数学建模--微分、积分和微分方程ppt课件

.,微分、积分和微分方程,实验四,.,定积分-连续求和,.,定积分-连续求和,.,三种方法计算数值积分,（1）定义法，取近似和的极限。高等数学中不是重点内容但数值积分的各种算法却是基于定义建立的（2）用不定积分计算定积分。不定积分是求导的逆运算，而定积分是连续变量的求和（曲边梯形的面积）表面上看是两个完全不同的概念，通过牛顿莱布尼兹公式联系在一起，（3）解微分方程计算定积分,.,微积分学基本定理,特别，F(b)-F(a)就是所需的定积分.在高等数学中总是期望求出不定积分的封闭解.但数值积分是更有用的工具。牛顿莱布尼兹公式不愧为微积分的“基本定理”。,.,基本定理的推广（解微分方程计算定积分）,.,基本定理的推广（解微分方程计算定积分）,.,解微分方程的Eular折线法,.,解微分方程的Eular折线法,将区间n=4等分（共有5个分点)；计算分点和相应的函数值（x(1),x(2),x(3)x(4)x(5)（f(1),f(2),f(3),f(4),f(5)在第一个子区间x(1),x(2)上，画出折线段y(2)=y(1)+f(1)*(x-x(1)代替解曲线段y(x)，这里y(1)=y0=0折线段的起点为x(1),y(1)，终点为x(2),y(2).运行exp4_1.m，观察第二、三、四子区间的情况。,.,符号微积分,用Matlab符号工具箱（SymbolicToolbox）可以进行符号演算,.,符号微积分(创建符号变量）,symvar创建单个符号变量；symsvar1var2创建多个符号变量；f=sym(符号表达式)创建符号表达式，赋予f；equ=sym(equation)创建符号方程。,.,符号微积分(极限）,limit(表达式,var,a)：求当vara，表达式的极限例：求极限：,symsxaI1=limit(sin(x)-sin(3*x)/sin(x),x,0)运行结果,.,符号微积分(求导）,diff(f,var,n)求f对变量var的n阶导数缺省n时为求一阶导数缺省变量var时，默认变量为x可用来求单变量函数导数多变量函数的偏导数还可以求抽象函数的导数,.,符号微积分(求导）,例：求,symsxyf=sym(exp(-2*x)*cos(3*x(1/2)diff(f,x)运行,.,符号微积分(求导）,symsxyg=sym(g(x,y)f=sym(f(x,y,g(x,y)diff(f,x)diff(f,x,2)运行,例：求,.,符号微积分(积分）,int(f,var)：求函数f的不定积分；int(f,var,积分下限，积分上限)：求函数f的定积分或广义积分例：求不定积分,symsxyzI1=int(sin(x*y+z),z),.,符号微积分(积分）,symsxyzI2=int(1/(3+2*x+x2),x,0,1)I3=int(1/(3+2*x+x2),x,-inf,inf),.,符号微积分(化简、提取和代入),符号运算的结果比较繁琐，使用化简指令可对其进行化简。但是不能指望机器可以完成一切，人的推理往往必须的。常用的化简指令如下展开指令：expand(表达式)；因式分解：factor(表达式)降幂排列：collect（表达式，var）；一般化简：simplify(A)；,.,符号微积分(化简、提取和代入),观察：将展开(a+x)6-(a-x)6，然后作因式分解。t_expand=expand(t)t_factor=factor(t_expand)t_simplify=simplify(t)观察结果,.,数值微积分（梯形公式和辛普森公式）,trapz(x,y)，按梯形公式计算近似积分；其中步长x=x0 x1xn和函数值y=f0f1fn为同维向量，q=quad(fun,a,b,tol,trace,P1,P2,.)（低阶方法，辛普森自适应递归法求积）q=quad8(fun,a,b,tol,trace,P1,P2,.)（高阶方法，自适应法Cotes求积）在同样的精度下高阶方法quad8要求的节点较少。,.,x,y=ode23(fun,tspan,y0,option)（低阶龙格库塔函数）x,y=ode45(fun,tspan,y0,option)（高阶龙格库塔函数）,.,应用、思考和练习(追击问题),我缉私雷达发现，距离d处有一走私船正以匀速a沿直线行驶，缉私舰立即以最大速度（匀速v）追赶。若用雷达进行跟踪，保持船的瞬时速度方向始终指向走私船，缉私舰的运动轨迹是怎样的？是否能够追上走私船？如果能追上，需要用多长时间？,.,应用、思考和练习(追击问题),.,应用、思考和练习(追击问题),r=dsolve(eq1,eq2,cond1,cond2,v)方程的符号解symsydrxs1=dsolve(D2x=-r*sqrt(1+Dx2)/y,x(20)=0,Dx(20)=0,y)xs=simplify(xs1)运行结果，画彗星图,.,应用、思考和练习(追击问题),r=dsolve(eq1,eq2,cond1,cond2,v)方程的符号解symsydrxs1=dsolve(D2x=-r*sqrt(1+Dx2)/y,x(20)=0,Dx(20)=0,y)xs=simplify(xs1)运行结果，画彗星图,.,应用、思考和练习(追击问题，如果雷达失效),当缉私舰雷达发现d处有一走私船后，雷达突然损坏若假定走私船作匀速直线运动（但不知方向），且缉私舰艇速度v大于走私船速度a，则缉私舰应采用什么样的航行路线，不管走私船从哪个方向逃跑，都能追捕上它？,.,实时动画制作（见实验10）,观察：模拟弹簧振动讨论最简单的情形，一弹簧系统作横向运动，其位移由u=2+cos(t)所决定，仿真弹簧的振动,.,实时动画制作(初始化、见实验10）,程序讲解animinit(onecart1Animation)axis(-26-1010);holdon;u=2;xy=0000uuu+1u+1uu;-1.201.2001.21.2-1.2-1.20;x=xy(1,:);y=xy(2,:);plot(-1020,-1.4-1.4,k-,LineWidth,2);hndl=plot(x,y,k-,EraseMode,XOR,LineWidth,2),.,实时动画制作(初始化、见实验10）zxy10-2,set(gca,UserData,hndl);fort=1:0.025:1000;u=2+exp(-0.00*t)*cos(t);x=0000uuu+1u+1uu;hndl=get(gca,UserData);set(hndl,XData,x,YData,y);drawnowend,.,电影动画制作（zxy7_3),moviein、getframe、movie指令x=-8:0.5:8;XX,YY=meshgrid(x);r=sqrt(XX.2+YY.2)+eps;Z=sin(r)./r;surf(Z);%画出祯theAxes=axis;%保存坐标值，使得所有帧都在同一坐标系中,.,电影动画制作,fmat=moviein(20);%创建动画矩阵，保存20祯forj=1:20;%循环创建动画数据surf(sin(2*pi*j/20)*Z,Z)%画出每一步的曲面axis(theAxes)%使用相同的坐标系fmat(:,j)=getframe;%拷贝祯到矩阵fmat中endmovie(fmat,10)%演示动画10次,.,应用、思考和练习(枪支的设计),枪支发火后，气体压强随子弹在膛内的运动而变化。枪管长度x的单位为m。压强p是距离x的函数，通过实测得到了的一批数据，子弹射出枪管时的出口速度是设计者关心的问题，如果一只枪管长0.6096m，其膛孔面积4.5610-5m2，子弹重量0.956N，试决定这种型号枪支的出口速