Phương pháp số và lập trình - Nội suy, Đạo hàm, Tích phân

PHƯƠNG PHÁP SỐPHƯƠNG PHÁP SỐ
VÀ LẬP TRÌNH
GV: Hoàng Đỗ Ngọc Trầm

1. Nội suy đa thức
1.1. Vấn đề nội suy
1.2. Nội suy bằng đa thức Lagrange
1.3. Nội suy bằng phương pháp bình phương tối thiểu
Nội suy đa thức
Đạo hàm và tích phân
2. Đạo hàm
2.1. Đạo hàm số của hàm liên tục
2.2. Đạo hàm số của hàm rời rạc
3. Tích phân
3.1. Tích phân hàm liên tục
3.2. Tích phân hàm rời rạc

1. Biết cách nội suy đa thức.
2. Biết cách tính đạo hàm và tích phân.
3. Viết được chương trình tính đạo hàm và tích
Mục tiêu
3. Viết được chương trình tính đạo hàm và tích
phân.

Nhu cầu nội suy
Trong thực tế đo đạc, ta thường xây dựng kết quả đo dưới
dạng bảng số:
• Muốn biết giá trị của y tại x = x*(không có trong bảng)?
• Cần tìm một hàm số mô tả mối quan hệ y= f(x)?
Đa thức nội suy: y=f(x) sao cho f(xi)=yi

Nội suy bằng đa thức Larange
sao cho .
- Nội suy bậc nhất
- Nội suy bậc hai
- Nội suy bậc n

Nội suy bằng đa thức Larange bậc nhất
Ta xây dựng đa thức dưới dạng:
Đa thức Larange bậc nhất:

Nội suy bằng đa thức Larange bậc hai
Ta xây dựng đa thức dưới dạng:
Đa thức Larange bậc hai:

Nội suy bằng đa thức Larange bậc n
Đa thức Larange bậc n:
với
1,
n
j
i
j j i i j
x x
L
x x= ≠
−
=
−
∏

Nội suy bằng đa thức Newton
Giả sử ta đa thức nội suy cho tập dữ liệu n điểm khác
nhau .
Khi thêm vào 1 điểm dữ liệu mới , ta xây dựng lại đa
thức nội suy mới:
1( )nP x−
( ), , 1,i ix y i n=
( )1 1,n nx y+ +
với
( )1 0 1
1
( ) ( ) ; ( )
n
n n n i
i
P x P x C x x P x y−
=
= + − =∏
( )
( ) ( )
0 1
1 1 1 1 1 1
1 1
1 1
1 1
( ) ;
( ) ( ) ( )
( ) .n n n n n n n
n n n n n n
n i n i
i i
P x y
P x P x y P x
P x y C x
x x x x
+ − + + − +
+ +
+ +
= =
=
− −
= → = =
− −∏ ∏

Nội suy bằng đa thức Newton
-Xác lập bậc của đa thức (n-1), giá trị cần tính nội suy của hàm
tại đó, các điểm dựng nên đa thức nội suy
- For i=0,n:
- For j-1,n:
( ), , 1,i ix y i n=
0i iD y=
- For j-1,n:
For i=j,n:
- Tính
, 1 1, 1i j i j
ij
i i j
D D
D
x x
− − −
−
−
=
−
( ) ( ) ( )( )00 11 0 22 0 1
0 1
...
( )( )...( )
n
nn n
P x D D x x D x x x x
D x x x x x x
= + − + − − +
+ − − −

Phương pháp bình phương tối thiểu
• Ta cần tìm mối quan hệ giữa x và y.
• Giả sử có thể mô tả mối quan hệ này thông qua hàm số
y = f(x) sao cho sai khác của nó với hàm thực sự là nhỏ
nhất.
• Sử dụng điều kiện cực trị của bình phương độ sai lệch
của hàm f với hàm thực sự tại các giá trị tới hạn, ta suy
ra được các hệ số của hàm f.

Phương pháp bình phương tối thiểu
Ta định nghĩa hàm tổng bình phương sai số:
Do hàm f(x) là rất gần với hàm thực sự nên ta có điều kiệu
sau (điều kiện bình phương tối thiểu):
• Hàm bậc nhất
• Hàm bậc hai

Phương pháp bình phương tối thiểu – hàm bậc nhất
Hàm cần tìm có dạng .
Điều kiện bình phương tối thiểu cho ta hệ phương trình:
Giải hệ này, ta tìm được các hệ số a và b.

