Numerisk kvadratur. Newton-Cotes kvadratur. PROBLEM STILLING: Approksimér. I(f) = f(x)dx. hvor f : R R kan Riemann-integreres.

Like dokumenter
Numerisk kvadratur. PROBLEM STILLING: Approksimér. f(x)dx. I(f) = hvor f : R R. Numerisk sett, integralet I(f) = b. f(x)dx approksimeres med en summe

Kvadratur. I(f) = f(x)dx.

Numerisk Integrasjon

Numerisk derivasjon og integrasjon utledning av feilestimater

1 Mandag 25. januar 2010

9.6 Tilnærminger til deriverte og integraler

Integrasjon del 2. October 15, Department of Mathematical Sciences, NTNU, Norway. Integrasjon

Integrasjon av trigonometriske funksjoner

1 Mandag 18. januar 2010

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 8 Numerisk integrasjon

KAPITTEL 9 Approksimasjon av funksjoner

Sammendrag kapittel 1 - Aritmetikk og algebra

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 9 Numerisk integrasjon

1 k 2 + 1, k= 5. i=1. i = k + 6 eller k = i 6. m+6. (i 6) i=1

MAT 100a - LAB 4. Før vi gjør dette, skal vi for ordens skyld gjennomgå Maple-kommandoene for integrasjon (cf. GswM kap. 12).

MAT 100A: Mappeeksamen 4

Temahefte nr. 1. Hvordan du regner med hele tall

a 2πf(x) 1 + (f (x)) 2 dx.

1 Mandag 1. mars 2010

Sensorveiledning Oppgaveverksted 4, høst 2013 (basert på eksamen vår 2011)

LEDDVIS INTEGRASJON OG DERIVASJON AV POTENSREKKER: a n x n. R > 0, med summen s(x). Da gjelder: a n n + 1 xn+1 for hver x < R.

Løsningsforslag til obligatorisk oppgave i ECON 2130

Feilestimeringer. i MAT-INF1100

gir g 0 (x) = 2x + x 2 (x + 3) x x 2 x 1 (x + 3) 2 x 5 + 2x 4 + 6x 3 + x 2 + x + 3 x 2 (x + 3) 2 g(x; y) h(x) F (x; y) =

Integrasjon Fundamentalteoremet Substitusjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

M2, vår 2008 Funksjonslære Integrasjon

Integrasjon Skoleprosjekt MAT4010

LEDDVIS INTEGRASJON OG DERIVASJON AV POTENSREKKER:

Arne B. Sletsjøe. Kompendium, MAT 1012

Arne B. Sletsjøe. Kompendium, MAT 1012

1 Mandag 8. mars 2010

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Lsningsforslag til ving 8. a =

EKSAMEN. 1. klassene, ingenørutdanning og flexing. ANTALL SIDER UTLEVERT: 5(innkl. forside og 2 sider formelark)

Bioberegninger - notat 3: Anvendelser av Newton s metode

Oppfriskningskurs i matematikk 2007

Arne B. Sletsjøe. Kompendium, MAT 1012

Høgskolen i Bergen. Formelsamling. for. ingeniørutdanningen. FOA150 høsten 2006 fellespensum. 3.utgave

Basisoppgaver til Tall i arbeid P kap. 1 Tall og algebra

5: Algebra. Oppgaver Innhold Dato

Kapittel 4.7. Newtons metode. Kapittel 4.8.

Brøkregning og likninger med teskje

Kapittel 4 Kombinatorikk og sannsynlighet. Løsninger til oppgaver i boka. Løsninger til oppgaver i boka

Faktorisering. 1 Hva er faktorisering? 2 Hvorfor skal vi faktorisere? Per G. Østerlie Senter for IKT i utdanningen 11.

