter med miniräknare 6

Kontinuerliga variabler

Exponentiella förändringar

Transkript:

Föreläsning, Numme K2, 72 GNM Kp 6 Integrler & GNM 8:C Richrdsonextrpoltion yc yd y y y2 yb H c d b A = H ( ) y +y 2 = H 2 { h 2 y + } A = A +A 2 +A = 2 y 2 = h 2 y +y c +y d + 2 y b 2 (y +y c )+ h 2 (y c +y d )+ h } 2 (y d +y b ) }, h = c = d c = b d b f(x)dx T(h) = Trpetsregeln T(h) = h 2 f()+f(+h)+ f(+2h)+ +f(b h)+ } 2 f(b) b E trunk,t(h) = f(x)dx T(h) = c h 2 +c 2 h 4 +c h 6 + T(h) br pproximtion v b f(x)dx om streck-kurvn liknr f(x) Prktisk integrl-skttning : svr = T(h) Rätt säkert om E trunk minskr med fktor 4 E trunk = T(h) T(2h) när steglängden hlvers Prktisk fel-skttning vid metod med konstnt steg h: svr = (h), E trunk = (h) (2h) Rätt säkert om E trunk = c h p + och (4h) (2h) (2h) (h) 2p Fst då kn mn (oftst) få ett bättre svr med Richrdsonextrpoltion! För trpetsregeln gäller I = f(x)dx T(h) = I +c h 2 +c 2 h 4 +c h 6 + T(2h) = I +c (2h) 2 +c 2 (2h) 4 +c (2h) 6 + = I +4c h 2 +6c 2 h 4 +64c h 6 + 4T(h) T(2h) = I +h 2 2c 2 h 4 6c h 6 + (4T(h) T(2h)) = I +h 2 4c 2 h 4 2c h 6 + ˆT(h) = T(h)+ (T(h) T(2h)) = I + c h 4 + c 2 h 6 + E trunk,ˆt(h) = c h 4 + c 2 h 6 +

Om h < så är h 4 h 2 dvs troligen ett mycket mindre trunkeringsfel Men inte säkert! Om trunkeringsfelet i T(h) inte dominerdes v c h 2 utn v c 2 h 4 så hr felet blivit cirk fyr gånger större i ˆT(h) än det vr i T(h) Mn måste lltså koll vd som dominerr trunkeringsfelet och sedn eliminer den termen Om E trunk (2h)/E trunk (h) 2 p så vet mn tt termen c p h p dominerr och bör eliminers i först hnd: Richrdson-extrpolering: ˆ(h) hr ett mindre trunkeringsfel än (h) om ˆ(h) = (h)+ (h) (Qh) Q p Trunkeringsfelet i ˆ(h) kn sktts med Etrunk = ˆ(h) ˆ(Qh) och (Q 2 h) (Qh) (Qh) (h) Q p E trunk,t(h) = c h 2 +c 2 h 4 + ˆT(h) = T(h)+ (T(h) T(2h)) ) (ˆT(h) ˆT(2h) E trunk,ˆt(h) = c h 4 + c 2 h 6 + h 4 2 4 = 5 ˆT(h) = ˆT(h)+ 5 E trunk,ˆt(h) = c h 6 + c 2 h 8 + Prktisk integrl-skttning 2: Prktisk integrl-skttning : svr = ˆT(h) E trunk = ˆT(h) ˆT(2h) Rätt säkert om T(4h) T(2h) T(2h) T(h) 4 svr = ˆT(h) E trunk = ˆT(h) ˆT(2h) Rätt säkert om ˆT(4h) ˆT(2h) 6 ˆT(2h) ˆT(h) % INTEGRANDFIL % FLERA TRAPETSER function y=funk(x); = ; b= ; n= ; y= t=; for i=:4; h=(b-)/n; % EN TRAPETSREGEL x=+h*[:n]; y=funk(x); = ; b= ; n= ; t(i)=h*(sum(y)-(y()+y(n+)))/2); h=(b-)/n; n=2*n; x=:h:b; end; y=funk(x); t=t trpets=h*(sum(y)-(y()+y(length(y)))/2) plot(x,y) % KOLL AV LAGOM ANTAL DELAR = ; b= ; n= ; m=4; h=(b-)n; hh=(b-)/m; x=+h*[:n]; xx=+hh*[:m]; y=funk(x); yy=funk(xx); plot(xx,yy,x,y,x,y, o ) Trpetsregeln Inte trpetsmetoden! Richrdson-extrpoltion Förbehndling Uppdelning Kpning Vribelsubstitution Prtiell integrtion qud qud8 qudl Adptiv steglängd 2

