求定积分

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定积分 定积分的数值计算 定积分的图形示意


 (define (cube  x) (* x  x x))
 ;;;累加
(define (sum-integer a b)
  (if (> a b)
     0
     (+ a (sum-integer (+ a 1) b))))

(sum-integer 1 10)
;;;立方累加
(define (sum-cube a b)
  (if (> a b)
     0
     (+ (cube a) (sum-cube (+ a 1)  b))))
(sum-cube 1 3)
;;; 求Pi 值 分数累加
(define (sum-pi a b)
  (if (> a b)
     0
     (+ (/ 1.0 (* a (+ a 2))) (sum-pi (+ a 4) b))))
(sum-pi 1 9)

观察上面的积分过程 ##最终提取出公共的形式 Sum


;; (define (<name> a b)
;;  (if (> a b)
;;  0
;;  (+ (<term> a) (<name> (<next>a) b))))

于是我们可以得到


(define (sum term a next b)
  (if (>  a b)
     0
     (+ (term a) (sum term (next a)  next b))))

And Apply the sum to get the sum-integer2 sum-cube2 sum-pi2

(define (sum-integer2 a b) (sum (lambda (x) x) ((lambda (x) (+ x 1)) a) (lambda (x) (+ x 1)) b)) ;;;-->There is some problems

;> (sum-integer2 1 10)
;54  ------------------------>Why
;> (sum-integer 1 10)
;55

(define (identity x) x)
(define (inc x) (+ x 1))
(define (sum-integer3 a b) (sum identity a inc b))
(sum-integer3 1 3)
(define (sum-cube2 a b) (sum cube a inc b))
(sum-cube2 1 3)
(define (sum-pi2 a b) 
  (define (pi-term x)
    (/ 1.0 (* x (+ x 2))))
  (define (pi-next x)
    (+ x 4))
  (sum pi-term a pi-next b))
(sum-pi2 1 9)
(* 8 (sum-pi2 1 1000))

也就是我们现在可以计算积分了! 我们的问题是求解下面的定积分: 定积分

;;;; So now we can do the integrate computing

;;Because integrate will have the same function but different next function
;;;a-b 之间关于f函数的定积分的求法
(define (integral f a b dx)
  (define (add-dx x) (+ x dx))
  (define (update-a a dx) (+ a (/ dx 2.0)))
  (* (sum f (update-a a dx) add-dx b) dx))
(integral cube 0 1 0.01)
(integral cube 0 1 0.001)
(integral cube 0 1 0.0001)
(/ 1 4.0)
(/ (* 1 (cube 1)) 4.0)


;result:
;0.24998750000000042
;0.249999875000001
;0.24999999874993412
;0.25
;0.25

为了更精确的求解积分,我们使用更为精妙的辛普森积分 辛普森的抛物线积分方法 辛普森的数学公式 最终简化 ###包含奇数的两倍 和偶数的四倍,两边不加倍

  1. h = (b-a)/n
  2. yk= f(a+kh) —> next
  3. (even? k) (odd? k)
  4. y0 =a yn= b

a. 设计的过程遇到的问题是 参数的问题 需要设置k? b. 中间过程的问题,如何划分三种情况 b.1 k为0和n的情况 b.2 k为奇数的情况 b.3 k为偶数的情况

最终, 利用Fact的思想 进行求积分

;;; 下面是一个较为混乱的设计,且没有考虑使用sum

(define (simpson-integral f a b n)
(let ((h (/ (- b a) n))
      (k 0))
(define inc (+ a (* k h)))
(define inc2 (* 2 f(inc)))
(define inc4 (* 4 f(inc)))
  (cond
    ((= k 0) (f a))
    ((= k n) (f b))
    ((even? k) (+ (* 2 f((+ a (* k h))))  
)))

补充,好思想:保证最后一个为偶数

(define (round-to-next-even x)
 (+ x (remainder x 2))
)

于是有了下面较好的版本,思考,之前的Sum其实是已经提供了inc递增的a 以及范围,我们主要的目的就是写好term即可!而 term其实就是涉及到你需要思考的三种情况 之前你之所以回想不清楚,因为你没有斩断念头,term只接受一个参数, 这个参数其实就是你一直想的k,所以simpson-term的一个参数就是k,利用它 开始做文章即可

