广义高斯函数及其积分问题
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广义积分的计算方法广义积分是微积分中的一个重要概念,它是对函数在某一区间上的积分进行推广,可以用来求解曲线下面的面积、求解物体的质量、求解电荷的总量等问题。
在实际问题中,广义积分的计算方法非常重要,下面我们将介绍一些常见的广义积分的计算方法。
首先,我们来看一下对于无界函数的广义积分。
对于函数f(x)在区间[a, +∞)上的广义积分,可以通过极限的方法来进行计算。
具体来说,如果极限lim┬(t→+∞)∫(a)^t f(x)dx存在且有限,则称广义积分∫(a)^+∞ f(x)dx收敛,记为∫(a)^+∞f(x)dx=lim┬(t→+∞)∫(a)^t f(x)dx。
否则,称广义积分∫(a)^+∞ f(x)dx发散。
在计算无界函数的广义积分时,我们需要先对函数进行适当的变形,使得积分变为有限的形式,然后再进行极限的计算。
其次,对于在有限区间上发散的函数,我们可以通过分段积分的方法来进行计算。
具体来说,如果函数f(x)在区间[a, b]上有一个或多个无界点,那么我们可以将积分区间分成若干个有界区间,然后分别计算每个有界区间上的广义积分,最后将这些广义积分的极限相加得到原广义积分的值。
另外,对于奇异点的处理也是广义积分计算中需要注意的问题。
在计算广义积分时,如果积分区间上存在奇异点,我们需要先对奇异点进行适当的处理,例如使用柯西主值等方法,然后再进行积分的计算。
最后,需要注意的是,在计算广义积分时,我们还需要考虑函数的性质、积分区间的选择等因素。
有时候,我们需要对函数进行分解、变形,以便于进行积分的计算。
同时,选择合适的积分区间也是非常重要的,可以通过变量替换、对称性等方法来简化积分的计算。
总之,广义积分的计算方法涉及到许多微积分的知识和技巧,需要我们对函数的性质有深入的理解,熟练掌握各种积分计算方法。
通过不断的练习和实践,我们可以更加熟练地运用广义积分的计算方法,解决实际问题,提高数学建模和问题求解的能力。
高斯积分与积分换元法高斯积分和积分换元法是数学中常用的两种方法,用于求解复杂的积分问题。
它们的应用广泛,能够在很多领域中解决各种复杂的问题。
在此文章中,我将介绍高斯积分和积分换元法的基本概念和原理,并通过数学公式和实例进行说明。
首先,让我们来了解高斯积分。
高斯积分是一类特殊的形式,也被称为高斯型积分或高斯-鲁莽积分。
它的一般形式表示为:∫e^(-x^2)dx其中,e为自然对数的底数,x为积分的变量。
高斯积分在统计学、概率论、量子力学等领域有着重要的应用。
高斯积分没有一个确定的解析表达式,但可以通过一系列数值方法进行逼近计算。
高斯积分可以通过泰勒级数展开、数值积分方法等方式来计算。
在高斯积分的应用中,常见的一个重要特性就是它在负无穷到正无穷的区间上是对称的。
这使得高斯积分计算过程中可以进行变量替换,从而简化积分过程。
这就引出了我们接下来要讨论的积分换元法。
积分换元法是一种用于简化积分的方法,通过变量替换将原积分转化成更容易计算的形式。
积分换元法的基本原理是希望将原积分的被积函数替换成新的变量关于新的因变量的表达式。
这样,在新的变量下积分可以更简单地计算出来。
积分换元法可以通过一系列的步骤来进行。
首先,选择合适的变换,将原积分中的变量替换成新的变量。
然后,计算出新的被积函数以及对应的微分。
接着,将原积分变为新的积分,并将新的变量的取值范围与原积分变量的取值范围进行匹配。
最后,计算新的积分即可得到结果。
在使用积分换元法的过程中,我们需要根据具体问题选择合适的变量替换。
通过选择适当的变量替换,我们可以将复杂的积分问题转化为简单的形式。
常见的变量替换包括三角函数的替换、指数函数的替换、倒数的替换等等。
不同的问题需要选择不同的变量替换,并根据问题的特点灵活运用。
举个例子来说明积分换元法的使用。
考虑以下积分问题:∫(3x+2)^5dx我们可以通过积分换元法来简化计算。
首先,令 u = 3x+2,然后计算出 du/dx = 3。
广义高斯函数积分广义高斯函数积分是一种数学函数的积分形式,它在数学和物理学等领域中具有广泛的应用。
广义高斯函数积分可以用来描述复杂的波动现象、概率分布和信号处理等问题。
本文将介绍广义高斯函数积分的定义、性质和应用,并探讨其在实际问题中的意义。
我们来定义广义高斯函数积分。
广义高斯函数积分是指形如以下形式的积分:∫exp(-ax^2)dx其中,a是常数,x是变量。
这个积分是一个特殊的积分形式,被称为广义高斯函数积分。
广义高斯函数积分具有以下几个重要的性质。
首先,积分结果是一个实数。
其次,当a大于零时,积分的结果是一个无穷大的实数。
当a等于零时,积分结果是一个常数。
当a小于零时,积分结果是一个开方函数。
这些性质使得广义高斯函数积分在概率分布、信号处理和波动现象等领域中得到了广泛的应用。
广义高斯函数积分在概率分布中的应用非常重要。
概率密度函数通常用广义高斯函数来描述,而积分就可以得到概率分布函数。
概率分布函数描述了随机变量取值落在某个区间的概率。
通过对广义高斯函数积分的计算,可以得到不同的概率分布函数,如正态分布、二项分布和泊松分布等。
这些概率分布在统计学和金融学等领域中有着广泛的应用。
广义高斯函数积分在信号处理中也起着重要的作用。
信号处理是指对信号进行采样、滤波和重构等处理的过程。
广义高斯函数积分可以用来描述信号的频率特性和时域特性。
通过对广义高斯函数积分的计算,可以得到信号的功率谱密度和频谱等重要参数。
这些参数对于信号处理和通信系统设计具有重要意义。
广义高斯函数积分在波动现象中也有广泛的应用。
波动现象是指波的传播和干涉等现象。
广义高斯函数积分可以用来描述波的传播和干涉过程。
通过对广义高斯函数积分的计算,可以得到波的幅度和相位等重要参数。
这些参数对于光学、声学和电磁学等领域的研究具有重要意义。
广义高斯函数积分在数学和物理学等领域中具有广泛的应用。
它可以用来描述复杂的波动现象、概率分布和信号处理等问题。
