一般区域二重、三重积分MATLAB计算方法

【MATLAB】数据分析之函数数值积分 一、数值积分问题的数学表达 称为积分节点,称为求积系数。右端公式称为左端定积分的某个数值积分。MATLAB支持三重以下的积分运算。分别为:              在计算积分时,要求积分区间是确定的。 二、一元函数的数值积分 1、quad函数:采用遍历的自适应辛普森法计算函数的数值积分。                         适用于精度要求低,被积函数平滑性差的数值... 阅读详情
这里讨论的计算方法指的是利用现有的MATLAB函数来求解,而不是根据具体的数值计算方法来编写相应程序。目前最新版的2009a有关于一般区域二重积分的计算函数quad2d,但没有一般区域三重积分的计算函数,而NIT工具箱似乎也没有一般区域三重积分的计算函数。
本贴的目的是介绍一种在7.X版本MATLAB(不一定是2009a)里求解一般区域二重三重积分的思路方法。需要说明的是,在MATLAB的dblquad帮助文档里已经讨论了一种求解一般区域二重三重积分的思路方法,就是将被积函数“延拓”到矩形或者长方体区域,但是这种方法不可避免引入很多乘0运算浪费时间。因此,新的思路将避免这些。由于是调用已有的MATLAB函数求解,在求一般区域二重积分时,效率和2009a的quad2d相比有一些差距,但是相对于"延拓"函数的做法,效率大大提高了。下面结合一些简单例子说明下计算方法。
譬如二元函数f(x,y) = x*y,y从sin(x)积分到cos(x),x从1积分到2,这个积分可以很容易用符号积分算出结果

  1. syms x 
  2. y
  3. int(int(x*y,y,sin(x),cos(x)),1,2) ]
  4. 结果是 
  5. -1/2*cos(1)*sin(1)-1/4*cos(1)^2+cos(2)*sin(2)+1/4*cos(2)^2 = 
  6. -0.635412702399943
复制代码
如果你用的是2009a,你可以用
  1. quad2d(@(x,y) 
  2. x.*y,1,2,@(x)sin(x),@(x)cos(x),'AbsTol',1e-12)
复制代码
得到上述结果。
如果用的不是2009a,那么你可以利用NIT工具箱里的quad2dggen函数。
那么我们如果既没有NIT工具箱用的也不是2009a,怎么办呢?
答案是我们可以利用两次quadl函数,注意到quadl函数要求积分表达式必须写成向量化形式,所以我们构造的函数必须能接受向量输入。见如下代码

  1. function 
  2. IntDemo
  3. function f1 = myfun1(x)
  4. f1 = zeros(size(x));
  5. for k = 
  6. 1:length(x)
  7. f1(k) = quadl(@(y) 
  8. x(k)*y,sin(x(k)),cos(x(k)));
  9. end
  10. end
  11. y = 
  12. quadl(@myfun1,1,2)
  13. end
复制代码
myfun1函数就是构造的原始被积函数对y积分后的函数,这时候是关于
x的函数,要能接受向量形式的x输入,所以构造这个函数的时候考虑到x是向量的情况。
利用arrayfun函数(7.X后的版本都有这个函数,不了解这个函数的朋友可以查看帮助文档,或者百度搜索arrayfun)可以将IntDemo函数精简成一句代码:
  1. quadl(@(x) 
  2. arrayfun(@(xx) quadl(@(y) 
  3. xx*y,sin(xx),cos(xx)),x),1,2)
复制代码
上面这行代码体现了用MATLAB7.X求一般区域二重积分的一般方法。可以这么理解这句代码:
首先
  1. @(x) 
  2. arrayfun(@(xx) quadl(@(y) 
  3. xx*y,sin(xx),cos(xx)),x)
复制代码
定义了一个关于x的匿名函数,供quadl调用求最外重(x从1到2的)积分,这时候,x对于
  1. arrayfun(@(xx) 
  2. quadl(@(y) xx*y,sin(xx),cos(xx)),x)
复制代码
就是已知的了。
而
  1. @(xx) quadl(@(y) 
  2. xx*y,sin(xx),cos(xx))
复制代码
定义的是对于给定的xx,求xx*y关于y的积分函数,这就相当于数学上积完第一重y的积分后得到一个关于xx的函数
而
  1. arrayfun(@(xx) 
  2. quadl(@(y) xx*y,sin(xx),cos(xx)),x)
复制代码
只是对
  1. @(xx) quadl(@(y) 
  2. xx*y,sin(xx),cos(xx))
复制代码
加了一个循环的壳,保证“积完第一重y的积分后得到一个关于xx的函数”能够接受向量化的xx的输入,从而能够被quadl调用。
有了这个模板,我们可以方便求其他一般积分区域(上下限是函数)形式的二重积分,例如被积函数
f 
= @(x,y) 
exp(sin(x))*ln(y),y从5*x积分到x^2,x从10积分到20。
用quad2d,上面介绍的方法,还有dblquad帮助文档里给的延拓函数的方法

  1. tic,y1 
  2. = quad2d(@(x,y) exp(sin(x)).*log(y),10,20,@(x)5*x,@(x)x.^2),toc
  3. tic,y2 = 
  4. quadl(@(x) arrayfun(@(x) quadl(@(y) 
  5. exp(sin(x)).*log(y),5*x,x.^2),x),10,20),toc
  6. tic,y3 = dblquad(@(x,y) 
  7. exp(sin(x)).*log(y).*(y>=5*x & y<=x.^2),10,20,50,400),toc
  8. y1 
  9. =
  10. 9.368671342614414e+003
  11. Elapsed time is 0.021152 seconds.
  12. y2 
  13. =
  14. 9.368671342161189e+003
  15. Elapsed time is 0.276614 seconds.
  16. y3 
  17. =
  18. 9.368671498376889e+003
  19. Elapsed time is 1.674544 
  20. seconds.
复制代码
可见上述方法在2009a以外的版本中不失为一种方法,起码效率高于dblquad帮助文档里推荐的做法。更重要的是,这给我们求解一般区域三重积分提供了一种途径。
MATLAB积分计算与积分变换 积分计算 命令 说明 int(f)int(f)int(f) 计算函数fff的不定积分 int(f,x)int(f,x)int(f,x) 计算函数fff关于自变量x的不定积分 int(f,a,b)int(f,a,b)int(f,a,b) 计算函数fff在区间[a,b][a,b][a,b]上的定积分 int(f,x,a,b)int(f,x,a,b)int(f,x,a,b) ... 阅读详情

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魏王天下
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