(define (simpson-integral f a b n)
    (define (round-to-next-even x)  (+ x (remainder x 2)))
    (define fixed-n (round-to-next-even n))
    (define h (/ (- b a) fixed-n))
    (define (simpson-term k) 
      (define y (f (+ a (* k h))))
      (cond 
          ((or (= k 0) (= k fixed-n))
            (* 1 y))
          ((even? k) (* 2 y))
          (else (* 4 y))))
    (* (/ h 3) (sum simpson-term 0 inc fixed-n))
 ))

;(simpson-integral cube 0 1 10)
;1/4

另外还有几种变体,只不过总体思路都在上面类似。

a1:breaking the problem into four parts: (f y0), (f yn) and two sums,one over even k and another over odd k

(define (another-simpson-integral f a b n) 
   (define h (/ (- b a) n))  
   (define (add-2h x) (+ x (* 2 h))) 
   (* (/ h 3.0) (+ (f a)  
                   (* 4.0 (sum f (+ a h) add-2h (- b h)))  
                   (* 2.0 (sum f (add-2h a) add-2h (- b h)))  
                   (f (+ a (* h n)))))) 

a2:Here’s a version that sums over pairs of terms (2 y_k + 4 y_k+1). No conditionals or special cases are needed anywhere, but there’s an extra term [f(b) - f(a)] to be added to the final count.

 (define (simpson f a b n) 
   (define h (/ (- b a) n)) 
    
   (define (y k) 
     (f (+ a (* k h)))) 
    
   (define (ypair k) 
     (+ (* 2 (y k)) 
        (* 4 (y (+ k 1))))) 
    
   (define (add-2 k) 
     (+ k 2)) 
    
   (* (/ h 3) (+ (sum ypair 0 add-2 (- n 1)) 
                 (- (f b) (f a))))) 

当然也可以写成下面的格式:

 (define (sim-integral f a b n) 
     (define h (/ (- a b) n)) 
     (define (y k) (f (+ a (* k h)))) 
     (define (coeff k) (if (is-even? k) 2 4)) 
     (define (part-term k) (* (coeff k) (y k))) 
     (define part-value (sum part-term 1 inc (- n 1))) 
     (* (/ h 3) (+ (y 0) (y n) part-value))) 

##下面是我重新写的一遍,包含一些计算问题的修正 1. 加入了n的修正 2. 重新认识了simpson算法的,当然还有些问题没有理解,比如f(b)-f(a), 在simpson-anthother-integrate中

新的源码如下:


;;; (let <var> <bindings> <body>)

(define (cube x) (* x  x  x))
(define (sum-integer a b)
  (if (> a b)
     0
     (+ a (sum-integer (+ a 1) b))))
(sum-integer 1 10)

(define (sum-cube a b)
  (if (> a b)
     0
     (+ (cube a) (sum-cube (+ a 1) b))))
(sum-cube  1 3)

(define (sum-pi a b)
  (if (> a b)
     0 
     (+ (/ 1.0 (* a (+ a 2))) (sum-pi (+ a 4) b))))
(sum-pi 1 10)
(sum-pi 1 100)

(define (sum term a next b)
  (if (> a b)
     0
     (+ (term a) (sum term  (next a) next b))))

(define (sum-integer2 a b)
  (define (identity x) x)
  (define (inc x) (+ x 1))
  (sum identity a inc b))
(sum-integer2 1 10)

(define (sum-cube2  a b)
  (define (cube x) (* x x x))
  (define (inc x) (+ x 1))
  (sum cube a inc b))
(sum-cube2 1 3)

(define (sum-pi2 a b)
  (define (pi-term x) (/ 1.0 (* x (+ x 2))))
  (define (pi-next x) (+ x 4))
  (sum pi-term a pi-next b))
(sum-pi2 1 10)

(define (integral f a b dx)
  (define const_a (+ a (/ dx 2.0)))
  (define (add_dx x) (+ x dx))
  (* (sum f const_a add_dx b) dx))

(integral cube 0 1 0.001)

(define (simpson-integral f a b n)
  (define (round-to-next-even x) (+ x (remainder x 2)))
  (define fixed-n (round-to-next-even n))
  (define (inc x) (+ x 1))
  (define h (/ (- b a) fixed-n))
  (define (simpson-term k)
    (define y (f (+ a (* h k))))
    (cond 
      ((or (= k 0) (= k fixed-n))
       (*  1  y))
      ((even? k)
       (* 2  y))
      (else (* 4 y))))
 ; (* (/ h 3) (sum simpson-term 0 inc b))) ;;; 0的意思表示从k=0开始,不能写成b,如果写成b表示你没有理解,因为0 fixed-n都代表的是K
  ;;这是次数的说法,而不是代表着a-b之间的求值范围,而是指求职的次数!
 (* (/ h 3) (sum simpson-term 0 inc fixed-n)))
(simpson-integral cube 0 1 10)
(simpson-integral cube 0 1 11)