Fasit. Grunnbok. Kapittel 2. Bokmål

EKSAMEN. 1. klassene, ingenørutdanning og Flexing. ANTALL SIDER UTLEVERT: 5 (innkl. forside og 2 sider formelark)

Derivasjon. Oversikt over Matematikk 1. Derivasjon anvendelser. Sekantsetningen

x 1, x 2,..., x n. En lineær funksjon i n variable er en funksjon f(x 1, x 2,..., x n ) = a 1 x 1 + a 2 x a n x n,

Løsningsforslag Kollokvium 1

Fasit til utvalgte oppgaver MAT1100, uka 20-24/9

TMA4100 Matematikk1 Høst 2008

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Løsningsforslag til øving 8. a = e m E

Ikke lineære likninger

S1 kapittel 6 Derivasjon Løsninger til oppgavene i boka

Innlevering i TRFE 1000 Frist: 14. april Løysingsforslag

Del 5 Måleusikkerhet 5.2 Type A og type B usikkerhetsbidrag

Projeksjon. Kapittel 11. Ortogonal projeksjon i R 2. Skalarproduktet i R n. w på v. Fra figuren ovenfor ser vi at komponenten til w ortogonalt på v er

6. Beregning av treghetsmoment.

θ grader sin θ cos θ tan θ

Kap. 3 Krumningsflatemetoden

TKP4100 Strømning og varmetransport Løsningsforslag til øving 10

Ekstrapolasjon. Minste kvadraters metode

TKP4100 og TMT4206 Løsningsforslag til øving 9

R2 eksamen våren ( )

Eksamen R2, Va ren 2014, løsning

Integrasjon. et supplement til Kalkulus. Harald Hanche-Olsen 14. november 2016

dx = 1 2y dy = dx/ x 3 y3/2 = 2x 1/2 + C 1

EKSAMEN. 1. klassene, ingenørutdanning og Flexing. ANTALL SIDER UTLEVERT: 5 (innkl. forside og 2 sider formelark)

Multippel integrasjon. Geir Ellingsrud

Formelsamling i matematikk

Kapittel 3. Potensregning

Eksamen våren 2018 Løsninger

Eksempel Funksjonen f (x)=x 3 er strengt voksende. vokser på intervallet [0, ) og avtar på intervallet

Numerisk integrasjon

Løsningsforslag til Obligatorisk oppgave 2

Eneboerspillet. Håvard Johnsbråten

Vår 2004 Ordinær eksamen

2x 3 4/x dx. 2 5 x 3 + LF: Vi utfører polynomdivisjon. 2x + 1 dx = + C = 5x8/ ln 2x C 4. πx 2 e 3x3 dx = π

1 dx cos 1 x =, 1 x 2 sammen med kjerneregelen for derivasjon. For å forenkle utregningen lar vi u = Vi regner først ut den deriverte til u,

Sensorveiledning UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT. ECON 1310 Obligatorisk øvelsesoppgave høsten 2011

Formelsamling i matematikk

LØSNINGSFORSLAG(Sensor) I TMA4140 og MA0302

Løsningsforslag TFE4120 Elektromagnetisme 24. mai = 2πrlɛE(r) = Q innenfor S =

Integralregning. Mål. for opplæringen er at eleven skal kunne

Anvendt matematikk formelsamling versjon 21

Den foreliggende oppfinnelsen gjelder en tank for lagring av kryogenisk fluid, f.eks. kondensert naturgass (LNG).

Eksamen i TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/N

EKSAMEN. 1. klassene, ingenørutdanning og Flexing. ANTALL SIDER UTLEVERT: 5 (innkl. forside og 2 sider formelark)

Ma1101. Part I. 1 Grunnleggende. 1.1 Noen symboler. 1.2 Tallene. 1.3 Noen algebraiske lover

Integral Kokeboken. sin(πx 2 ) sinh 2 (πx) dx = 2. 1 log x. + log(log x) dx = x log(log x) + C. cos(x 2 ) + sin(x 2 ) dx = 2π. x s 1 e x 1 dx = Γ(s)

Eksamen høsten 2015 Løsninger

Fakultet for realfag Ho/gskolen i Agder - Va ren 2007

EKSAMEN I NUMERISK MATEMATIKK (TMA4215)

R2 - Heldagsprøve våren 2013

Synspunkter på arbeidsforhold før og etter innføring av fastlønn med per capita avlønning

Løsningsforslag til Eksamen i fag MA1103 Flerdimensjonal analyse

Kapittel 8 TUTORIALS-CASES

Læringsmål og pensum. Forberdring vha preallokering. Oversikt

2-komplements representasjon. Binær addisjon. 2-komplements representasjon (forts.) Dagens temaer