平顶山学院本科毕业论文(设计)平顶山学院本科毕业论文(设计)- 1 -前言函数()[]f x x =早在十八世纪就为“数学王子”高斯所采用,因此,()[]f x x =得名为高斯函数.实际上高斯函数虽然定义简单,但它的应用却相当的广泛.高斯函数是一个常用的函数.在离散数学中,要用到高斯函数;在计算机算法分析中,常常用到高斯函数;在微积分中,也经常看到高斯函数的身影.然而与高斯函数最密切相关的就是竞赛数学了.为什么这样说呢?首先,高斯函数的定义域为全体实数,值域为全体整数.而数论研究整数性质的比较多,因而我们可以利用数论中的定理,公式来解决有关高斯函数的问题.数论题通常又是竞赛数学的压轴题,由此可见,高斯函数在竞赛数学中的重要地位;其次,高斯函数又与含阶乘的整除问题密切相关,这表明高斯函数又与组合数学息息相关.组合数学是数学竞赛的重要组成部分,所以,高斯函数在数学竞赛中的重要地位不容忽视.此外,课本中没有对高斯函数进行专门的讲解,但高斯函数的定义容易理解,做为竞赛题比较灵活,横跨课本,容易变通,尤其是利用高斯函数可以编出许多方程与不等式,它们是小学,中学乃至大学数学竞赛的重要组成部分.因此,本论文中主要探讨高斯函数在数学竞赛中的广泛应用.下面,我举两个例子简单的说明:例1 解方程[]33x x -= (1957年 原苏联).解 根据题分析易知0x >.若0x ≤则30x ≤,[]0x ≤,且[]30x x -≤则原方程无实数解.由性质[]{}x x x =+知[]{}x x x =-,将此式代入原题可得{}33x x x -=-.注意{}01x ≤<,两式联立便可得出()2213x x <-≤且0x >, 解 不等式组很容易就得出12x <<,所以[]1x =,代入原方程知3x =4,x例2[1] 证明方程[][][][][][]248163212345x x x x x x +++++=没有实数解. 证明 这道题从证明很难入手,在数学的思维中,解决这类问题,我们常采用反证法.假设方程有实数解x n a =+,,01n Z a ∈≤<.于是[]x n =,[]2x =高斯函数在数学竞赛中的应用- 2 -[]22n a +,[][]444x n a =+,[][]888x n a =+,[][]161616x n a =+,[]3232x n =+ []32a .代入原方程化简、变形得到[][][][][][]24816321234563a a a a a a n +++++=-由于01a ≤<,因而[]01ka k ≤≤-,k Z ∈.故有0≤12345-63n ≤1+3+7+15+31=57.得1228863≤n ≤1234563,即195.04…≤n ≤195.95….与n 是整数矛盾,所以假设不成立,即原方程无实数解.由此可见高斯函数是一类重要的数论函数,尤其是高斯函数与数学竞赛息息相关,这就要求我们要深刻理解高斯函数的基本性质,掌握解决高斯问题的常用方法.为此,本文首先列举出了一些高斯函数的基本性质;其次,归纳和总结了解决高斯函数问题的常用方法;最后对高斯函数进行了进一步的探讨.平顶山学院本科毕业论文(设计)- 3 -第一章 高斯函数的基本知识1.1 概念定义 函数[]x 与{}x 是对于一切实数都有定义的函数,函数[]x 的值为不大于x 的最大整数;则()[]f x x =称为高斯函数,又称为取整函数.函数{}x 的值是[]x x -,{}x 叫做x 的小数部分.例 []3π=,[]2e =,[]4π-=-,203⎡⎤=⎢⎥⎣⎦,315⎡⎤-=-⎢⎥⎣⎦; 3255⎧⎫-=⎨⎬⎩⎭,{}0.14159...π-=,0.414...=,{}0.95840...π-=函数图像 []y x = 的定义域为R , 值域为Z ;{}y x = 的定义域为R ,值域为[)0,1.图像如图1所示,{}y x =是以1为周期的周期函数.如图22.2 性质[1]由定义立即可得出函数[]x 与{}x 的基本性质.对任意的实数x ,y 有高斯函数在数学竞赛中的应用- 4 -甲 []{}x x x =+,且01x ≤<.乙 [][]11x x x x -<≤<+.丙 x y ≤,有[][]x y ≤.丁 [][]n x n x +=+ n Z ∈.戊 若0,0x y ≥≥,则[][][]xy x y ≥.己 对任意正整数n 和任意实数x ,有[]x x n n ⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦. 庚 [][][]1x x Z x x x Z⎧-∈⎪-=⎨--∉⎪⎩ .辛 若,a b 是任意两个正整数,则不大于a 而为b 的倍数的正整数的个数是a b ⎡⎤⎢⎥⎣⎦. 壬 (1) [][][][][]1x y x y x y +≤+≤++,其中等号有且仅有一个成立;(2) [][][][]1x y x y x y -≤-≤-+,其中等号有且仅有一个成立;(3) [][][][][]22x y x y x y +≥+++;平顶山学院本科毕业论文(设计)- 5 -第二章 数学竞赛中解决高斯函数问题常用方法解决有关高斯函数的问题,不仅要了解高斯函数的定义、性质,而且要了解 解决高斯函数问题的常用方法.在此根据题目自身的特点归纳和总结了几种常用的解决高斯函数问题的方法.2.1 定义(或性质)法例1对于一切实数x , 有()[]f x x =.计算:()()()0.31 1.3___f f f -++=;若*,,3n n n f n N S a ⎛⎫=∈ ⎪⎝⎭为数列{}n a 的前n 项和,则30___S =. 分析 由高斯函数[]x 的定义第一小题不难解决,答案为1.第二小题把高斯函数和数列联系起来,由33n n n a f ⎛⎫⎡⎤== ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦知1103a ⎡⎤==⎢⎥⎣⎦,2203a ⎡⎤==⎢⎥⎣⎦,333a ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦1=,4413a ⎡⎤==⎢⎥⎣⎦,5513a ⎡⎤==⎢⎥⎣⎦,663a ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦2=,…,于是有, 300213233343...9310145S =⨯+⨯+⨯+⨯+⨯++⨯+=.本题主要考察了对高斯函数定义的理解,简单易懂,我们不再深入研究.例2 (2008年上海市TI 杯高二年级数学竞赛)求出所有的正整数使得692345n n n n ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤+++=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦. 分析 看到这个问题如果我们单从题出发,按照常规思路来解得话会有点难度,数学问题中如果直接不好得出答案,不妨转换一下思想,从侧面来解决问题.解 由性质乙可知,1222n n n ⎡⎤-<≤⎢⎥⎣⎦,1333n n n ⎡⎤-<≤⎢⎥⎣⎦,1444n n n ⎡⎤-<≤⎢⎥⎣⎦,1555n n n ⎡⎤-<≤⎢⎥⎣⎦, 由此得 4234523452345n n n n n n n n n n n n ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤+++-<+++≤+++⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦高斯函数在数学竞赛中的应用- 6 - 化简可得423452345n n n n n n n n +++-<69≤+++最终我们可得出5357n <<.于是54,55,56n =,经检验55n =满足题意,故满足题意的正整数解为55n =.解答本题的关键是利用高斯函数的性质,先确定n 的范围,再代入原方程,求出符合题设条件的正确答案.2.2 反证法例3[2] 求证:不存在实数x ,使得[][][][][]24816307x x x x x ++++=.