;;一种变体 思路同上
;; 比较有趣的地方是分为四个节点出
;; 1  f(a)  ----》 y0
;; 2  f(a+h) 奇数的开始地方   add-2h方式累加都是奇数 同时终点是b-h  为什么?因为b在下面被暂用--》把它看待是一个奇数累加的过程 y1 y3 y5
;; 3  f(a+2h) 偶数的开始地方 add-2h方式累加都是偶数 同时终点是b-h--》把它看待是一个偶数累加的过程 y2 y4 y6..
;; 4  f(b)    最后一部分  yn
(define (simpson-another-integral f  a b n)
  (define h (/ (- b a) n))
  (define (add-2h x) (+  x (* 2.0 h)))  ;;; 
  (* (/ h 3.0) (+ (f a)
                          (* 4.0 (sum f (+ a h) add-2h (- b h)))  ;;; (+a h)表示起始点  (- b h) 表示的是终点
                          (* 2.0 (sum f (add-2h a) add-2h (- b h))) ;; 注意这边的(add2h a)表示的是起始点
                          (f (+ a (* h n))))))  ;; 也可以是(f b) 

;> (simpson-another-integral cube 0 1 11)
;0.1782892789654623
;> (simpson-another-integral cube 0 1 12)
;0.2499999999999999'

(define (simpson-another-integral-improve f  a b n)
  (define (round-to-next-even x) (+ x (remainder x 2)))
  (define fixed-n  (round-to-next-even n))
  (define h (/ (- b a) fixed-n))
  (define (add-2h x) (+  x (* 2.0 h)))  ;;; 
  (* (/ h 3.0) (+ (f a)
                          (* 4.0 (sum f (+ a h) add-2h (- b h)))  ;;; (+a h)表示起始点  (- b h) 表示的是终点
                          (* 2.0 (sum f (add-2h a) add-2h (- b h))) ;; 注意这边的(add2h a)表示的是起始点
                          (f (+ a (* h fixed-n)))))) ;;; (f b)的效果是一样  但是不正确! 现在
  
  (simpson-another-integral cube 0 1 11)
   (simpson-another-integral cube 0 1 12)
    (simpson-another-integral cube 0 1 111);;; 如果是奇数的话,现在解决的办法就是多增加一些计算!
   ;;;;;过程没错!!! 不知道哪边多加了!
   
    
 (define (simpson-pair-integral f a b n)
   (define (round-to-next-even x) (+ x (remainder x 2)))
   (define fixed-n  (round-to-next-even n))
   (define h (/ (- b a) fixed-n))
   (define (y k) ( f  (+ a (* k h))))
   (define (ypair k)
     (+ (* 2 (y k))
          (* 4 (y (+ k 1)))))
   (define (add-2 k)
     (+ k 2))
   (* (/ h 3) (+ (sum ypair 0 add-2 (- fixed-n 1))  
                (- (f b) (f a)))))  ;;; 为什么是减号  你可以看到这边的思想是抽出中间的偶数对的数据(奇数加上偶数 理当是加起来的)
                                          ;;;因为最后一个  为什么要计算 [f(b) - f(a)] 
 (simpson-pair-integral cube 1 3 1)
 (simpson-pair-integral cube 1 3 2)
 
 ;;;sim-integral 提高版  加入了 round-to-next-even使得计算准确,先前的sim-integral有问题
 (define (sim-integral f a b n)
   (define (round-to-next-even x) (+ x (remainder x 2))) ;;;得加上这个 才可以算准!!
   (define fixed-n  (round-to-next-even n))
   (define h (/ (- b a) fixed-n))
   (define (y k) (f (+ a (* k h))))
   (define (coeff k) (if (even? k) 2 4))
   (define (part-term k) (* (coeff k) (y k)))
   (define (inc x) (+ x 1))
   (define part-value (sum part-term 1 inc (- fixed-n 1)))
   (* (/ h 3) (+ (y 0) (y n) part-value)))
 (sim-integral cube 1 3 10)  ;;; 有问题 已解决
 (sim-integral cube 1 3 11) ;;; 有问题  已解决
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Ye Zhaoliang
Engineer of offshore wind turbine technique research

My research interests include distributed energy, wind turbine power generation technique , Computational fluid dynamic and programmable matter.

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