Phương pháp bình phương tối thiểu – hàm bậc hai
Hàm cần tìm có dạng .
Điều kiện bình phương tối thiểu cho ta hệ phương trình:
Giải hệ này, ta tìm được các hệ số a, b và c.

Ví dụ
Tìm hàm xấp xỉ bậc nhất và bậc hai của hàm số cho bởi
bảng dưới đây:
a)
b)

Đạo hàm hàm liên tục:
Cho một hàm số liên tục, yêu cầu tính đạo hàm tại một vị
trí x*.
Giải pháp:
Sử dụng định nghĩa đạo hàm:
Đạo hàm
Sử dụng định nghĩa đạo hàm:

1. Xác lập hàm cần lấy đạo hàm f(x), hai biên xa , xb , số
điểm cần lấy đạo hàm n.
2. Tính bước nhảy giữa hai điểm cần lấy đạo hàm:
h=(xb - xa)/n
Đạo hàm
3. For i= 0, 1, 2,…, n: tính f(xa+ih).
4. For i= 1, 2,…, n-1: tính đạo hàm bằng công thức:
( )
( )( ) ( )( )
( )
( )( ) ( ) ( )( )
2
1 1
' *
2
1 2 * 1
'' *
a a
a
a a a
a
f x i h f x i h
f x i h
h
f x i h f x i h f x i h
f x i h
h
+ + − + −
+ =
+ + − + + + −
+ =

Đạo hàm hàm rời rạc:
Cho một hàm số dưới dạng bảng số rời rạc, yêu cầu tính
đạo hàm tại một vị trí x*.
Giải pháp:
1.Sử dụng định nghĩa đạo hàm nếu khoảng cách lưới đủ
Đạo hàm
1.Sử dụng định nghĩa đạo hàm nếu khoảng cách lưới đủ
nhỏ.
2.Sử dụng nội suy, tìm ra hàm liên tục tương ứng. Sau đó,
tìm đạo hàm theo phương pháp đạo hàm của hàm liên
tục.

Tích phân hàm liên tục:
Cho hàm số liên tục trên đoạn , tính tích phân:
Tích phân
Giải pháp:
- Dùng công thức nguyên hàm
- Phương pháp hình thang
- Phương pháp Simpson

Tích phân hàm liên tục – phương pháp hình thang:
Khai triển Tay lor:
Tích phân
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )( )
0
0
2 3
0 0 0
1 1
' '' ...
2! 3!
1 1
x
xx
f x dx f x x f x x f x x
+∆
= ∆ + ∆ + ∆ +
 
∫
=> Quy tắc hình thang
( ) ( ) ( )( )
( ) ( ) ( )
0 0 0
0 0
3
1 1
' ... ...
2 2
1
2
f x f x f x x x
f x f x x x x
 
= + + ∆ + + ∆  
 = + + ∆ ∆ +  Θ ∆

Tích phân
y
( ) ( ) ( )
0
0
0 0
1
2
x x
x
f x dx f x f x x x
+∆
 = + + ∆ ∆ ∫
0x x+ ∆0x x
Quy tắc hình thang

Tích phân
y
Quy tắc hình thang phức
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
0
0
0 0 0 02 2 2 ...
2
x n x
x
x
f x dx f x f x x f x x f x n x
+ ∆
∆
 = + + ∆ + + ∆ + + + ∆ ∫
0x n x+ ∆0x x

Tích phân
Tích phân hàm liên tục – phương pháp hình thang:Tích phân hàm liên tục – phương pháp hình thang:
- Lập hàm f(x), xác định 2 biên x1 , x2 , số điểm cần lấy tích
phân n.
- Tính ( )1 0 /x x x n∆ = −
- For i=0, (n-1):
( ) ( )( )0 0 1
2
x
TP TP f x i x f x i x
∆
 = + + ∆ + + + ∆ 

Tích phân
y
Quy tắc điểm giữa
( ) ( ) ( )
0
0
/2
3
/2
0 0
1
'' ...
24
x x
xx
f x dx f x x f x x
+∆
−∆
= ∆ + ∆ +∫
0x x+ ∆0x x

