原文: http://math.mit.edu/~djk/calculus_beginners/chapter02/section04.html
我们尚未定义函数,因此本节比我们先行一步。如果你在这里遇到困扰你的事情,请停下来,继续下一章,稍后再回到这里。如果您在下面看到的内容有意义,那就继续吧。
积分具有几何意义。给定正函数,
和
之间的
的定积分表示函数
与 x 轴的曲线图之间的区域,来自
的固定起始值
,与
的另一个值
。
如果函数是常数,那个区域只是(间隔的长度)和
的常数值的乘积,因为我们计算的数字是一个矩形,边是
和
,
顶部,
底部。
否则,我们可以将到
的间隔划分为长度为
的条子,并通过每个条子中的面积之和计算面积。 (当函数为负时,我们将 x 轴下面的区域计为负值,当
正变为负时,反之亦然。)我们将选择所有长度
的条子,并近似每条条子的面积。
这里有一个有趣的问题:你做了什么来近似条子的区域?
条子有宽度,我们选择了一个近似高度,所以这个问题应该成为我们应该分配到
和
之间区域的高度?
有三种非常简单的方法可以做到这一点。一种方法是使用,另一种方法是使用
,另一种方法是使用它们的平均值。
这些估算方式有名字!它们是左手规则,右手规则和梯形规则。 每个条子对面积的贡献将是这个估计乘以。
令人高兴的是,你在这个问题的答案中唯一的区别来自贡献和
。无论使用哪种“规则”,所有其他中间点贡献相同的量。
发生这种情况是因为一条棉条的末端是下一条棉线的开始,无论使用哪种方法,从点到总和的贡献都是
。如果你在间隔的左侧使用
的值,那么从
开始的间隔得到
;如果你使用
的右侧值,你会从
结束的区间得到同样的东西;如果你使用他们的平均值,你可以从任一间隔获得一半。
这意味着唯一的区别来自第一个和最后一个区间。使用“左规则”,你得到而不是
反之为“正确规则”,而
来自平均值或“梯形规则”。换句话说,在梯形规则中,每个内部条子除了最终的条子外都会得到
,而在端点
和
只有
和
。梯形规则证明是三者中最好的。
因此,我们将使用估算 A 和 B (包括之间的值 s)的总和,并从总数中减去
,这将给出梯形规则提供的答案。稍后我们将看到这比其他任何一个好得多,因为它的误差与
成正比,而其他的每个都与实际面积的线性项
不同。
计算列中连续框内容的总和是您在 D 列中使用 Fibonacci 数进行的。要在 C 列中输入 B 列中从 5 开始的总和,请输入= B5 + C4 到 C5 并将其复制到该列。
这将计算 C 列区域的左手规则估计。通过在 D5 中放置= C5-(B $ 5 + B5)/ 2,我们将左手规则转换为梯形规则,该规则将在每个中间点显示为什么在列 D 中。-B $ 5/2 消除了的一半贡献,另一个减法消除了另一端的贡献。
我们这样做,所以我们可以在需要时轻松更改这些内容。
您可以通过在 A5 中输入= B3 从第五行开始设置。然后将 A6 设置为= A5 + B $ 2,并将 A6 复制到 A 列。这将是您的变量的值。
在 B5 put = B $ 2 * sin(A5)并将其复制到 B 列。
在 C5 中输入= B5 + C4 并将其复制到 C 列下方。
在 D5 put = C5-(B $ 5 + B5)/ 2 并复制 D 列。
如果你这样做,你可以通过在 B2 中插入不同的值来改变 d。您可以通过在 B3 中输入新的起点来更改起点。您可以通过用新 f(A5)替换 sin(A5)并在 B 列中复制= B $ 2 * f(A5)来更改要集成的函数。
使用左手规则从 A5 开始并在 x = A5 + kd 结束的区域的估计将出现在行 C 的行 C 中,其值为 B5 +(k-1)d 。 (此框将包含形式的
条款的总和。)
D 列中的条目将左手规则转换为 Trapezoid 规则。因此,在具有 A 值 B4 + kd 的行中出现的将是 x 轴,正弦曲线和线 x = B4 和 x = B4 + kd 之间的区域的梯形规则估计。
这是对该地区的估计;我们可以做得更好,以后会。
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Number of increments255 10 25 50 100Number of digits after decimal point105 10 15
现在从 A5 到 B105 选择 A 列和 B 列,然后插入 xy 散点图。你看到了什么?
我们怎样才能做得更好?
如果添加一个类似于 C 的列 E,除了跳过,那么在 E5 中放置= 2 * B5 + E3 并向下复制,并通过输入 F5 = E5-将其更正为 F 列中的梯形规则( B $ 5 + B5)并向下复制,最后在列 G 中放置=(4 * D5-F5)/ 3,您将在 G 列的奇数条目中得到 Simpson 对所讨论区域的规则估计(如行
],
,
等)偶数条目将是无用的垃圾。
这是什么恶魔?
E 和 F 中的奇数条目重复先前的计算,替换为
。梯形规则中的误差表现为
;如果你将
乘以
计算并减去
一个,那个行为为
的错误将被抵消。结果大致是
乘以实际结果。因此将 4D5-F5 除以 3 给出了误差实际上为
的区域的规则。它被称为辛普森的规则。
这将在第 14 章中详细讨论。