Exempel : Numerisk integrtion med trpetsregeln med f(x) = x 5, = och b = 5: n = h = 4 T(4) = 4 2 f()+ } 2 f(5) = 6252 { x 5 dx n = 2 h = 2 T(2) = 2 2 f()+f()+ } 2 f(5) = 62 { n = 4 h = T() = 2 f()+f(2)+f()+f(4)+ } 2 f(5) = 2862 5 Utn Richrdsonextrpoltionskullevi väljt() E trunk = T() T(2) = 2862 62 = 75 E pres = 286 2862 = 2 vilket ger slutsvret 286±76 Richrdsonextrpoltion för hnd gör mn lättst i en tbell: h T(h) / ˆT(h) 4 6252 2 62 264 88 272 2862 75 25 262 2 Innn vi vågr tro på resulttet gör vi två kontroller: Skillndern melln värden för olik h (dvs -värden på en rd) skll minsk när vi extrpolerr 2 -värden i en kolumn skll vt på regelbundet sätt J, skillndern minskr och vi kn koll kvoten i den först -kolumnen: ( 264)/( 75) = 52 J det stämmer, skll vt med ungefär fktorn 4 Vi väljer tt svr med ˆT(h) = 262 med skttningen v trunkeringsfelet till E trunk = 262 272 = 2 (dvs slutsvr 26 ± ) Integrlen kn beräkns nlytiskt, det exkt svret är 264 som ju ligger inom det ngivn intervllet, lltså en korrekt skttning Mtlb hr färdig rutiner för integrlberäkning Då nger mn br funktionsfilens nmn, vilket intervll mn hr och vilken noggrnnhet mn önskr: % Med Mtlbs inbyggd: % Med Mtlbs inbyggd = ; b= ; tol= ; = ; b= ; tol= ; intq=qud( funk,,b,tol) intq8=qud8( funk,,b,tol) Etrunk=tol Etrunk=tol*bs(intq8) Exempel : Ett exempel när förbehndling krävs: (x 5) 8 + dx = + function y=funk(x); tol=e-6; tol=e-6; y=/((x-5)^8+); inte=qud8( funk,,,tol) int=qud8( funk,,,tol); Einte=tol*bs(inte) int2=qud8( funk,,,tol); int=int+int2 Eint=tol*bs(int) Mn får inte = 8645587 och Einte = 86456 4 dvs mn tror mn hr två säkr decimler, men integrlen med fyr korrekt decimler är 8654664 Den inbyggd rutinen hr givit ett resultt vi inte skll tro på (Reltiv felet är 8645587 8654664 /8654664= 977/8654664= 6 ) Dett beror inte på något fel i Mtlb-rutinen utn på tt integrnden/integrlen är för krånglig! Med uppdelningen får vi int = 8654664 och Eint = 86547 4 Ett resultt som är korrekt Det är just för tt vet när/hur mn kn nvänd de färdig rutinern som vi måste förstå grundern i de numerisk metoden De förbehndlingr vi gör är: Uppdelning Kpning Substitution Prtiell integrtion