分析 要证明方程无实数解,常用反证法,我们可利用[]x 的性质,通过估计的方法来导出矛盾.解 由于[][][][][]248162481631x x x x x x x x x x x ++++≤++++=若原方程有解,则一定有31307x ≥即30731x ≥ 当10x ≥时,[][][][][]2481610204080160310307x x x x x ++++≥++++=> 即x 必须小于10. 当3071031x ≤<时, [][][][][]()()()()()248161012014018011601305307x x x x x ++++<-+-+-+-+-=<所以对于一切实数x ,原方程都不能成立,即原方程无解.2.3 换元法例4 [2]解方程[]13222x x +⎡⎤+-=⎢⎥⎣⎦. 分析 解决有关方程类型题的时候,直接从题本身出发不容易得出答案,我们可采用换原法,将问题转化为简单的问题.解 可设12x n +⎡⎤=⎢⎥⎣⎦,[]32x m -=则原方程可化为平顶山学院本科毕业论文(设计)- 7 -2m n += (1) 由定义可知,112x n n +≤<+,即 2121n x n -≤<+ (2)及321m x m ≤-<+,即12m -<x ≤32m - (3) 可见,原方程的解均满足(1)、(2)、(3)中的x .为此,设法求出的整数解(1),事实上,由(2)、(3)得12123212m n m n ⎧-<+⎪⎪⎨-⎪-≤⎪⎩ 即4045n m n m +>⎧⎨+≤⎩,故045n m <+≤,又由,m n 是整数知 4n m +=1,2,3,4,5 (4)将(1),(4)联立得两整数解02n m =⎧⎨=⎩ 或11n m =⎧⎨=⎩再分别代入到(2),(3)得12x 0<≤与1x =,此即为原方程的解.2.4 分类讨论法所谓分类讨论,是当问题所给对象未能进行统一研究时,就需要对研究对象按某个标准分类,然后对每一类分别研究得出每一类的结论,最后综合各类结果得到整个问题的解答.实质上,分类讨论时”化整为零,各个击破,再积零为整“的数学策略.例5 (1991年北京市高中一年级数学竞赛)能使25n ⎡⎤⎢⎥⎣⎦为素数的所有自然数n 的倒数之和等于多少?解 设25n m ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦,下面分情况讨论:高斯函数在数学竞赛中的应用- 8 - (1)当5n k =(k 是正整数)时,222555k m k ⎡⎤==⎢⎥⎣⎦,且当1k =时,m 为素数,此时5n =;(2)当51n k =+(k 为非负整数)时,22(51)152(52)55k m k k k k ⎡⎤+⎡⎤==++=+⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦且当k =1时,m 为素数,此时6n =;(3)当52n k =+(k 为非负整数)时,22(52)454(54)55k m k k k k ⎡⎤+⎡⎤==++=+⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦且当1k =时,9m =为合数,因此对所有正整数k ,m 都是合数;(4)当53n k =+(k 为非负整数)时,2(53)(1)(51)5k m k k ⎡⎤+==++⎢⎥⎣⎦,当0k =时 1m =,当k 为正整数时,m 为合数;(5)当54n k =+(k 为非负整数)时,2(54)(1)(53)5k m k k ⎡⎤+==++⎢⎥⎣⎦,当0k =时3m =是素数,此时4n =,当k 是正整数时,m 是合数.所以n =4,5,6时,25n ⎡⎤⎢⎥⎣⎦是素数,这样的n 的倒数之和为1113745660++=. 评注:采用分类讨论法时,一定要根据题目自身的特点,进行合理的分类,此题是按除5所得余数进行分组来分类讨论的,从而使问题得到简化.以后我们做题要因题而异,不要盲目下结论.2.5 数学归纳法例6[5] (1981年第10届美国数学奥林匹克)若x 为正实数,n 为正整数,证明:[][][][]2...12x x nx nx n ≥+++ 证 记[]1n n i ix x i ==∑,于是问题变为证明[]n nx x ≥.下面用数学归纳法证明这个不等式.(1)当n =1时,显然有[]1x x =,所以当n =1时,命题成立;(2)假设当k =l ,2,…,1n -时,命题成立,即[]k x kx ≤(1,2,...,1k n =-)由[]1k k kx x x k-=+得()[]111kk k kx k x x kx --=-++,对k 取,1,...,3,2n n -得 ()[]111,n n n nx n x x nx --=-++()()[]12212(1)n n n n x n x x n x ----=-++-, ()()[]23323(2)n n n n x n x x n x ----=-++-,……,[]322323x x x x =++, []21122x x x x =++,将以上(1)n -个不等式的两边分别相加,消去两边相同的项,得[][][]12211...(1)...2n n n nx x x x x x nx n x x --=+++++++-++由归纳假设如[][][][][][][][](1)(2)...2(1)...2n nx n x n x x x x nx n x x ≤-+-++++++-++ (1) 再由高斯函数的性质壬,对上式继续推导,(1)式右端等于[][]()[][]()[][][]()()()[][](1)(2)2...((1))122...1n x x n x x x n x nx n x x n x x x n x nx n nx -++-++++-+≤-++-++++-+=⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦⎣⎦于是[]k x kx ≤,即k n =时,命题成立.故对所有正整数n ,命题成立.2.6 枚举法例7 (1999年加拿大数学奥林匹克)求方程[]2440510x x -+=的所有实数解. 解 由高斯函数的定义知,[]x x ≤,因此原式可化为[]()()220440514405123217x x x x x x =-+≥-+=--即31722x ≤≤,于是[]x =l ,2,3,4,5,6,7,8. 当[]1x =时,方程化为2411x +=0,无实数解;当[]2x =时,方程化为24290x -=,得2x =;当[]3x =时,方程化为24690x -=,可得42x =>与[]3x =矛盾;当[]4x =时,方程化为241090x -=,可得5x =>与[]4x =矛盾;当[]5x =时,方程化为241490x -=,可得6x =>与[]5x =矛盾;当[]6x =时,方程化为241890x -=,可得x =,此时6=⎣⎦,因此2x =是方程的解;当[]7x =时,方程化为242290x -=,可得2x =,此时72=⎣⎦,因此x =是方程的解;当[]8x =时,方程化为242690x -=,可得x =,此时8=⎣⎦,因此x =是方程的解;综上可知,方程的解集为⎪⎪⎩⎭. 