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基于MATLAB圆周率的几种近似计算方法及实现.pdf

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万方数据 基于MATLAB圆周率的几种近似计算方法及实现 3-2ksin专或6.2‘tall南 不超过6.2‰寺一3.,2k sin}≥或6.2k tan主≥ Sin南。 学的知识,函数y=÷的码格劳林展开式为 (2.1.2)因此,当曼?。2k 查塾堇目困 因单位圆的内接正on边形的面积鼠:昙咖堡,单位圆的外切 n故有昙sin堡<冗<开tan曼 章联生1李超2钟辉2周振超2 正on边形的面积墨=一t蛐兰. 通过在MATLAB的命令窗l-]中输Afff(1),if(2),---。颇10),就町以分 .1北京石油化工学院数理系北京102617;2北京石油化工学院经济管理学院信管系北京102617 摘要:先简单回顾了圆周率1r近似计算的历史。然后较详细地介绍推导了割圆术、级数法、迭代法、蒙特卡罗法、数值积分法等计 算圆周率1r的近似值的常见方法。并用MATLAB软件实现这些方法。 关键词:圆周率1r 近似计算MATLAB软件 1.引言圆周率是一个数学常数,定义为圆周长和直径之比,通常用 希腊字母霄表示。圆周率1r是一个无理数,上世纪丹麦数学家康托 (Conter)证明了霄属于无理数中的“超越数”,其真值是一个具 有无穷多个没有规律的数字的小数。所以只能求得1r的近似值。 圆周率竹近似计算,是一个古老而又现代的问题。经过一代一代 的数学家和科技工作者的不懈努力,所获得的圆周率1r的近似值 越来越精确,1r小数点后的精确位数由当初的二、三位到最近的 2,576,980,370,000位,这个结果是2009年由日本筑波大学所创造, 也是圆周率的最新计算的世界纪录.它再次打破了由日本人金田康 正的队伍于2002年创造的1,241,100,000,000fcfL的世界纪录。 古人计算圆周率,一般是用割圆法,即用网的内接或外切正 多边形来逼近嘲。进入二十世纪,随着计算机的发明,圆周率的计 算有了突毪猛进,借助于计算机甚至超级计算机,人们已经得到了 圆周率小数点后的数以千亿位精度。 尽管继续追求计算嘲周率的更多精确位数已经没有多大的实 际意义,因为现代科技领域使用的圆周率值,有十几位已经足够 了。一方面。它可以激励后人象前人一样不断地攀登科学高峰;另 一方面,用计算机来计算圆周率能使人们产生良性的竞争。促进计 算机技术、计算技术和数学的发展和进步。 MATLAB作为一种功能强大的数学软件,具有强大的数值计算 功能和符号运算能力,还有一定的|冬{形处理能力,尤其是它的数值 计算功能,更为突出。所以选用这个软件来实现圆周率竹近似计 算。2.几种近似计算方法及实现 2.1.割【员I术 割圆术是古人计算圆周率竹近似值的方法, 用圆的内接iF多边形的【IIi积以及圆的外切正多边 形的面积逼近嘲的面积。因为单位圆的面积恰好 图1等于订,因此1r必介于单位圃的内接正多边形的面积与外切正多边 形的面积之间如图1,由此可以建立央挤方法得到1r的近似值。 (2.1.1) 利用不等式(2.1.1),并令厅=6-2‘(七=0,1,2,一.)'即先作单 位网的内接正六边形、外切正六边形,然后再作单位圆的内接十二 边形、外切正十二边形,如此继续下去,于是有 去近似1r时,误差 MATLAB软件的实现: eireum--vpa(6+Tk4t∞(pi/(6‘21【)),20) error=vpa(6+Tk+tan(pi/(6+Tk))-3‘2"k4sin(pi/(3+2^k)),20) 别得到n=6,12,24,48.96,192,384,768,1536,3072等阋的 内接止n边形的面积和外切正n边形的面积及误差。 2.2.