Как интегрировать уравнения в физике
Решение задач физики и техники с применением интеграла
п.1. От ускорения к скорости и координате
п.2. Физические величины как интегралы других величин
Скорость \(v(t)=\int a(t)dt\)
Координата \(x(t)=\int v(t)dt\)
Угловое ускорение \(\beta(t)\)
Угловая скорость \(\omega(t)=\int \beta(t) dt\)
Угловая скорость \(\omega(t)\)
Угол поворота \(\varphi(t)=\int\omega(t)dt\)
Скорость расходования горючего \(u(t)\)
Масса горючего ракеты \(m(t)=\int u(t)dt\)
ЭДС индукции \(\varepsilon(t)\)
Магнитный поток \(Ф(t)=-\int\varepsilon(t)dt\)
Скорость радиоактивного распада \(I(t)\)
Число атомов радиоактивного вещества \(N(t)=\int I(t)dt\)
п.3. Примеры
Пример 1. Тело движется со скоростью \(v(t)\) (м/с). Найдите путь, пройденный за промежуток времени от \(t_1\) до \(t_2\) (с):
a) \(v(t)=3t+2t^2,\ t_1=0,\ t_2=6\)
Путь: \begin
б) \(v(t)=2(t+2)^<5>,\ t_1=0,\ t_2=7\) \begin
Пример 3*. Найдите путь, который пройдет тело от начала движения до возвращения в исходную точку, если его скорость \(v(t)=18t-9t^2\) (время в секундах, скорость в м/с). Движение тела прямолинейное.
Общий путь: 12+12 = 24 м.
Пример 4*. Найдите работу, которую необходимо совершить, чтобы выкачать воду из полусферического котла радиуса R м.
Применение интеграла для описания физических процессов. 11-й класс
Разделы: Математика
Класс: 11
Тема и номер урока в теме: «Определенный интеграл» урок № 5 (из 6, отведенных на изучение данной темы).
Базовый учебник: Алгебра и начала анализа. Профильный уровень. 11 кл./ А.Г.Мордкович, П.В.Семенов. /М: Мнемозина, 2013.
Задачник: Алгебра и начала анализа. Профильный уровень. 11. / А.Г.Мордкович и др. /М.: Мнемозина, 2013.
Цель урока: дать представление о возможностях применения интеграла в физике.
Формируемые предметные результаты: познакомиться с применением интеграла для решения физических задач.
Формируемые метапредметные результаты:
Тип урока: урок формирования новых знаний.
Формы работы учащихся: фронтальная, индивидуальная, самостоятельная.
Необходимое техническое оборудование: мультимедийный проектор, презентация или интерактивная доска с заготовками таблиц и заданий.
Структура и ход урока
I. Организационный момент. Приветствие, настрой на урок.
II. Проверка домашнего задания (обсуждение решения заданий, вызвавших затруднения)
III. Формулирование темы и цели урока.
— Какие применения интеграла вам уже известны? (Для введения понятия определенного интеграла мы рассмотрели три задачи, приводящие к этому понятию: вычисление площади криволинейной трапеции, вычисление массы стержня и вычисление перемещения точки за определенный промежуток времени. Таким образом, нам уже знакомы три примера применения интеграла в геометрии и физике. На прошлом занятии познакомились с применением интеграла для вычисления объемов геометрических тел).
IV. Изучение нового материала (подводящий диалог)
— Назовите, пожалуйста, действие, обратное интегрированию. (Дифференцирование, т.е. вычисление производной).
— Изучая некоторые применения производной в физике и технике, мы с вами составили обобщающую таблицу. Давайте вспомним её (рассматривают таблицу, заготовленную на слайде или на доске):
Величины
Физическая зависимость в простейшем случае
Вычисление производной
A – работа,
F – сила,
N – мощность,
x – пройденный путь,
t – время.
q – электрический заряд,
I – сила тока,
t – время.
S – перемещение,
v – скорость,
t – время.