评注 此题可以改编为求方程[]2440510x x ++=的所有实数解,其解法与例6是一样的.枚举法相对比较简单,适合于中小学数学竞赛,但要注意枚举时千万不要漏举与多举.2.7 数形结合法在求解含有高斯函数的方程中,可以根据方程的特点,利用数形结和把方程转化为求两个图像的交点解决,但利用此法,只能从图像中找到解的大体位置及解的个数,因此,必须对此进行逐个的计算和检验,才能得到正确的答案.例8[3] 解方程1142x x +-⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦. 分析 本例为[][]u v =型的方程,首先由高斯函数的性质可知,若[][]u v =,则1u v -<,求出x 的区间,但此条件为原方程成立的必要但非充分条件,故还须对函数()u h x =和()v q x =的图像进行分析才能得到正确结果.由1u v -<得11142x x +--<-<1,得7x -1<<.令()()11,42x x h x q x +-==,在同一坐标系中画二者的图像:分析两者在区间(1,7)-内的图像,观察可知,当(1,1)x ∈-时,104x +⎡⎤=⎢⎥⎣⎦,而112x -⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦,方程不成立; 当[)1,3x ∈时,11042x x +-⎡⎤⎡⎤==⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦; 当[)3,5x ∈时11142x x +-⎡⎤⎡⎤==⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦;当[)5,7x ∈时,114x +⎡⎤=⎢⎥⎣⎦,而122x -⎡⎤=⎢⎥⎣⎦,方程不成立. 综上所述,原方程的解是15x ≤<.2.8 [9]凑整、估值法针对求的[]x 值的题目,可以利用不等式中的放缩技巧或其他性质,将难以处理的求和转化为可以裂项相消的代数式之和,从而使问题迎刃而解.例9设1...S =+++,求[]S . 分析 为求[]S 的值,如果对各项直接求解,会比较麻烦,这时我们就考虑有没有简单的方法来解决,而题中是一个和式问题,我们可以考虑来缩小它的范围,>最小的整数范围.解 设*1100,n n N <≤∈>><<,即22<<.不等式两边对n求和可得,1001001002222n n n ===<<∑∑故)212118S <-<=,但210- =17,2220317>>-=,所以1819S <<,即[]18S =.以上是我们常见的几种比较简单的方法,当然,解有关高斯函数题的方法还有很多,比如:分组拆项法、命题转化法、共轭因数法、不等式法等等,这就要求我们根据实际情况来选择合适的方法来进行求解,以便达到事倍功半的效果.第三章 关于高斯函数的进一步探讨高斯函数的许多问题在日常生活中有很广泛的应用,它们都是数学竞赛题的来源,在本章中我们主要讨论高斯函数在积分、数列以及高斯和式问题.3.1 积分问题[10]对于高斯函数[]x 的积分,由定义知高斯函数是一个具有第一类间断点的函数,只要在积分区间内有有限个这类间断点,则根据定积分的可积性知函数[]x 在积分区间上可积,下面来求如下积分. 例1 求积分[]0nx dx ⎰(n 为有限自然数).解 [][]()()01111112nnnkk k k x dx x dx k n n -====-=-∑∑⎰⎰利用上述结果很容易求出斜坡函数[]x x -的积分,即[]{}[]()222000111222222nn nnn n n n x x dx xdx x dx x n n ⎡⎤-=-=--=-+=⎢⎥⎣⎦⎰⎰⎰.例2 求积分ln(1)ln1n x e dx +⎡⎤⎣⎦⎰. 解 ()()ln(1)ln(1)ln(1)ln1ln ln 111[][]ln 1ln nnnn k k xxkkk k k e dx e dx k dx k k k +++======+-∑∑∑⎰⎰⎰()1ln!nn n +=上述关于高斯函数积分的问题即简单又有趣,下面来推导几个有关高斯函数积分的公式. 例3 求[]00x ny nx y dxdy ≤≤≤≤+⎰⎰.解首先将区域(){},0,0D x y x n y n=≤≤≤≤分为2n 个小区域,(){},1,0,0k D x y k x y k x y =-≤+<><,1,2,3 (2)n =,在1D 上[]0x y +=,在2D 上[]1x y +=,…,在1n D -上[]2x y n +=-,在n D 上[]1x y n +=-,在1n D +上[]x y n +=,…,在21n D -上[]22x y n +=-,在2n D 上[]21x y n +=-,且每个小区域的面积分别为1352131,,,,,,222222n -⋯于是有 21[][]knk DD x y dxdy x y dxdy =+=+∑⎰⎰⎰⎰1352121012(1)22222n n n n --=⨯+⨯+⨯+⋯+-+⨯+⋯ 31(22)(21)22n n +-⨯+-⨯1[132537(1)(21)(21)2n n n n =⨯+⨯+⨯+⋯+--+-+⋯(22)3(21)n n +-⨯+-⨯ 121()2s s =+ 其中12132537(1)(21)(21)(22)3(21)1s n n s n n n n =⨯+⨯+⨯+⋯+--=-+⋯+-⨯+-⨯经计算得2212(431),(831)66n ns n n s n n =--=-+,故 []()21212Dx y dxdy n n +=-⎰⎰. 利用上述公式可解下题: 例4 求[]0202x y x y dxdy ≤≤≤≤+⎰⎰的值.解 将2n =代入公式[]()21212Dx y dxdy n n +=-⎰⎰便有[]()202021222162x y x y dxdy ≤≤≤≤+=⨯⨯⨯-=⎰⎰ 例5 求22220,0x y x y nx y dxdy >>+≤⎡⎤+⎣⎦⎰⎰的值 .解 将区域(){}22,,,0D x y x y n x y =+≤>分为n 个小区域,(){}22,1,,0kD x y k x y k x y =-≤+<>,1,2,3...,2k n =这n 个小区域的面积为4π,在这些区域上,函数22[]x y +的值分别为0,1,2,1n ⋯- 于是便有()()2222111114k knnnk k k DD D xy dxdy x y dxdy k dxdy k π===⎡⎤⎡⎤+=+=-=-⎣⎦⎣⎦∑∑∑⎰⎰⎰⎰⎰⎰()18n n π=-上述两个积分公式在以后解决高斯函数积分问题上会有很大的帮助,如果我们进一步的研究将会得到更多更有用的结论.3.2 高斯和式问题定理(Hermite 恒等式)若n 是正整数,x 为实数,则[]10n i i x nx n -=⎡⎤+=⎢⎥⎣⎦∑.