如何求解二维积分？

Question

我一直在尝试为双积分实现梯形规则。我尝试了很多方法，但我无法让它正常工作。

static double f(double x) {
    return Math.exp(- x * x / 2);
}

// trapezoid rule
static double trapezoid(double a, double b, int N) {
    double h = (b - a) / N;
    double sum = 0.5 *  h * (f(a) + f(b));
    for (int k = 1; k < N; k++)
        sum = sum + h * f(a + h*k);
    return sum;
}

我了解单变量积分的方法，但我不知道如何对二维积分执行此方法，例如：x + (y*y)。 有人可以简单解释一下吗？

Answer 1

有很多方法可以做到这一点。

如果你已经知道 1d，你可以这样：

1. 编写一个函数 g(x)，计算固定 x 在 f(x,y) 上的一维积分
2. 然后在 g(x) 上积分一维积分
3. 成功:)

这样，您基本上可以拥有任意数量的维度。虽然它的扩展性很差。对于较大的问题，可能需要使用monte carlo integration。

Answer 2

如果您打算使用梯形规则，那么您可以这样做：

// The example function you provided.
public double f(double x, double y) {
    return x + y * y;
}

/**
 * Finds the volume under the surface described by the function f(x, y) for a <= x <= b, c <= y <= d.
 * Using xSegs number of segments across the x axis and ySegs number of segments across the y axis. 
 * @param a The lower bound of x.
 * @param b The upper bound of x.
 * @param c The lower bound of y.
 * @param d The upper bound of y.
 * @param xSegs The number of segments in the x axis.
 * @param ySegs The number of segments in the y axis.
 * @return The volume under f(x, y).
 */
public double trapezoidRule(double a, double b, double c, double d, int xSegs, int ySegs) {
    double xSegSize = (b - a) / xSegs; // length of an x segment.
    double ySegSize = (d - c) / ySegs; // length of a y segment.
    double volume = 0; // volume under the surface.

    for (int i = 0; i < xSegs; i++) {
        for (int j = 0; j < ySegs; j++) {
            double height = f(a + (xSegSize * i), c + (ySegSize * j));
            height += f(a + (xSegSize * (i + 1)), c + (ySegSize * j));
            height += f(a + (xSegSize * (i + 1)), c + (ySegSize * (j + 1)));
            height += f(a + (xSegSize * i), c + (ySegSize * (j + 1)));
            height /= 4;

            // height is the average value of the corners of the current segment.
            // We can use the average value since a box of this height has the same volume as the original segment shape.

            // Add the volume of the box to the volume.
            volume += xSegSize * ySegSize * height;
        }
    }

    return volume;
}

希望这会有所帮助。如果您对我的代码有任何疑问，请随时提出（警告：代码未经测试）。

Answer 3

考虑使用DataMelt Java program 中的jhplot.F2D 类。您可以集成和可视化 2D 函数，执行以下操作：

f1=F2D("x*y",-1,1,-1,1) # define in a range
print f1.integral()