Q – количество теплоты;
с – теплоемкость,
t – температура.
— Во всех этих случаях по заданной F(x) находили f(x) по формуле
— А теперь вернемся к интегралу. С каким действием ассоциируется у вас вычисление интеграла? (Вычисление первообразной)
— Верно, а вычисление первообразной – это восстановление функции по заданной производной. Т.е. по заданной f(x) находят F(x) по формуле
Следовательно, если переменная сила F (х)– это производная работы А по координате x, то как, по вашему, можно вычислить работу переменной силы по перемещению тела из положения х = а в точку с координатой х = в? (Как определенный интеграл 
.)
— Добавим в нашей таблице ещё один столбец справа, куда будем записывать формулы для вычисления величин с помощью определенного интеграла, и запишем туда эту формулу.
— Как же тогда связать работу и мощность? (Высказываются предположения, записывается формула 
).
— Заполните остальные строки таблицы самостоятельно. (Самостоятельная работа учащихся с последующей самопроверкой. Формулу для вычисления координаты центра масс тонкого стержня учитель сообщает после проверки и учащиеся вписывают её.)
Величины
Физическая зависимость в простейшем случае
Вычисление производной
Вычисление интеграла
A – работа,
F – сила,
N – мощность,
x – пройденный путь,
t – время.
Интегрирование уравнений движения
Симуляция физики делает небольшие предсказания на основании законов физики. Эти предсказания на самом деле достаточно просты, что-то вроде «если объект вот здесь и он движется с такой скоростью в этом направлении, то за краткий промежуток времени он окажется вот тут». Мы создаём такие предсказания с помощью математической техники под названием интегрирование.
Темой этой статьи как раз и будет реализация такого интегрирования.
Интегрирование уравнений движения
Вы можете помнить из курса старшей школы или вуза, что сила равна произведению массы на ускорение.
Преобразуем это уравнение и увидим, что ускорение равно силе, делённой на массу. Это соответствует нашим интуитивным ожиданиям, потому что тяжёлые объекты труднее бросать.
Ускорение — это темп изменения скорости от времени:
Аналогично, скорость — это темп изменения позиции от времени:
Это значит, что если мы знаем текущие позицию и скорость объекта, а также приложенные к нему силы, то сможем проинтегрировать, чтобы найти его позицию и скорость в определённый момент времени.
Численное интегрирование
Если вы не изучали дифференциальные уравнения в вузе, то можете вздохнуть спокойно — вы почти в такой же ситуации, что и те, кто их изучал, потому что мы не будем решать дифференциальные уравнения аналитически. Вместо этого мы будем искать решение численным интегрированием.
Вот как работает численное интегрирование: во-первых, начнём с исходной позиции и скорости, затем сделаем небольшой шаг вперёд, чтобы найти скорость и позицию в будущем. Затем повторим это, двигаясь вперёд небольшими шагами, используя результат предыдущих вычислений как исходную точку следующих.
Но как нам найти изменение скорости и позиции на каждом шаге?
Ответ лежит в уравнениях движения.
Давайте назовём наше текущее время t, а шаг времени dt или «delta time».
Теперь мы можем представить уравнения движения в понятном всем виде:
Интуитивно это понятно: если вы находитесь в автомобиле, движущемся со скоростью 60 км/ч, то за один час вы проедете 60 км. Аналогично, автомобиль, ускоряющийся на 10 км/ч в секунду, через 10 секунд будет двигаться на 100 км/ч быстрее.
Разумеется, эта логика сохраняется, только когда ускорение и скорость постоянны. Но даже если они меняются, то это для начала вполне неплохая аппроксимация.
Давайте представим это в коде. Начнём с стационарного объекта массой один килограмм и приложим к нему постоянную силу в 10 кН (килоньютонов) и сделаем шаг вперёд, принимая, что один временной шаг равен одной секунде:
Вот каким будет результат:
Как вы видите, на каждом шаге мы знаем и позицию, и скорость объекта. Это и есть численное интегрирование.