证明 令[]10()n i i f x x nx n -=⎡⎤=+-⎢⎥⎣⎦∑则[]110011111n n i i i i f x x n x x nx n n n n n --==⎡⎤⎡+⎛⎫⎡⎤⎛⎫⎤+=++-+=+-+ ⎪ ⎪⎢⎥⎢⎢⎥⎥⎝⎭⎣⎦⎝⎭⎦⎣⎦⎣∑∑ [][][][]()101011n i n i i x x x nx n i x nx n f x -=-=⎡⎤=+-++--⎢⎥⎣⎦⎡⎤=+-⎢⎥⎣⎦=∑∑故()f x 是以周期为1n 的周期函数.当1[0,)x n∈时,显然有()0f x =,故对上式任意实数x 均成立.例6 设n 为整数,计算和式232341222...2222n n n n ⎡⎤⎡⎤++++⎡⎤⎡⎤++++⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦. 解 上式可简化为232341222...2222n n n n ⎡⎤⎡⎤++++⎡⎤⎡⎤++++⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦1022k k k n ∞+=⎡⎤+=⎢⎥⎣⎦∑ 由Hermite 恒等式可得,[][]122x x x ⎡⎤++=⎢⎥⎣⎦,则[][]122x x x ⎡⎤+=-⎢⎥⎣⎦.于是111112122222222k k k k k k k n n n n n n +++++⎡⎤+⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=+=-=-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦因此,1100022222k k k k k k n n n n n ∞∞++==⎡⎤+⎛⎫⎡⎤⎡⎤⎡⎤=-==⎢⎥ ⎪⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎝⎭⎣⎦∑∑.例7 设n 为正整数, α,i x ,i y ()1,2,...,i n =为实数,证明:123...n x x x x ≤≤≤≤ 123,...n y y y y ≥≥≥≥.且满足1n i i ix =∑=1n i i iy =∑,则[][]11n ni i i i i y i x αα==≥∑∑.证明 记i i i x y z =-,则12...n z z z ≤≤≤且10ni i iz ==∑ 故只需证明[]10nii i zα=≥∑ (1)即可.令112211,0,...,0n n n z z z z z -∆=∆=-≥∆=-≥,则1ii j j z ==∆∑(1i n ≤≤),于是111110jn n i n i j j i i j j i iz i i ======∆=∆=∑∑∑∑∑从而211n njj i jni ii===∆=∆∑∑∑ (2)于是[][][][]11112211[]n n n i n n n n nn i j i j j j j n i i j j i j j i j j i i i i z i i i i i ααααα===========⎛⎫⎪ ⎪=∆=∆∆-∆ ⎪ ⎪⎝⎭=∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑[][]121n n n ni ji j n nj i j i j i i i i i i αα======⎛⎫ ⎪ ⎪=∆- ⎪ ⎪⎝⎭∑∑∑∑∑∑ 由于20n nj j i ji ==∆≥∑∑,则(1)式成立等价于[][][][][][]111111111111nn j j nn i ji ji i i i nnnj nj i ji i j i i i i i i i i i iiiiiiαααααα--======--======≥⇔≥⇔≥∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑ (3)故只需证明对任意的1k ≥,有[][]111111k ki i k ki i i i i iαα+==+==≥∑∑∑∑而上述不等式等价于()[]()[]()()1111102k ki i kk i k i k i ααααα==+≥⇔+--+-≥⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦⎣⎦∑∑.注 有性质知[][][]x y x y +≥+对任意的,x y 均成立,上述不等式显然成立.参考文献[1]闵嗣鹤,严士健编.初等数论(第三版)高等教育出版社,2003.[2]梅向明.国际数学奥林匹克30年[M].北京出版社,1991.[3]王朝霞.含有[x]或{x}的方程的解法[J].唐山师院学报,2004,(5)[4]刘诗雄等.奥数教程(高二年级).(第二版).华东师范大学出版社,2003.[5]陈景润著.初等数论Ⅱ.科学出版社.1980[6]宋庆龙.高斯函数的应用.唐山师范学院学报.2005,(3).[7]余红兵著.奥数教程(高二年级).华东师范大学出版社.2006.[8]柳柏镰,吴康著.竞赛数学的原理与方法.广东高等教育出版社.2003.[9]殷堰工.整数部分[x]与小数部分{x}问题的解法[J]. 1994,(10-11).[10]钱吉林等,高等数学辞典[M] 武汉:华中师范大学出版社,1999.平顶山学院本科毕业论文(设计)致谢在大学四年的学习过程中,我得到了数科院各位领导、老师及班级同学的热心帮助和支持,使我能够在以优异的成绩完成学业之余,自身综合能力也得到了极大限度的提高.在此谨向他们表示我最衷心的感谢!感谢我的指导老师李文老师,她严谨细致、一丝不苟的作风是我工作、学习的榜样;李老师以丰富的科研经历,解说学问,侄释为师之道,旁征博引,使我受益匪浅.在此向李老师表示衷心的感谢!感谢和我一起走过大学四年的好朋友们,是她们一路的陪伴与爱护,才有了我现在的成绩.她们是我成长的见证,有着值得我永远珍惜的友情.她们的待人处事,治学态度将会影响我的一生.在论文即将完成之际,我的心情无法平静,从开始进入课题到论文的顺利完成,有多少可敬的老师、同学、朋友给了我无言的帮助,在这里请接受我诚挚的谢意!再次对指导老师表示最诚挚的谢意和祝福!- 19 -。
§4-4 高斯积分法及其应用由§4-3知,在计算空间等参数单元的载荷列阵及刚度矩阵时,需用到如下形式的定积分: ηξηξd d f ⎰⎰--1111),(; ζηξζηξd d d f ⎰⎰⎰---111111),,(其中被积分函数f(ξ,η,ζ)一般是很复杂的,即使能够得出它的显式,其积分也是很繁的。
因此,一般用数值积分来代替函数的定积分。
数值积分:在积分区域内按一定规则选出一些点,称为积分点,算出被积函数f(ξ,η,ζ)在这些积分点处的值,然后再乘以相应的加权系数并求和,作为近似的积分值。
数值积分的方法有多种,其中高斯积分法可以用相同的积分点数达到较高的精度,或者说用较少的积分数达到同样的精度。
