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数学
题目

用n=4的复化梯形公式计算积分(int )_(1)^2dfrac (1)(x) dx,并估计误差。

用n=4的复化梯形公式计算积分,并估计误差。

题目解答

答案

解析

考查要点:本题主要考查复化梯形公式的应用及其误差估计。
解题思路:

  1. 确定区间划分:将积分区间$[1,2]$等分为$n=4$个子区间,计算步长$h$和各节点$x_i$。
  2. 应用复化梯形公式:根据公式$T_n = \frac{h}{2} \left[ f(x_0) + 2\sum_{i=1}^{n-1}f(x_i) + f(x_n) \right]$计算近似值。
  3. 误差分析:通过精确值与近似值的差值直接估计误差,或利用误差公式$E = -\frac{(b-a)h^2}{12}f''(\eta)$($\eta \in [a,b]$)进行理论估计。

关键点:

  • 步长计算:$h = \frac{b-a}{n}$。
  • 节点函数值的准确计算。
  • 误差公式的应用需注意二阶导数的符号和范围。

步骤1:确定步长和节点

积分区间$[1,2]$,$n=4$,则步长为:
$h = \frac{2-1}{4} = \frac{1}{4}$
节点为:
$x_i = 1 + \frac{i}{4}, \quad i=0,1,2,3,4$
即$x_0=1, x_1=1.25, x_2=1.5, x_3=1.75, x_4=2$。

步骤2:计算函数值

$f(x) = \frac{1}{x}$,计算各节点处的函数值:
$\begin{aligned}f(x_0) &= 1, \\f(x_1) &= 0.8, \\f(x_2) &= \frac{2}{3} \approx 0.6667, \\f(x_3) &= \frac{4}{7} \approx 0.5714, \\f(x_4) &= 0.5.\end{aligned}$

步骤3:应用复化梯形公式

代入公式:
$\begin{aligned}T_4 &= \frac{h}{2} \left[ f(x_0) + 2\left(f(x_1)+f(x_2)+f(x_3)\right) + f(x_4) \right] \\&= \frac{1/4}{2} \left[ 1 + 2(0.8 + 0.6667 + 0.5714) + 0.5 \right] \\&= \frac{1}{8} \left[ 1 + 2 \times 2.0381 + 0.5 \right] \\&= \frac{1}{8} \times 5.5762 = 0.6970.\end{aligned}$

步骤4:误差估计

精确值为$\int_1^2 \frac{1}{x}dx = \ln 2 \approx 0.6931$,误差为:
$|\ln 2 - 0.6970| = |0.6931 - 0.6970| = 0.0039.$

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