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NIntegrate

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NIntegrate
给出积分的 的数值近似.
NIntegrate
给出多重积分 的数值近似.
  • 多重积分使用标准迭代符号的变化形式,给出的第一个变量对应于最外层的积分并最后计算.
  • NIntegrate 缺省下在积分边界上测试奇点,通过 Exclusions 选项设置指定的区域边界.
  • NIntegrate 测试一维积分在每个中间点 的奇点. 如果没有奇点,结果等价于从 的积分. 您可以用复数 在复平面上指定一个积分等高线.
  • 可以给出以下选项:
AccuracyGoalInfinity搜索的绝对精度的位数
EvaluationMonitorNone每当 expr 计算,也被计算的表达式
ExclusionsNone排除的部分积分区域
MaxPointsAutomatic样本点的最大数量
MaxRecursionAutomatic递归划分的最大数量
MethodAutomatic使用的方法
MinRecursion0递归划分的最小数量
PrecisionGoalAutomatic结果的精确度
WorkingPrecisionMachinePrecision内部计算使用的精度
  • NIntegrate 通常使用一个自适应算法,该算法按需要递归地对积分区域进行划分. 给出递归划分的最小数量. MaxRecursion 给出最大数量.
  • 您可以意识到,在大量的病理学实例中,NIntegrate 采用的算法给出错误的结果. 在多数实例中,您可以通过在 NIntegrate 选项的设置中查看变化的灵敏度来测试结果.
  • Method 选项的可能设置包括:
"GlobalAdaptive"全局自适应积分策略
"LocalAdaptive"局部自适应积分策略
"DoubleExponential"双倍指数求积
"MonteCarlo"蒙特卡洛积分
"AdaptiveMonteCarlo"自适应蒙特卡洛积分
"QuasiMonteCarlo"准蒙特卡洛积分
"AdaptiveQuasiMonteCarlo"自适应准蒙特卡洛积分
  • 设置 Method->{"strategy", Method->"rule"}Method->{"strategy", Method->{rule1, rule2, ...}},可能包括以下政策方法:
"GlobalAdaptive"基于整体的误差估计的再分
"LocalAdaptive"基于局部的误差估计的再分
  • 用作规则的方法包含:
"CartesianRule"规则的多维 Cartesian 积
"ClenshawCurtisRule"Clenshaw-Curtis 规则
"GaussKronrodRule"有 Kronrod 展开的 Gauss 点
"LevinRule"Levin 型振荡规则
"LobattoKronrodRule"有 Kronrod 展开的 Gauss-Lobatto 点
"MultidimensionalRule"多维对称规则
"MultipanelRule"一维规则的混合
"NewtonCotesRule"Newton-Cotes 规则
"RiemannRule"黎曼求和规则
"TrapezoidalRule"一维的均匀点
  • 如果设置 Method,将自动选择策略方法.
  • 用来增加方法的子选项可以以 Method 形式给出.
  • NIntegrate 对输入进行符号式分析,从而对振荡型被积函数或其它被积函数进行变换,进一步划分分段函数,以及选择最优化的算法.
  • 方法的子选项 指定执行被积函数的符号分析的最大秒数.
  • NIntegrate 首先局部化所有变量的值,然后符号计算 f,最后重复数值计算结果.
数值积分的运算:
多维积分的运算 (原点处有奇点):
计算隐式定义的区域的面积和体积:
求振荡及其它复杂函数的积分:
数值积分的运算:
In[1]:=
Click for copyable input
Out[1]=
 
多维积分的运算 (原点处有奇点):
In[1]:=
Click for copyable input
Out[1]=
 
计算隐式定义的区域的面积和体积:
In[1]:=
Click for copyable input
Out[1]=
In[2]:=
Click for copyable input
Out[2]=
 
求振荡及其它复杂函数的积分:
In[1]:=
Click for copyable input
Out[1]=
In[2]:=
Click for copyable input
Out[2]=
在一个有限的实数范围上求函数的积分:
无限实数范围:
得到高精度的结果:
沿一条有限或无限长的复数直线积分:
在复平面上沿着一条分段线型等高线:
在复平面上沿着一条环形等高线:
对函数实部和积分路径绘图:
为向量和张量定值的函数:Esc
多元函数:
积分变量的限可取决于前面的变量:
在积分区域上绘制被积函数:
在由不等式定义的区域上积分:
绘制积分区域:
求五维单位球体的体积:
采用蒙特卡洛方法进行多元积分:
对端点处有代数奇点的函数进行积分:
在积分范围内绘图:
端点处有对数奇点:
在积分范围内绘图:
两个端点均有奇点:
在积分范围内绘图:
使用 Exclusions 在积分区域内部进行奇点测试:
在积分范围内绘图:
在边缘和角落具有奇点的函数的多元积分:
在积分范围内绘图:
奇点位于多维积分区域的角上:
在积分范围内绘图:
在内部点上存在奇点的多元积分:
在内部多个点上存在奇点:
在积分范围内绘图:
在曲线上奇异的函数的多元积分,曲线满足一个方程:
在积分范围内绘图:
函数具有不可积奇点时的柯西主值:
有限个情形的分段函数:
无限个情形的分段函数:
与其它任意函数的复合:
Exclusions 显式指定不连续点或尖锐的转角:
在积分范围内绘图:
具有有限个情形的多元分段积分:
显式指定不连续点和尖锐的转角:
绘制区域上的实部和虚部:
在二维区域上积分:
在三维区域上积分:
维区域上积分:
在有限范围上对一个高度振荡初级函数进行积分:
在该范围的1/100上进行绘图:
高振荡特殊函数:
在该范围的1/100上进行绘图:
在无限范围上对振荡函数进行积分:
在无限范围上的振荡特殊函数:
振荡函数的和:
绘制 1/100 的范围:
振荡函数的乘积:
绘制 1/100 的范围:
振荡函数的幂:
绘制 1/100 的范围:
振荡函数与非振荡函数的复合:
在积分范围内绘图:
振荡函数的加和、乘积、幂乘和复合:
绘制部分积分范围内的图形:
高振荡函数在有限范围上的多元积分:
在范围的百万分之一上绘图:
振荡特殊函数在有限范围上的多元积分:
在无限范围上的多元振荡函数:
奇异振荡函数:
绘制 1/10 的范围:
振荡函数与奇异函数的复合:
在积分范围内绘图:
分段振荡函数:
在振荡率为 1/100 处绘图
具有奇点的分段振荡函数:
在积分范围内绘图:
AccuracyGoal 选项可用来改变缺省的绝对公差:
一旦超过准确度标准,积分处理停止:
当缺省仅使用一个精度准则时,缺省设置下的结果不同:
获得一个数值积分使用的计算点的数量:
显示数值积分使用的计算点:
积分区域排除使得被积函数的分母为零的曲线:
被积函数的曲线是奇异的:
在超过指定数量的点后,停止积分:
没有足够的自适应递归,给出的较差的结果:
MaxRecursion 指定较大的值,给出较好的结果:
指定奇点位置会更有效:
左侧和右侧黎曼和:
黎曼和在子区域的左端点或右端点均匀采样:
无外推的基本梯形规则,与分段线性逼近对应:
采用 Romberg 外推的梯形规则:
基本梯形规则均匀采样(当自适应关闭时):
采用梯形规则的缺省自适应法:
采样点间距均匀的 Newton-Cotes 规则:
封闭公式包括端点,而开放公式不包括:
Newton-Cotes 规则对应于多项式插值:
无自适应的逼近等同于对相应多项式的积分:
阶数为 的方法对于次数在 以内的多项式是准确的:
自动选择积分策略的 Clenshaw-Curtis 求积规则:
采样点非均匀:
这些点是 重新调整尺度后的版本:
误差估计采用 Kronrod 外延法的高斯求积规则:
高斯规则使用非均匀分布的采样点:
采用 个高斯点的方法对于次数为 的多项式是准确的:
阶数为 的方法采用足够的点数以保证对次数为 的多项式是准确的:
在 Lobatto 点处采用 Kronrod 外延法的高斯求积规则:
Lobatto 点是不均匀的:
多面板规则(或称复合规则)将指定规则应用于多个子区间:
任何其它规则都可以与多面板规则联用:
使用一维规则的乘积:
一个规则列表自动被解释为规则的乘积:
x 上使用均匀采样,在 y 上使用非均匀采样:
使用多维对称规则的多元积分:
多维规则使用采样点的一个离散对称网格:
增加采样点的个数:
使用不同数目的生成程序有时可以改进计算时效:
使用 Levin 型配位规则的振荡函数的积分:
多元 Levin 型规则:
全局自适应积分策略:
基于最大误差,对区域进行再分,直到全局误差足够小:
局部自适应积分策略:
对每个区域进行再分,直到局部误差足够小:
梯形策略,在密度增加处均匀采样:
对整个区域进行再分,并使用一个较低阶的方法:
双指数("tanh-sinh")策略,在端点附近的采样点密集:
变换后对整个区域进行再分:
采样点均匀随机分布的蒙特卡洛积分:
采样点具有确定的序列:
蒙特卡洛和准蒙特卡洛的全局自适应版:
绘制不同策略所用的采样点:
缺省时可进行一些符号式处理:
使用自动数值方法,但不采用符号式处理:
对符号式处理设置一个明确的极限:
控制分段函数的自动再分:
分段函数的自动再分通常会导致函数的计算次数减少:
控制奇偶被积函数的自动简化:
自动简化通常会使函数的计算次数减少:
控制高振荡函数的自动方法选择:
对于高振荡函数,专门的方法会使函数的计算次数减少:
对于非振荡函数,将探测关闭可以节省时间:
控制插值函数的节点处的自动再分:
插值函数的再分可减少计算次数:
对于一个平滑函数的精确插值,再分可能是不必要的:
NIntegrate 可能会丢失被积函数的峰值:
增加 强制指定积分区域的一个更细的再分:
对于不同公差,用于计算 的样本数:
PrecisionGoal,样本数量需要成倍的增加:
NIntegrate 用较高的工作精度计算积分:
PrecisionGoal 使用 10,这小于 WorkingPrecision
计算无封闭形式解的积分:
使用 Interpolation 对一组离散数据进行积分:
Integrate 还可用于插值函数:
对数据和插值进行绘图:
为标准正态分布时,计算 的概率:
直接使用 NProbability
为标准柯西分布时,计算 的期望:
直接使用 NExpectation
由概率密度函数(PDF)计算累积分布函数(CDF):
通过求解方程计算分位数的值:
直接使用 Quantile
计算两条曲线之间的面积,将其视作对两者差值的一维积分:
将其视作对两者所包围的区域的二维积分:
绘制计算面积:
计算隐式指定的圆盘的面积:
圆盘环面:
椭圆:
椭圆环面:
扇形:
包括一个球体的简单区域:
球状壳体的一半:
椭圆体:
椭圆壳体的一半:
球面楔:
计算一个区域的面积,该区域使用 Green 定理由参数化曲线定义:
椭圆:
周期性边界曲线:
计算一条参数化曲线的长度:
椭圆:
一条周期性边界曲线:
一个三维圆环:
三维椭圆:
更加一般的曲线:
一个环形弹簧曲线:
计算一个参数式定义曲面的面积:
椭圆体曲面:
环形曲面:
一般的参数式曲面:
使用发散定理计算一个参数式曲面所环绕的体积:
椭圆体体积:
圆环体体积:
一个一般参数式曲面的体积:
一个循环热力学过程所做的功:
压容图上循环的可视化:
密度均匀的一个区域的质量和质心:
质心的可视化:
三维区域:
质心的可视化:
使用 Stokes 定理,由一个参数式曲面所包围的区域的质心:
质心的可视化:
计算包括傅立叶变换的积分变换:
拉普拉斯变换:
Mellin 变换:
Hilbert 变换:
Hartley 变换:
求一个周期函数在 上的傅立叶系数:
显示近似反变换:
计算一个二次分数傅立叶变换:
由方形孔眼衍射的波幅的 Fraunhofer 积分:
在光轴附近的衍射图:
第一类 的 Bessel 函数在实数直线上的积分表示:
与内置函数 BesselJ 比较:
在复平面的右半部的 函数
与内置函数 Gamma[z] 比较:
第二类 在实数直线上的不完全椭圆积分:
与内置函数 EllipticE 比较:
一个函数的 范数:
画作为 的函数的 范数的图形:
作为 的函数, 使 最小化:
关于权重函数 的内积,函数在 上有定义:
Legendre 多项式 上的正交,权重函数为1:
切比雪夫多项式 上的正交,权重函数为
Hermite 多项式 上的正交,权重函数为
比较 的余数,视作在包围 的一个等高线上的积分:
与准确值进行比较:
函数在 处的数值导数,视作在包围 的一个等高线上的积分:
对数值定义的函数进行微分:
当存在一个封闭形式解时,Integrate 可以用 NIntegrate 替代:
NIntegrate 的结果接近明确值:
可以用 NDSolve 替代 NIntegrate
因为 NIntegrate 使用全局性的误差控制,它通常给出更精确的结果:
用 Euler-Maclaurin公式,求和的尾部近似:
用 Euler-Maclaurin公式近似值与明确值的比较:
NSum 的 Euler-Maclaurin方法使用IntegrateNIntegrate
求从概率密度函数中求出的累积分布函数:
CDF 给出相同结果:
在极点处的函数的 Residue 等价于一个等高线积分:
在等高线上的数值积分,这个等高线包括从 - 的实数轴:
几个特定函数定义为积分:
对于较高精度,通常指定特定的函数:
对于复杂变化的被积函数,需要多个层次的自适应递归:
指定较高递归的再分层次,将给出一个收敛的结果:
在积分区域内部存在一个奇点的一维积分:
指定奇点的位置,从而可以通过适当变换来处理奇点:
因为缺省使用相对公差,所以零积分计算较慢:
指定有 AccuracyGoal 的绝对公差将减少工作的数量:
在缺省精度下, 高维数的基于容积的积分计算较慢:
降低 PrecisionGoal 会加速计算:
对相同的较低 PrecisionGoal,用一个准 Monte Carlo 方法计算较快:
对于维数高于15,NIntegrate 自动使用蒙特卡洛积分:
计算符号函数可能会需要更长的时间:
限制函数定义以避免符号计算:
用一个较低次方法,对一个三维积分的取样:
对具有多个奇异曲线的函数进行积分:
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