一、高斯积分法1.一维积分的高斯公式一维积分的高斯公式∑⎰=-=ni i i f H d f 111)()(ξξξ (4-47)其中f(ξi)是被积函数在积分点ξi 处的数值,Hi 为加数系数,n 为积分点数目。
可以证明,对于n 个积分点,只要选取适当的加数系数及积分点位置,能够使(4-47)式在被积分函数为不超过(2n-1)次多项式时精确成立。
由于多数函数可表示成多项式形式,这种积分适应于大多数函数。
例如,n=1时)()(1111ξξξf H d f I ==⎰- (a) 不论f(ξ)的次数是0还是1,只需取H 1=2,ξ1=0,上式均是精确成立的。
因为ξξ10)(C C f += (b)101()22(0)I f d C f ξξ-===•⎰ (c) 当n=2时,能保证(4-47)式精确成立所允许的多项式的最高次数是3,此时,f(ξ)的通式为 332210)(ξξξξC C C C f +++= (d)其精确积分为2011322)(C C d f I +==⎰-ξξ (e) 数值积分为)()()()()(323222102313212101221121ξξξξξξξξξC C C C H C C C C H f H f H f H I i i i +++++++=+==∑= (f)为了在C0~C3取任意值(包括取零值在内)时公式(f)是精确的,显然应有221=+H H , 02211=+ξξH H32222211=+ξξH H , 0322311=+ξξH H 所以,应取 2,269,350,577.03121-=-=-=ξξ0,000,000,000.121==H H同样,对于不超过五次的多项式,只要取n=3130.577,350,269,2ξξ=-==- 0,000,000,000.02=ξ6,555,555,555.09521===H H 9,888,888,888.0983==H 即可保证得到精确的积分值。
毕业论文文献综述信息与计算科学无穷限广义积分的数值计算一.前言部分定积分的数值近似称为数值求积.[1]它起源于古代用铺贴小方块近似计算不规则图形或曲边形的面积.在近似积分中,主要从定义积分的黎曼和出发,用被积函数在积分区间上有限个点上值的加权和来近似计算积分.我们一般使用牛顿-科茨求积公式,梯形公式及其复合公式,辛普森公式及其复合公式,Gauss 求积公式,切比雪夫求积法,三次样条函数求积法,自适应积分法等方法来进行数值求积.在讨论积分时有两个最基本的限制:积分区间的有穷性和被积函数的有界性.但在很多实际问题中往往需要突破这些限制,考虑无穷区间上的“积分”.根据函数的变化率,利用定积分我们可以计算函数在指定区间上的增量,利用变限定积分可以把握函数变化区间上增量的变化,为了把握函数在无穷区间上增量的变化,我们还需要引进并讨论无穷限积分[2].比如现在人类要发射人造地球卫星或发射完成星际航行的飞行器,就要摆脱地球强大的引力,那如何离开地球呢?地球上的物体要脱离地球引力成为环绕太阳运动的人造行星,需要的最小速度是第二宇宙速度.第二宇宙速度为11.2公里/秒,是第一宇宙速度的2倍.地面物体获得这样的速度即能沿一条抛物线轨道脱离地球.我们可以运用无穷限广义积分解决第二宇宙速度问题.在黎曼积分的定义中,被积函数和积分区间都是有界的.若被积函数或积分区间无界,则称为广义积分.对无界区间,如[)∞,a ,如果对任何有限的b ,f 在区间[]b a ,上可积,并且下列极限存在且为有限数,则广义积分的定义为()()⎰⎰∞∞→=alim bab dx x f dx x f .对无界的积分区间,可以使用有限区间上的标准求积程序计算广义积分,具体方法如下:•用有限的积分区间代替无限的积分区间.选择积分范围时要注意所截掉的部分应是极小的,另外应对这一部分在整个积分中所占的份额作出估计.同时这个有限区间也不应太大,以免在利用自适应求积程序时,陷入无休止的积分函数调用之中.•通过适当的变换将无界区间变成有界区间.典型的变换包括,t x ln -=或者()t tx -=1.但是在变换的时候一定要注意不要引入新的奇异点或产生其它问题. 还有一种方法就是采用专门计算无界区间积分的求积公式,比如说高斯-拉盖尔(Gauss-laguerre )或者高斯-艾尔米特求积公式.一般采用变量替换,无穷区间的截断,无穷区间上的高斯求积公式,极限过程等方法去解决无穷限广义积分的数值计算.二.主题部分2.1数值积分的一般方法许多定积分都无法用解析方法求出.对于那些并不知道函数()f x 的表达式只能通过实验得到()f x 在一系列点上的值的积分问题也只能用数值方法.[3]2.1.1梯形法则[4]把以曲线()f x 为曲边的曲边梯形分解成小曲边梯形以后,估计小曲边梯形面积的一个方法是用左矩形或右矩形面积代替小曲边梯形面积;但是这时误差会比较大.事实上,这种方法相当于用一系列的水平线逼近曲线()f x .我们可以把这些水平线看成是函数的零次插值多项式.一个更好的方法就是用一条折线逼近曲线()f x ;事实上,我们让小矩形的上边连续倾斜直到最好地拟合曲线.得到相应的求积公式是()()()2bab af x dx f a f b -≈+⎡⎤⎣⎦⎰, ()2.1.1 对所有1f ∈∏(即次数最多是1次的全体多项式)公式精确成立.此外,它的误差项是()()31''12b a f ξ--, 其中(),a b ξ∈.通过多项式逼近中的误差()()()()()1''x f x p x f x a x b ξ-=--积分,再利用积分中值定理,可以确定梯形法则的误差项. 2.1.2复合梯形法则如果划分区间[],a b 为:01n a x x x b =<<⋅⋅⋅<=.那么在每个子区间上可应用梯形法则.这时结点未必是等距的.这样,我们得到复合梯形法则()()()()()1111112ii nnbx i i i i ax i i f x dx f x dx x x f x f x ---==-=≈-+⎡⎤⎣⎦∑∑⎰⎰.()2.1.2 对等间距()h b a n =-及结点i x a ih =+,复合梯形法则具有形式()()0''nbai f x dx h f a ih =≈+∑⎰, ()2.1.3其中求和符号上的两撇表示求和式中的第一项和最后一项都被减半.复合梯形法则的误差项是()()21''12b a h f ξ--, 其中(),a b ξ∈.对于每个子区间上的误差项求和并利用以下事实:在[],a b 内存在一点ξ使得()()()1''1''nii f n f ξξ==∑,其中()1,i i i xx ξ-∈以及()1n b a h =-,即平均值,这样便得到总误差项. 2.1.3辛普森法则[5]对任意区间[],a b 的类似计算可得到熟悉的辛普森法则:()()()462bab a a b f x dx f a f f b -⎡+⎤⎛⎫≈++ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎰. ()2.1.4 从它的推导过程可知,对于所有次数2≤的多项式辛普森法则是精确成立的.出乎意料的是, 对于所有次数3≤的多项式它也精确成立.与辛普森法则联系在一起的误差项是: ()()()541290b a f ξ--⎡⎤⎣⎦, 其中(),a b ξ∈. 