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN TEP 4115/4120 TERMODYNAMIKK 1 (KONT) Fredag 19. august 2005 Tid: kl. 09:00-13:00

MED SVARFORSLAG UNIVERSITETET I OSLO

Transkript:

Numerisk kvdrtur PROBLEM STILLING: Approksimér 1/15 I(f) = hvor f : R R kn Riemnn-integreres. b f(x)dx. Newton-Cotes kvdrtur Newton-Cotes kvdrtur erbsert på ekvidistnte noder i [, b]: For en n-noder åpen formel n-noder lukket formel x i = + i b, i = 1, 2,..., n, n + 1 x i = + (i 1) b n 1, i = 1, 2,..., n

De mest kjente N-C formler er: 2/15 Midpunktreglen, M(f) = (b )f( b+ 2 ), Trpesreglen, T (f) = b (f() + f(b)), 2 Simpsonsreglen, S(f) = b (f() + 4f(+b ) + f(b)), 6 2

Stbilitet v numerisk kvdrtur Q n ( ˆf) Q n (f) ( n ) w i ˆf f Hvis vektene w i er positive, d n i=1 w i = n i=1 w i = b og den numeriske kvdrtur formel er like stbil som den teoretisk kvdrtur Hvis noen v de vektene w i er negtive, d kn n i=1 w i > b og den numerisk kvdrtur kn være ustbil. i=1 3/15 N-C formler er ustbile for n 11!!! Feil v M(f), T (f) og S(f) I(f) M(f) = 1 24 (b )3 f ( b + 2 ) + O((b )5 ) I(f) T (f) = 1 12 (b )3 f ( b + 2 )O((b )5 ) I(f) S(f) = 2 3 1 1920 (b )5 f (iv) (m)o((b ) 7 ) Ved å hlvere intervllet [, b], reduserer vi feilen v en fktor 1 8, 1 8, 1 32.

I prksis: mn deler [, b] i mnge små intervller v størrelse h mn bruker lv grds formler i de sm intervller En slik prosedyre klles for komposisjon v kvdrtur regler eller smmenstt kvdrtur. 4/15

Smmenstt kvdrtur Vi subdividerer intervllet [, b] i k like store subintervller, v størrelse h = b k : 5/15 b Vi bruker vå fvoritt kvdrtur formlen i hver subintervllet (f.eks. trpesreglen) og summere resulttene, b

Hvor mnge gnger trenger vi å evluere funksjonen f? Hvis vi bruker en n-punkter regel Q n i hver subintervllet, trenger vi kn evluering v funksjonen f, hvis formlen er åpen b 6/15 hvis formelen er lukket, trenger vi bre k(n 2) + (k + 1) = k(n 1) + 1 evluering v f (fordi noen v punktene er repetert) b

EKSEMPLER: k subintervller v lengde h = (b )/k. 7/15 b [, b] = [}{{}, } {{ + h } ] [ }{{ + h }, } + {{ 2h } ] [ + jh, + (j + 1)h] [ + (k 1)h, }{{}}{{}}{{}}{{} b x 0 x 1 x 1 x 2 x j x j+1 x k 1 x k ] Midpunkt: k j=1 (x j x j 1 )f( x j 1 + x j 2 ) = h k i=1 f( x j 1 + x j ) 2 Trpes: k i=1 x j x j 1 (f(x j 1 ) + f(x j )) = h ( f() + f(x 1 ) + f(x 1 ) + f(x 2 ) 2 2 ) + f(x 2 ) + + f(x k 1 ) + f(x k 1 ) + f(b) ( 1 = h 2 f() + f(x 1) + + f(x k 1 ) + 1 ) 2 f(b)

En smmenstt kvdrtur er lltid stbil om det opprinnelig kvdrtur Q n er stbil En smmenstt kvdrtur lltid konvergerer til I(f) for k hvis Q n er v grd zero minst og det betyr t, i prinsippel, ved å velge k stort nok kn mn h så mnge signifiknte siffre mn ønsker selv om Q n hr lv grd. 8/15

Feil ved smmenstt kvdrtur Vi hr sett t: I(f) M(f) 1 24 (b )3 f ( b + 2 ) I(f) T (f) 1 12 (b )3 f ( b + 2 ) I(f) S(f) 2 3 1 1920 (b )5 f (iv) (m) 9/15 og t ved å hlvere intervllet [, b], reduserer vi feilen v en fktor 1 8, 1 8, 1 32.