级数法 先介绍利用函数的幂级数展开式求1r的近似值,回忆高等数 对人极拳的内涵、外延的教学有很大的帮助。 3.3教学手段层 3.3.1配乐法 在太极拳教学中要有目的地选择乐感舒缓,曲调内容健康: 具有一定特色的我国民族占典爵乐.代替【J令与节奏,融于太极拳 的教学与平时的练习之中(在掌握全套动作之后效果蜓佳)。太极 拳主张有身心合修.要求:“以心行气,以气运身”,拳论用“运 劲如抽丝”、“自始至终,绵绵不断”,“行云流水”等形象的采 纳民族古典音乐.以求旺配。往往町合二为一,收到意想不到的共 鸣效果。在教学与练习中,也培养J,学生的乐感素质,提高演练的 质量和健身、艺术效果。 3.3.2挂图法、观摩多媒体、录像法及其他教学媒介利用 在教学中要充分考虑学生的接受能力,利用挂图,并用电脑 多媒体、电视录像等先进的电化教学手段,同时还要利用多种教 2010年第12期 具,为教学所用。运用篮球, “抱”于体前,就能使学生更明确动 作的要领;又如。“手挥琵琶”,“自鹤亮翅”等形象的提示,促 进学生的想象思维,加深动作概念的理解,以利动作的掌握。还要 根据教学中所反映的实际情况,予以变化与改进。从而提高动作质 量教学效果。 综.卜所述.任何一种教学方法都有其自身所具有的本性,决 定了它不是万能的,任何一种体育教学方法只能有效地解决某一面 的问题。因此在太极拳教学中,我们选择运用体育教学力‘法时要从 教学的整体H;发。要从教学的实际fIj发.要充分考虑到教学的每一 个因素之『HJ的关系,考虑到每一个体育教学方法的特性和适用的范 围,多样化、多层次的使用教学方法,提高太极拳教学的效率和效 果。参考文献: 1.毛振明。体育教学论。北京:高等教育出版社2005。 Iinsefi,eireum,error]--fll'(k) imcri--vpa(342^k事ain(pi/(3‘2^k)),20) function
撑:4.2‘,七:I∥2..时,%。等。访磊材~in南:竺毕 一lJ+1)即譬寺喜赢 (2.2.8)一=7一l'2鲁(2n—IX2n+1) 20【120..协缸一i-tan2 小的正角。由tanp=tan(4a一扣罴=击 0【西’tan4a2盖2丽21。 --lg
哪%傩詈:厚l+cos4:蕊, 茄16:厚2:网霖 H=压,K=历当七--+oo时■矿收敛且收敛于单位圆的面积1r,因此有 (2.5.2)趣朋“卜雨1喀蝴…勘 万方数据 4J:扣=兀 nZZ趣贴“卜志“-o,l’2,…,胛 i2了8·l-。2即肛雨汜3.1) r,(曲出*争,(口)+厂(6)+4喜,(而“)+2;s-I,魄1)】 2令H…;胪cos专 r刷出“.|I【掣+,(川)+,(口+2k)+..吖(口+(¨瑚+掣】 l+(三)2。……… 丌。生掣+),(2)+y(3)+...+y(刀)+避竽】 查塾垫圉固 endendn--m,a(4+m/n,16) 是有兀。竺,进而得到1r的近似值。随机投点可以这样实现:任 ,=f6厂(曲出 L=∑AJ(xk) ∞8—4∞8ic08—16…∞8i4 这里.II:—b-—a 霄≈÷D,(1)+)’(2n+1)+4(y(2)+“4)+…+,(2n))+20(3)+畎5)+…+y(2n一1))】 ,…,由不完全归纳法得 兀∞s—2k—+I 于是可以得到如下的递归公式: ’lim——————————=———二————一=拓 式(2.3.1)首先由韦达(Vieta)在1593时给出,历史上称为 韦达公式。 在式(2.3.1)中取n为一个固定的自然数,就可以得到”的近 似值。当然,1r的近似值的迭代法除了上面的韦达公式外,还有其 他的迭代公式,如博文(Borwein)公式和贝莱(Bailey)公式等, 这里不一一列举了。 2.4.蒙特卡罗法 ,蒙特卡罗(Monte Cado)方法是一 种随机的试验方法。