Exempel 4 : eräkn x 6 +cos 2 dx med fyr säkr decimler (x) Del upp integrlen i två delr, delningspunkten kllr vi : I = x 6 +cos 2 (x) dx = som vnligt, blir enkelt T ±E T när mn vet Andr delintegrlen gör vi en (grov) överskttning v, då vet vi hur mycket fel vi gör om vi skulle ignorer den, dvs kp bort den: I 2 = x 6 +cos 2 (x) dx x 6 dx = [ ] 5x 5 = 5 5 = E kp 5 5 Om = så är E kp 5 5 = 2 5 vilket ryms inom önskd felgräns Om jg sedn beräknr den först delintegrlen med ett fel mindre än 5 blir summn v felen mindre än 5 5 och jg hr tom fem säkr decimler Integrlens värde sktts lltså till T ±(E T +E kp ) = T ± ( E T + 5 5 ) function y=funk4(x); tol=e-6; =; x=:2:; y=/(x^6+(cos(x))^2); i=qud8( funk4,,,tol); y=funk4(x); E=tol*bs(i); plot(x,y) Ekp=/(5*^5); title( Ex4 ) svr=i felgrns=e+ekp Exempel 5 : Följnde integrl är svår för trpetsregeln I = 5 Problemet kn undviks på fler sätt, tex substitution: x = t Sätt x = t 2 = x = t = x = 5 t = = I = 5 dx = 2tdt Nu kn integrlen kn lätt sktts med trpetsregeln En nnn lösning är tt nvänd prtiell integrtion: I = 5 x cos(x) dx = [ 2 x cos(x) ] 5 5 Den ny integrlen kn lätt sktts med trpetsregeln cos(x) x dx ty x = ger division med noll 5 cos(t 2 ) t 2tdt = 2 x ( sin(x)) dx = 2 cos(5)+2 5 5 2 cos(t 2 )dt x sin(x)dx 4 Exempel 6: 4 x dx 6 FUNKTIONSFIL: RESULTERAR I: function y=funk6(x); Recursion level limit level reched in y=x^(-6); Singulrity likely HUVUDPROGRAM: iq = 97588284528e+9 =e-4; b=e4; iq8 = 78677749876e+2 iq=qud( funk6,,b) iql = 226285298658e+9 iq8=qud8( funk6,,b) tot = 279776e+9 iql=qudl( funk6,,b) rtt = 2e+9 tot=; t=; for i=:8; % Direktnropet v qud/qud8/qudl gv fel svr tot=tot+qud8( funk6,t,*t); % Men vi vrndes i smtlig fll! t=*t; % Med uppdelning i delr som blir snll fr vi end; % rtt svr (skillnden till rtt svret r mindre tot % n begrd tolerns)! rtt=/(5*^5)-/(5*b^5) E tb, T(h) (b ) E tb, f(x) E tb, Romberg(h) E tb, T(h) (E tb, Rich(h) 826 E tb, (h) ) 4 c 27 Ninni Crlsund Levin

Lösning till tbellen i Exempel : 5 x 5 dx h T(h) / ˆT(h) /5 ˆT(h) 4 6252 2 62 264 88 272 2862 75 25 262 2 8 264 5 2669 9 64 265 7 265 kvot 52 resp 89 kvot 74 Eftersom ll värden (mellnresultt) vrundts till fyr decimler stör beräkningsfelet fjärde decimlen Med fler siffror i räkningrn får jg: h T(h) / ˆT(h) /5 ˆT(h) 4 6252 2 62 264 88 272 2862 75 25 262 2 8 264 5 266888 92 647 2645 749 5 264 Ånyo ser vi tt sist siffrorn är påverkde v beräkningsfelet (Jg hr vrundt ll mellnresultt till sex decimler, så sjätte decimlen i svret är inte tt lit på Kom ihåg tumregeln tt räkn med minst två extr siffror) Jg svrr 264 med fyr decimler Dett innebär ju E tot = 5 och jg ser tt trunkeringsfelet och och beräkningsfelet ligger också kring sjätte decimlen dvs långt under den gräns jg svrr med 5