談談如何解決沒有初等原函數的定積分

2021-01-11 電子通信和數學

牛頓-萊布尼茲公式告訴了我們求積分的方法,但不是所有的函數都是可積的,其中蘇聯數學家切比雪夫在這方面做了深入的研究,例如像sinx/x和(1+x^4)^1/2就沒有初等表達式(或稱之為反導數),這不僅意味著不能對sinx/x和(1+x^4)^1/2應用牛頓-萊布尼茲公式,而是意味著根本不存在這樣的初等表達式。

但數學家是非常聰明的,當不能用牛頓-萊布尼茲求定積分時,我們轉向本篇要敘述的梯形法來解答這類的數值問題。以及這些方法的實際應用價值,給你不一樣的數學視野。本篇相當簡單,你會切身體會它的使用價值。

梯形逼近:

當我們必須對f積分而又求不出它的一個可用的反導數(初等原函數)時,我們就分隔積分區間,在每個子區間上用十分擬合的多項式代替f,積分多項式,並且把結果相加以逼近f的積分,我們從給出梯形的直線段開始。

像下圖所顯示的那樣,如果把(a,b)分割為長度皆為h=(b-a)/n的n個子區間,f在(a,b)上的圖像在每個子區間上可用直線段逼近。

因此在曲線和x軸之間的區域可用梯形組逼近,每個梯形的面積是水平方向的「高度」和垂直方向的兩個「底」的平均值的乘積,我們把梯形面積相加,x軸上方的面積看做正;而x軸下方的面積看做負的:

其中

梯形法說的是:用T估計f從a到b的積分

所以總結:梯形法為逼近

我們用

各y在f的分點是

的函數值,其中h=(b-a)/n

我們使用n=4時的梯形法估計如下定積分的值

分隔(1,2)成四個等長的子區間,再求x^2在每個分點的值

在梯形法中利用這些y值,n=4和h=(2-1)/4=1/4,我們有

積分的精確值是

可以發現它們相對發誤差值是:(2.34375-7/3)/(7/3)=0.00446

我們可以預見梯形法給出例子中積分過剩的估計,因為拋物線從上看是凹的,逼近線段位於曲線上方,每個梯形就給出比對應曲線下的帶形稍大的面積。

我們再來看一個有關平均值得實例:

觀察者從中午到下午每隔一小時測量一次室外溫度,那麼12小時周期內的平均溫度是多少呢?

我們考察一個連續函數的平均值,需要用到如下簡單的微積分中值定理

但上述是函數在間隔為1個單位的離散時刻的值,就無法使用中值定理,所以運用梯形法就很方便

用梯形法逼近微積分中值定理,我們得到

最終得到平均溫度是65度

下一篇將討論拋物線來,看它和梯形法有什麼不同。

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    *所選題目源自資料《高等數學(高等教育,第四版)》《高等數學(同濟大學)》《微積分(中人大,第四版)》《概率論與數理統計(浙大,四版)》《概率論與數理統計(中國農業大學)》《線性代數(工程數學,同濟大學)》《線性代數(中人大,第四版)》《複變函數與積分變換(高等教育)》。