2.1.4 Gauss 公式[6]设有计算()()baI f f x dx =⎰ ()2.1.5的求积公式()()0nn kkk I f A f x ==∑, ()2.1.6其中求积节点()0,1,k x k n =L ,求积系数()0,1,k A k n =L .如果其代数精度为()21n +,则称为求积公式为Gauss-Legendre 公式(简称Gauss 公式),称相应的求积节点为Gauss 点.由代数精度的定义知,式()2.1.6为Gauss 公式的充分必要条件是求积节点{}0nk k x =和求积系数{}0nk k A =满足下列方程组:022212101n b k a k n b k k a k nb k k ak nbn n k k ak A dx x A xdxx A x dx x A x dx===++=⎧=⎪⎪⎪=⎪⎪⎪⎨=⎪⎪⎪⎪⎪=⎪⎩∑⎰∑⎰∑⎰∑⎰M . ()2.1.7 Gauss 积分不但具有高精度,而且是稳定的,其原因是由于它的求积系数具有非负性.Gauss 公式()()0nbkkak f x dx A f x =≈∑⎰的求积系数()0,1,kA k n =L 全是正的.高斯求积公式,[7]它不但具有最高的代数精度,而且收敛性和稳定性都有保证.因此是高精度的求积公式,高斯公式的主要缺点是节点和系数无规律,所以不便编程实现,在实际应用中,可以把低阶高斯公式进行复化. 2.2 无穷积分的敛散性判别[8]无穷积分的基本问题就是敛散性的判别问题,是求解无穷积分近似值的一个先决条件.由定义知道,无穷积分()af x dx +∞⎰收敛与否,取决于函数()()uaF u f x dx=⎰在u →+∞时是否存在极限.因此可由函数极限的柯西准则导出无穷积分的柯西准则.无穷积分()af x dx +∞⎰收敛的充要条件是:任给0ε>,存在G a ≥,只要1u 、2u G >,便有()()()2121u u u aau f x dx f x dx f x dx ε-=<⎰⎰⎰.()2.2.1 我们知道,[9]无穷限反常积分和数项级数两者之间有很多结论是相似的.在数项级数里面,当数项级数收敛时,其通项是收敛于零的.那么在无穷限反常积分里是不是也有相似的结论呢.首先我们看看无穷限反常积分在收敛时的几何意义:()af x dx +∞⎰收敛时的几何意义:若()f x 是[),a +∞上的非负连续函数,则()af x dx +∞⎰是介于曲线()y f x =,直线x a =以及x 轴之间那一块向右无限延伸的阴影区域的面积J .从而可知:()af x dx +∞⎰实际上是表示曲线()y f x =与坐标轴所围成的面积的代数和.而当()af x dx +∞⎰收敛时,是否()f x 在无穷远处的极限一定为零时,图形的面积才可以计算呢?如果回答否定,那么在哪些情况下,被积函数在无穷远处的极限才等于零呢?经过对若干例子的研究,我们得出结论:上述第一个问题的回答是否定的,并且有这样的事实:()af x dx +∞⎰收敛时()f x 在无穷远处的极限并不一定为零.被积函数在无穷远处极限为零的充分条件: 当()af x dx +∞⎰收敛时,在无穷远处的极限为零.以下就是经过对()f x 作某些限制而得出的几个结论,而这些结论就是对引言中的问题的回答.定理1. 若()a f x dx +∞⎰收敛且()lim x f x →+∞存在,则有()lim 0x f x →+∞=;定理2. 若()a f x dx +∞⎰收敛且()f x 单调,则()lim 0x f x →+∞=;定理3. 若()a f x dx +∞⎰收敛且()f x 一致连续,则有()lim 0x f x →+∞=;定理4. 若()af x dx +∞⎰收敛且导函数()f x 有界,()lim 0x f x →+∞=.2.3无穷区间上的积分的计算方法考虑无穷区间上的积分 ()()aI f f x dx ∞=⎰, ()2.3.1其中a 为有限值或-∞.常用的无穷区间上的积分的求解方法:[10]2.3.1变量替换对于式()2.3.1,作变量替换xt e -=,可将区间[)0,+∞变为区间()0,1.因此有()()()110001ln g t f x dx f t dt dt t t∞=-=⎰⎰⎰. ()2.3.2这样就把无穷区间上的一个积分化成为了有限区间上的积分.若()g t t在0t =的邻域内有界,那么式()2.3.2的右边是一个正常积分,反之,积分是一个反常积分,上述变换只是把一种困难装换成另一个困难.变量替换还有很多不同类型. 例 计算积分22111sin dx x x∞⎰. 解 令1y x=,那么有12221011sin sin dx y dy x x∞=⎰⎰, 对2sin y 泰勒级数展开,有122210111111sin sin 342132075600dx y dy x x ∞==-+-+⎰⎰L 0.310268≈. 2.3.2无穷区间的截断将被积函数的“尾巴”略去,可使无穷区间化为一个有限区间,此方法要求事先用某种简单的解析方法估算出尾部的量值.选取R a >,使()0f x dx ε∞<⎰, ()2.3.3其中ε为允许误差,那么无穷区间上的积分()2.3.3可以用()Raf x dx ⎰来近似.例 计算2x e dx ∞-⎰.解:当x R ≥时有2x Rx ≥,所以有估计式221x Rx R RRedx e dx e R∞∞---≤=⎰⎰. 对于4R =,则28110R e R--≈.因此对于允许误差为710-来说,只要计算240x e dx -⎰就可以了.2.3.3无穷区间上的高斯求积公式无穷区间上的积分.高斯-拉盖尔求积公式和高斯-艾尔米特求积公式是最广泛实用的.下面作些补充.将插值型求积公式()()()()()()00,,nbk k a k n bi k a i k i i k x f x dx A f x x x A x dx x x ρρ==≠⎧≈⎪⎪⎨-⎪=∏⎪-⎩∑⎰⎰ ()2.3.4 中的[],a b 换为半无穷区间[)0,+∞,权函数()xx e ρ-=,并取节点()0,1,,k x k n =L 为1n +次拉盖尔多项式()()1111n xn xn n d L x e x e dx ++-++=的零点,称这样的高斯求积公式为高斯-拉盖尔求积公式,其表示形式为()()0,nxk k k e f x dx A f x +∞-=≈∑⎰()2.3.5系数k A 为()()122'1!n k k k n A x L x ++⎡⎤⎣⎦=⎡⎤⎣⎦()0,1,2,,k n =L , ()2.3.6 截断误差为[]()()()()2221!22!n n R f f n ζ++⎡⎤⎣⎦=+, ()0,ζ∈+∞. ()2.3.7 高斯-艾尔米特求积公式是全无穷区间上的高斯型求积公式()()2nx k k k ef x dx A f x +∞--∞=≈∑⎰, ()2.3.8其中节点()0,1,,k x k n =L 为(),-∞+∞上带权()x x e ρ-=正交的1n +次艾尔米特多项式()()()2211111n n x x n n d H x e e dx++-++=-的零点,系数k A 为 ()()22'121n k n k n A Hx +++=⎡⎤⎣⎦, ()2.3.9截断误差为[]()()()()2211222!n n n R f f n ζ+++=+,(),ζ∈-∞+∞. ()2.3.10 在实际应用中有时希望一个或几个节点预先固定,然后确定其他节点和系数以使求积公式具有尽可能高的代数精度,这种固定部分节点的高斯型求积公式理论上总是可以按代数精度的等价定义[11].2.3.4极限过程()()0lim r f x dx f x dx ∞∞→∞=⎰⎰,提供了极限过程.