如图2,给出四分 之一的单位圆(即直角扇形),如果向 图中边长为l的正方形里随机投n个点, 当n彳艮大时,所投的点会 均匀分布在小正方形内,假设其中 有m个点落在直角扇形里,那么竺n就可 图2以看成四分之一的单位圆面积与小正方形的面积之比的近似值,于 /'/意产生区间【0,1】内的一组随机数x'y.则(x,y)就代表一个随机点P的坐 标,这个点落在直角扇形内的充分必要条件是J2+y2≤1. 取不同的n实验,将所得到的霄的近似值记录下来与已知的订 的近似值作比较,发现n太小时,精度太差;n太大时。计算机上生 成的随机数不是真正的随机数,效果仍不理想。总之,这种方法精 度比较差。 MATLAB程序如下: A--rand(n,2); 2010年第12期 注:可以在同一个n值的情况下多运行几次这段程序,得到订 的不同近似值,然后取它们的平均值。 2.5.数值积分法 数值积分法,从近似计算的角度来说,就是采用某种数值方 法来求出定积分的近似值。对于定积分 来说,所谓用数值方法求定积分,是指用被积函数,(x)在区 间【a,hi_t:的一些介点.h处的函数值厂(毛)的线性组合 去近似定积分I的值,其中4为相应的求积系数,一旦确定了 黾,4,就可以得到定积分I的近似值。 下面直接给出数值积分中的梯形公式和辛普森(Simpson)公 式,具体的推导见参考文献【4,5】。 梯形公式: 辛普森(Simpson)公式: 这里.jI=-=b-一a 我们都知道,定积分 由上述数值积分的梯形公式和辛普森公式,得到两个计算订 的近似值公式。 (2.5.1) MATLAB程序如下: %梯形公式的求解 y=1.“1+x.q; %辛普森公式的求解 m=10;x=linspace(O,l,2‘m+I); ifA(i,1)-2+A(i,2)^2<=l x=linspace(O,1,n+1); ans--vpa(4+h+trapz(y),11) n=10000; m=0:fori=hn re=m+1; n=16140; h=l/n;
396“耳=吒1+{|;丽黔) 论了。一1:丝÷型—11—03+26—390n 独立学院非英语专业学生英语自学能力培养探析 目固查型垫 王劫福建农林大学金山学院文学艺术系福建省福州市350002 摘要:大学公共英语教学是大学教学中的一个重要组成部分。然而基础层面的英语知识传授无法满足不同专业对英语学习及实际 应用的需要。因此英语教师要在知识传递的传统教学模式基础上。结合现代教学方法。注重学生英语自学能力的培养。使英语教学不仅能 “授之以鱼”更能“授之以渔”。 关键词:英语教学英语自学能力自学环境自学态度 一、独立学院非英语专业学生英语自学能力培养的必要性 大学公共英语教学无论是从课时量、课程时间安排、应试及 应用方面都可以说是大学教学中的一个重要组成部分。然而,在大 学英语的实际教学过程中,一般只能传授给学生基础层面的知识, 无法满足不同专业对英语学习的需要。同时,英语学习是一个长期 的过程。这就要求英语教师,在传递知识的同时也要致力于培养大 学生的英语自学能力,使学生真正获得学习的本领。 作为独屯学院的非英语专业学生,有其自身的特点。在知识 构架上。独立学院的学生,尤其是非英语专业学生的英语基础知识 相对薄弱,对英语兴趣不大,没有了解到英语学习的重要性。因 此,在掌握扎实的基础知识的基础上,更要培养他们英语自学的能 力。才能在将来的学习生活中,充分发挥其主动性和优势。 二、英语自学的主要内容 要培养学生的自学能力,首先要从学生自学的内容人手。学生 自学的内容包括多方面,其中英语自学的主要内容可概括为:1)态 度。学习者自愿采取一种积极的态度对待自己的学习,即对自己的 学习负责并积极地投身于学习;2)能力。学习者应该培养这种能力 和学习策略,以便独市完成自己的学习任务;3)环境。学习者应该 被给予大量的机会去锻炼自己负责自己学习的能力。Il J(”’本文将从这三方面入手,探析如何培养独立学院非英语专业 学生英语自学的能力。 三、英语自学环境的创造 自学环境的创造是自学态度、自学能力培养的前提条件。