Лабораторная работа №4. Процедуры и функции
Постановка задачи
Основная задача.
Написать программу для численного интегрирования функций и на любом отрезке с заданной точностью. Отладить программу при помощи интегрирования функций, для которых известны аналитические выражения первообразных (т.е. можно рассчитать точные значения интегралов и сравнить их с полученными приближенными). При расчете и выводе приближенных значений на экран ограничиться шестью десятичными знаками, для точных выводить 12 знаков.
Дополнительные задачи.
1. Организовать меню из четырех пунктов (интегрирование функций , , , ). Написать процедуру PrintIntegr, в которую будут передаваться две функции: интегрируемая функция и ее первообразная. Процедура должна выдавать на экран приближенное и точное значения интеграла. При выборе последних двух функций, для которых первообразная неизвестна, передавать в процедуру вместо первообразной значение NIL. Процедура должна корректно обрабатывать этот случай и не выдавать в этом случае точного значения интеграла.
2. Добавить в меню пункт «Выход» и организовать в основной программе внешний цикл WHILE, как в третьей лабораторной работе. Организовать в процедуре PrintIntegr цикл REPEAT, который будет выполняться, пока на запрос «Продолжить вычисление (Y/N) ?» не будет введено «N».
Математическая модель
Интеграл приближенно заменяем суммой:
,
что эквивалентно замене площади под кривой набором отдельных прямоугольников, как показано на следующем рисунке.
Для тестирования программы будем применять две функции с известными первообразными:
, ,
, .
Точное значение интеграла будем рассчитывать по формуле Ньютона-Лейбница: .
Описание алгоритма
Алгоритм Sum. Вход: функция f, отрезок [a,b], количество разбиений n. Выход: приближенное значение интеграла, замененное интегральной суммой .
А. Начать исполнение.
1. Рассчитать .
2. Записать в результат значение 0.
3. Для значений i от 0 до n-1 повторять:
А. Увеличить результат на .
4. Конец цикла.
Б. Закончить исполнение.
Алгоритм Integr. Вход: функция f, отрезок [a,b], точность результата δ. Выход: значение интеграла с точностью.
А. Начать исполнение.
1. Присвоить n значение 8.
2. Записать в результат (переменную Result) приближенное значение интеграла функции f на отрезке [a,b] с разбиением на n частей.
3. Повторять:
А. Записать результат в переменную P.
Б. Удвоить n.
В. Записать в результат приближенное значение интеграла функции f на отрезке [a,b] с разбиением на n частей (подпрограмма Sum).
4. Конец цикла при условии |Result-P|<δ (т.е. результат по сравнению с предыдущим изменился менее чем на заданную точность).
Б. Закончить исполнение.
Алгоритм PrintIntegr. Вход: функция для интегрирования f и (необязательно) ее первообразная G.
А. Начать исполнение.
1. Повторять:
А. Вывести сообщение "Введите отрезок интегрирования [a,b]".
Б. Ввести a,b.
В. Вывести "Приближенное значение интеграла равно", Integr(f,a,b,10-6), "±0.000001".
Г. Если известна первообразная, то вывести "Точное значение интеграла равно", G(b)-G(a).
Д. Вывести сообщение "Продолжить вычисление (Y/N) ?".
Е. Ввести символ ot.
2. Конец цикла при условии ot='N'.
Б. Закончить исполнение.
Алгоритм Lab4.
А. Начать исполнение.
1. Присвоить переменной Loop значение "истина".
2. Пока Loop имеет значение "истина", повторять:
А. Вывести на экран меню: "1 – Интегрирование функции
2 – Интегрирование функции
3 – Интегрирование функции
4 – Интегрирование функции
5 – Выход".
Б. Вывести сообщение "Выберите пункт меню".
В. Ввести n.
Г. Исследовать n:
1. Если n=1, то вызвать подпрограмму PrintIntegr для функции f1 с первообразной G1.
2. Если n=2, то вызвать подпрограмму PrintIntegr для функции f2 с первообразной G2.
3. Если n=3, то вызвать подпрограмму PrintIntegr для функции f3 без первообразной.