令010r r <<<L 是趋向于∞的数列.记()()()()0121r r r r r f x dx f x dx f x dx f x dx ∞=+++⎰⎰⎰⎰L ,右端每个积分都是正常积分,当()1n nr r f x dx ε+<⎰时,计算终止.2.4无穷限广义积分的新方法最近提出了一种基于进化策略算法的广义积分计算新方法,[12-15]该方法根据被积函数的变量区间任意选取分割点,作为进化策略的初始的群体,通过进化策略算法来优化这些分割点,最终可得到一些最优的分割点,然后再求和,再根据和函数定义适应度函数,在给定的终止条件下,可获得精度较高的积分值.最后,以广义积分(无穷限广义积分)为例,仿真结果表明,该算法相比传统的一些方法,具有计算精度高,自适应性强等特点.三、总结部分定积分的积分区间是有限的,但在实际问题中,往往需要突破这个限制,把积分区间从有限的推广到无限区间,形成了无穷限广义积分,因此,无穷限广义积分的基本性质、计算方法与定积分相类似[16].在工程计算中也会遇到广义积分的数值计算问题,尤其是在近代物理等领域中会经常遇到广义积分(无穷限广义积分)的数值计算问题,不同的理论和方法的难易程度不同,我们应该注意观察总结,举一反三、巧妙地应用这些方法.同时也应该积极探索更新更有效的理论和方法去解决这些问题.四、参考文献[1]Michael T.Health.Scientific Computing: An Introductory Survey[M].第2版影印版.北京 :清华大学出版社,2001.10:297-311.[2]李国莹,姜诗章,杨平,王国清.应用数学基础[M].第2版.上海:复旦大学出版社,2003.2:97-97.[3]Leader J.J.Numerical Analysis and Scientific Computation[M].影印版.北京:清华大学出版社,2008.5:314-314.[4]Curtis F.Gerald Partrick O.Wheatley著,吕淑娟译.应用数值分析[M].第7版.北京:机械工业出版社,2006.9:22-223.[5]David Kincaid,Ward Cheneny著,王国荣,俞耀明,徐兆亮译.数值分析[M].第3版.北京:机械工业出版社,2005.9:385-386.[6]孙志忠,袁慰平,闻震初.数值分析[M].第2版.南京:东南大学出版社,2002.1:203-211.[7]李桂成.计算方法[M].北京:电子工业出版社,2005.10:186-186.[8]华东师范大学数学系.数学分析上册[M].第3版.北京:高等教育出版社,2001.6:264-270.[9]戴培亮.无穷限积分的被积函数在无穷远处的极限[J].常熟理工学院学报.2006.11,20(6) :1-4.[10]《代应用数学手册》编委会.现代应用数学手册-计算与数值分析卷[M].北京:清华大学出版社,2005.1:227-230.[11]封建湖,车刚明,聂玉峰.数值分析原理[M].北京:科学出版社,2001.9:118-118.[12]郭德龙,周永权.基于进化策略的广义积分计算方法研究[J].计算机工程与设计. 2008.10,29(19):5026-5028.[13]张艳红.一种工程实用的数值积分方法[J].工程力学报.2005.6,22(3):39-45.[14]陈泽文,朱玉灿.高阶奇异积分的小波逼近及数值计算[J].数学物理学报.2002.6,22(2):281-288.[15]张新育,杨松华.矩形域上非正常积分的一种数值算法[J].郑州工业大学报. 1999.3,12(4):101-102.[16]李承家,胡晓敏.数学分析导教.导学.导考[M].第3版.陕西:西北工业大学出版社,2003.6:234-234.。
§4-4 高斯积分法及其应用● 由§4-3知,在计算空间等参数单元的载荷列阵及刚度矩阵时,需用到如下形式的定积分:ηξηξd d f ⎰⎰--1111),(; ζηξζηξd d d f ⎰⎰⎰---111111),,(其中被积分函数f(ξ,η,ζ)一般是很复杂的,即使能够得出它的显式,其积分也是很繁的。
因此,一般用数值积分来代替函数的定积分。
● 数值积分:在积分区域内按一定规则选出一些点,称为积分点,算出被积函数f(ξ,η,ζ)在这些积分点处的值,然后再乘以相应的加权系数并求和,作为近似的积分值。
● 数值积分的方法有多种,其中高斯积分法可以用相同的积分点数达到较高的精度,或者说用较少的积分数达到同样的精度。
一、高斯积分法 1.一维积分的高斯公式● 一维积分的高斯公式∑⎰=-=ni i i f H d f 111)()(ξξξ (4-47)其中f(ξi )是被积函数在积分点ξi 处的数值,H i 为加数系数,n 为积分点数目。
● 可以证明, ✧对于n 个积分点,只要选取适当的加数系数及积分点位置,能够使(4-47)式在被积分函数为不超过(2n-1)次多项式时精确成立。
✧由于多数函数可表示成多项式形式,这种积分适应于大多数函数。
● 例如, ✧n=1时)()(1111ξξξf H d f I ==⎰- (a)不论f(ξ)的次数是0还是1,只需取H 1=2,ξ1=0,上式均是精确成立的。
因为ξξ10)(C C f += (b)101()22(0)I f d C f ξξ-===•⎰ (c)✧当n=2时,能保证(4-47)式精确成立所允许的多项式的最高次数是3,此时,f(ξ)的通式为332210)(ξξξξC C C C f +++= (d)其精确积分为2011322)(C C d f I +==⎰-ξξ (e)数值积分为)()()()()(323222102313212101221121ξξξξξξξξξC C C C H C C C C H f H f H f H I i i i +++++++=+==∑= (f)为了在C 0~C 3取任意值(包括取零值在内)时公式(f)是精确的,显然应有221=+H H , 02211=+ξξH H32222211=+ξξH H , 0322311=+ξξH H 所以,应取2,269,350,577.03121-=-=-=ξξ0,000,000,000.121==H H✧同样,对于不超过五次的多项式,只要取n=3130.577,350,269,2ξξ=-==- 0,000,000,000.02=ξ6,555,555,555.09521===H H 9,888,888,888.0983==H即可保证得到精确的积分值。