Tích phân
y
Quy tắc điểm giữa phức hợp
( )
0
0
1
0
0
1
2
x n x n
ix
f x dx x f x i x
+ ∆ −
=
  
=∆ + + ∆  
  
∑∫
0x n x+ ∆0x x

Tích phân
y
=> AD cho hàm dưới dấu TP kì dị làm quy tắc hình thang phá sản!
0x n x+ ∆0x x

Tích phân hàm liên tục – phương pháp Simpson:
Tăng độ chính xác: - giảm
- tăng độ chính xác hàm lấy TP
Quy tắc Simpson
Tích phân
x∆
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( )
( )
( ) ( ) ( ) ( )
0
0
2 3
0 0 0
44 5
0 0
2
0
5
0 0
4
2 ' ''
3
2 4
''' ...
3 15
....
4 2
3
x
x
x
f x dx f x x f x x f x x
f x x f x x
x
f x f x x f x xx
+ ∆
= ∆ + ∆ + ∆
+ ∆ + ∆ +
=
∆
 = + + ∆ + + ∆ +  Θ ∆
∫

Tích phân hàm liên tục – phương pháp Simpson:
-Chia nhỏ thành n bước
- Định trị qua 3 điểm: các khoảng con chẵn => n=2m
Quy tắc Simpson phức hợp
Tích phân
( )
( ) ( )( )
( )( )
1
0
1
0 0
0 0
2 4 2 1
3 2 2
x m
ix
f x i x f x i xx
f x dx
f x i x
−
=
 + ∆ + + + ∆∆
 =
+ + + ∆  
∑∫

Tích phân hàm liên tục – phép cầu phương Gauss:
-Khai triển Taylor tại các điểm và lân cận
Tích phân
( )
( ) ( ) ( )( ) ( )( )
( ) ( ) ( )( ) ( )( )
0
0
2 3
0 0 0 0
2 3
0 0 0 0
1 1
' '' ''' ...
2 2
1 12
' '' ''' ...
2 2
x x
x
f x f x x f x x f x x
x
f x dx
f x f x x f x x f x x
α α α
β β β
+∆
 
+ ∆ + ∆ + ∆ + ∆
=  
 + + ∆ + ∆ + ∆ +
  
∫
0x xα+ ∆ 0x xβ+ ∆ 0x
- Đồng nhất thức:
( ) ( ) ( )( ) ( )( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
0 0 0 0
2 3 4
2 2 3 3
0 0 0 0
2 2
' '' ''' ...
2 4 12
x x x
xf x f x f x f xα β α β α β
  
∆ ∆ ∆
= ∆ + + + + + + +
( )2 2
1
/ 4 1/ 6
α β
α β
+ =
+ =
( ) ( )
0
0
4
0 0
1 3 1 3
2 2 6 2 6
x x
x
x
f x dx f x x f x x x
+∆        ∆
= + − ∆ + + + ∆ +Θ ∆                  
∫

Tích phân hàm liên tục – phép cầu phương Gauss:
Tích phân
( ) ( )
1
0
1
4
0 0
0
1 3 1 3
2 2 6 2 6
x n
ix
x
f x dx f x x f x x x
−
=
       ∆
= + − ∆ + + + ∆ +Θ ∆                  
∑∫

Tích phân hàm rời rạc:
Cho hàm số dưới dạng bảng số rời rạc , tính tích phân:
Giải pháp:
Tích phân
Giải pháp:
1.Dùng nội suy tìm dạng hàm liên tục trên mỗi khoảng nhỏ.
2.Tính diện tích trên mỗi khoảng nhỏ theo các phương pháp
đã học,. . . hoặc sử dụng công thức nguyên hàm với trường
hợp hàm nội suy đa thức.
3.Cộng các diện tích trên các khoảng lại.

Phương pháp số và lập trình - Nội suy, Đạo hàm, Tích phân

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Viewers also liked

Viewers also liked (17)

Similar to Phương pháp số và lập trình - Nội suy, Đạo hàm, Tích phân

Similar to Phương pháp số và lập trình - Nội suy, Đạo hàm, Tích phân (20)

More from Hajunior9x

More from Hajunior9x (16)

Recently uploaded

Recently uploaded (14)

Phương pháp số và lập trình - Nội suy, Đạo hàm, Tích phân