4. Если n=4, то вызвать подпрограмму PrintIntegr для функции f4 без первообразной.
5. Если n=5, то присвоить переменной Loop значение "ложь".
3. Конец цикла.
Б. Закончить исполнение.
Текст программы
program Lab4;
{$APPTYPE CONSOLE}
uses SysUtils;
type
Func=function (x:Real):Real;
function Sum(f:Func;a,b:Real;n:Integer):Real;
var
dx:Real;
i:Integer;
begin
dx:=(b-a)/n;
Result:=0;
for i:=0 to n-1 do
Result:=Result+dx*f(a+i*dx+dx/2);
end;
function Integr(f:Func;a,b,MaxError:Real):Real;
var
n:Integer;
Prev:Real;
begin
n:=8;
Result:=Sum(f,a,b,n);
repeat
Prev:=Result;
n:=n*2;
Result:=Sum(f,a,b,n);
until Abs(Result-Prev)<MaxError;
end;
procedure PrintIntegr(f,G:Func);
var
a,b:Real;
ch:Char;
begin
repeat
Write('Введите отрезок интегрирования: ');
ReadLn(a,b);
Writeln('Приближенное значение интеграла: ',
Integr(f,a,b,1e-6):1:6,'+-',1e-6:1:6);
if @G<>nil then
Writeln('Точное значение интеграла: ',
G(b)-G(a):1:10);
Write('Продолжить вычисление (Y/N) ? ');
Readln(ch);
until UpCase(ch)='N';
end;
function f1(x:Real):Real;
begin f1:=x*sin(x) end;
function G1(x:Real):Real;
begin G1:=sin(x)-x*cos(x) end;
function f2(x:Real):Real;
begin f2:=sqr(cos(x)) end;
function G2(x:Real):Real;
begin G2:=x/2+sin(2*x)/4 end;
function f3(x:Real):Real;
begin f3:=sin(x)/x end;
function f4(x:Real):Real;
begin f4:=exp(sqr(x)) end;
var
n:Integer;
Loop:Boolean;
begin
Loop:=True;
while Loop do
begin
Writeln('Меню:');
Writeln('1. Интеграл функции x*sin(x)');
Writeln('2. Интеграл функции sqr(cos(x))');
Writeln('3. Интеграл функции sin(x)/x');
Writeln('4. Интеграл функции exp(sqr(x))');
Writeln('5. Выход из программы');
Write('Выберите пункт меню: ');
Readln(n);
Writeln;
case n of
1:PrintIntegr(f1,G1);
2:PrintIntegr(f2,G2);
3:PrintIntegr(f3,nil);
4:PrintIntegr(f4,nil);
5:Loop:=False;
end;
Writeln;
end;
end.
Тест
Сначала необходимо отладить программу на функциях, для которых известна первообразная. В таблице тестов привести приближенные и точные значения интегралов, выдаваемых программой. Они должны совпадать с точностью до выбранной погрешности результата. Пример таблицы тестов приведен далее.
| Функция | a | b | Приближенное значение интеграла | Точное значение интеграла |
| x sinx | 0.301168±0.000001 | 0.3011686789 | ||
| x sinx | 1.741591±0.000001 | 1.7415910999 | ||
| x sinx | 1.369507±0.000001 | 1.3695063979 | ||
| x sinx | 3.111098±0.000001 | 3.1110974979 | ||
| cos2 x | 0.727325±0.000001 | 0.7273243567 | ||
| cos2 x | 0.810799±0.000001 | 0.8107993762 | ||
| cos2 x | 0.619347±0.000001 | 0.6193467493 | ||
| cos2 x | 1.430146±0.000001 | 1.4301461255 | ||
| sin x/x | 0.659330±0.000001 | – | ||
| sin x/x | 0.243239±0.000001 | – | ||
| sin x/x | 0.902570±0.000001 | – | ||
| ex2 | 1.462652±0.000001 | – | ||
| ex2 | 14.989976±0.000001 | – | ||
| ex2 | 16.452628±0.000001 | – |
Для функций с неизвестными первообразными произвести расчет интеграла для интервалов, приведенных таблице.