For smmenstt kvdrtur: i hvert subintervllet [x j 1, x j ] I j (f) M(f) 1 24 h3 f (ξ M ) I j (f) T (f) 1 12 h3 f (ξ T ) I j (f) S(f) 2 3 og, ved å summere feilen over de k intervllene, finner vi 1 1920 h5 f (iv) (ξ T ) 10/15 I(f) C M,k (f) 1 24 kh3 f (η M ) = O(h 2 ) siden k = (b )/h. I(f) C T,k (f) 1 12 kh3 f (η T ) = O(h 2 ) I(f) C S,k (f) 2 3 1 1920 kh5 f (iv) (η T ) = O(h 4 ) Derfor sier mn t Midpunkt- og Trpesreglen er order 2 smmenstt kvdrtur regler mens Simpson er order 4. Det betyr t ved å hlvere h, reduserer mn feil v 1 4, 1 4 og 1 32

Feilestimering Antr t C k er en smmensttt kvdrtur bsert på k subintervller slik t hvor K er en konstnt. I(f) C k (f) = O(h p ) = Kh p 11/15 Vi tr det smme smmenstt kvdrtur nå MEN bsert på 2k subintervller (vi hlverer hver subintervllet): I(f) C 2k (f) = 2K( h 2 )p (den første 2 er fordi vi hr dobbelt så mnge subintervller) Vi tr differnsen og eliminerer I(f), C k (f) C 2k (f) = Kh p ( 1 1) 2p 1 dermed kn vi estimere feilen v formlen C k (f) som ( )/( 1 ) Feil(C k (f)) = Kh p = C k (f) C 2k (f) 2 1 p 1 En mulig stoppe meknisme for kvdrtur er: Fiks en tolernse T OL over feilen Fiks ntll subintervller k; evluer C k, C 2k of feilen ifølge (1) Hvis Feil< T OL stopp, ellers hlvér intervllene o.s.v. Dermed lgoritmen stopper nå den feilen er mindre enn T OL. (1)

Adptive kvdrtur En smmenstt kvdrtur med feilestimering kn brukes til å lgre mer vnsert rutiner, som utomtisk integrsjon. Generelt sett, hlvering v subintervllene kn være lite effisient, fordi vi hlvere også hvor funksjonen er veldig regulær 12/15 b Istedet, ønsker mn å h flere punkter der hvor funksjonen vrierer mye (og er dermed venskeligere å integreres) og mindre punkter hvor funksjonen vrierer lite (og lett å integreres) b

Det mn gjør er som følge: fikse en tolernse ɛ som mn ønsker å h i hver subintervllet integrere funksjonen f i hver subintervllet med to kvdrturer for å estimerer feilen: hvis feilen er mindre enn ɛ d er mn fornøyd og drr til neste subintervllet ellers, forsetter mn å hlverer subintervllet til feilen er mindre en ɛ. 13/15 Men merk t for å lge en robust lgoritme, trenger mn å nlysere en del detljer.

Numerisk derivsjon Hvis kvdrtur er et veldig br kondisjonert problem, derivsjon v dt er istedet et veldig sensitivt problem og små perturbsjoner over dt kn h som effekt store forskjell i resultter! 14/15 Når vi må pproksimere deriverte v en funksjon som er gitt bre som en smling v dt, kn mn tilpsse en nokså regulær funksjon og derivere det istedet. Om dt er regulære, kn mn bruke interpolsjon om dt er veldig støyete på grunn v måling feil, d er det bedre å bruke minste kvdrter pproksimsjoner eller splines.

Endelige differnser Endelig differnser brukes til å pproksimere deriverte v regulære funksjoner, f.eks. funksjoner som mn kn evluere nlytisk eller veldig presis for et gitt input. 15/15 forlengs differnser, bklengs differnser, sentrerte differnser for første og ndre deriverte