没 有自学环境,其他两项都只能是空谈。关于自学环境的创造叮以从 以下三个方面入手。 (一)教师为学生创造自学环境 英语教师在教学过程中,要改变传统传授式的教学方式。 传统式的教学模式强调教师的主体地位,注重知识的传递。这在 一定程度上忽视了学生的主观能动性。弱化教师的主体地位, 突出学生的自觉能动作用。1)可以尝试由问题导人课文,由学 生的思考、讨论引入课文。如在导入课文Five Culture时,可以提问“What’s symbols?”等。在与学生的讨论中,学生的上课积极性被调动了,同时也为学 生课后复习及资料的收集做好准备。2)可以尝试由学生熟悉的电影 内容、对话等入手,激发他们自学的积极性。如请学生讨论Forrest LizMurray吼ory等具有典型美国特色 的电影,从电影中让学生总结出他们印象中典型的美国人。 而教学方式中的微妙变化,改变了教师原有传统的传授式角 色,在与学生的讨论互动中,激发学生学习的兴趣,为学生创造出 自学的环境。 (二)引导学生自己创造环境 在激发学生兴趣,为学生创造自学环境的同时,也要引导 学生学会自己发现、讨论、解决问题。1)引导学生注意身边的 细节,学会观察。如请学生了解我们十分熟悉的Sinopec是什么意 思,如何解释其用法。街道卜常见的英文标识,或者是电脑应用中 常见的英文命令,甚至是学生十分喜爱的英文游戏中,都有许多英 文的用法。这样的记忆方法,要比枯燥的语法和练习来得有效得 多。将学生带进身边的英语世界,不但激发了学生英语学习的兴 趣,巩固_r英语知识,使学生掌握了英语学习的方法,更重要的是 使学生形成了良好的英语学习习惯。…2)引导学生主动使用I:具 书等查阅工具。如在课后特意留下一些词不进行讲解,而是请学生 自己解决。另一方面,在提问的过程中,掌握该方面知识的学生会 产生成就感,更能激发学习的主动性。3)引导学生积极思考,进 行中西文化的比较。英语学习中,语法和单词的记忆往往会使学生 的学习变得疲劳。如在学习美国文化的特点时,思考中国文化的特 点,并进行比较讨论等。这在教学中会得到学生的欢迎。 (=三)共同创造自学环境 ans=2/(3}m)+((y(1)+Y(24m+1))+2。flum(Y(3:2:2+m— 1))+铲sum(y(2:2:2+m))); 1)注:为了得到订的不同近似值,可以取不同的n,m的值,然后 取它们的平均值。 当然,求圆周率竹的近似值的方法还有很多,比如由印度年 青的数学家拉码努金(Ramanujan)在1914年所发现的拉码努金公 式(2.6.1),就是目前计算圆周率订的近似值的一个及其有效公 式,这个公式右边的级数收敛得非常快,级数每增加一项町提高大 约8位小数的精度。另外,牛顿曾发现了如下的等式(2.6.2),也 提供了一种很好的计算霄近似值的方法。限于篇幅,这里不一一讨 兀9801怎(甩!)4 Q矗2’参考文献: 1.同济大学应用数学系.微积分一E京:高等教育出版社。2003. 2.施妙根,顾丽珍.科学与工程计算基础.北京:清华大学出版 社。1999. 3.蔡大用.数值分析与实验指导.北京:清华大学出版社,2001. 4.杜承森.数值计算方法.北京:科学出版社。1998. 5.聂铁军等.数值计算方法.西安:西北工业大学出版社,1990. 6.徐钟济.蒙特卡罗方法.上海:上海科学技术出版社,1985. 2010年第12期 Americans?”.“What y=1.,(1+x.2); vpa(ans,1 (2.6.1) Famous Symbols ofAmerican yourimpression oftypicaIly doyouknow about theAmerican Gump、Homeless toHarvard:The 万方数据
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