Явный метод Эйлера
Вид интегрирования, который мы только что использовали, называется явным методом Эйлера.
Он назван в честь швейцарского математика Леонарда Эйлера, впервые открывшего эту технику.
Интегрирование Эйлера — это простейшая техника численного интегрирования. Она точна на 100% только когда темп изменений в течение шага времени постоянен.
Поскольку в примере выше ускорение постоянно, интегрирование скорости выполняется без ошибок. Однако мы ещё интегрируем и скорость для получения позиции, а скорость увеличивается из-за ускорения. Это значит, что в проинтегрированной позиции возникает ошибка.
Но насколько велика эта ошибка? Давайте выясним!
Существует аналитическое решение движения объекта при постоянном ускорении. Мы можем использовать его, чтобы сравнить численно интегрированную позицию с точным результатом:
Через 10 секунд объект должен был переместиться на 500 метров, но явным метод Эйлера даёт нам результат 450. То есть погрешность в целых 50 метров всего за 10 секунд!
Кажется, что это невероятно плохо, но в играх обычно для шага физики берётся не такой большой временной интервал. На самом деле, физика обычно вычисляется с частотой, примерно равной частоте кадров дисплея.
Если задать шаг dt = 1 ⁄100, то мы получим гораздо лучший результат:
Как вы видите, это достаточно хороший результат, определённо вполне достаточный для игры.
Почему явный метод Эйлера не (всегда) так уж хорош
С достаточно малым шагом времени явный метод Эйлера при постоянном ускорении даёт вполне достойные результаты, но что будет, если ускорение не постоянно?
Хорошим примером переменного ускорения является система пружинного амортизатора.
В этой системе масса присоединена к пружине, и её движение гасится чем-то вроде трения. Существует сила, пропорциональная расстоянию до объекта, которая притягивает его к исходной точке, и сила, пропорциональная скорости объекта, но направленная в противоположном направлении, которая замедляет его.
Здесь ускорение в течение шага времени совершенно точно изменяется, но эта постоянно меняющаяся функция является сочетанием позиции и скорости, которые сами постоянно изменяются за шаг времени.
Вот пример гармонического осциллятора с затуханием. Это хорошо изученная задача, и для него существует аналитическое решение, которое можно использовать для проверки результата численного интегрирования.
Давайте начнём со слабозатухающей системы, в которой масса колеблется рядом с исходной точкой, постепенно замедляясь.
Вот входные параметры системы масса-пружина:
Если для интегрирования этой системы мы применим явный метод Эйлера, то получим следующий результа, который я отмасштабировал по вертикали:
Вместо затухания и сближения с исходной точкой, система со временем набирает энергию!
При интегрировании явным методом Эйлера и с dt= 1 ⁄100 такая система нестабильна.
К сожалению, поскольку мы уже интегрируем с малым шагом времени, то не имеем практичных способов повышения точности. Даже если мы уменьшим шаг времени, то всегда будет коэффициент упругости k, при котором мы получим такое поведение.
Симплектический метод Эйлера
Мы можем рассмотреть ещё один интегратор — симплектический метод Эйлера.
В большинстве коммерческих игровых физических движков используется этот интегратор.
Переход от явного к симплектическому методу Эйлера заключается только в замене:
Использование симплектического интегратора Эйлера при dt = 1 ⁄100 для системы пружинного амортизатора даёт стабильный результат, очень близкий к точному решению:
Даже несмотря на то, что симплектический метод Эйлера имеет ту же степень точности, что и явный метод (степень 1), при интегрировании уравнений движения мы получаем намного лучший результат, потому что оно является симплектическим.
Существует множество других методов интегрирования
И теперь нечто совершенно другое.
Неявный метод Эйлера — это способ интегрирования, хорошо подходящий для интегрирования жёстких уравнений, которые при других методах становятся нестабильными. Его недостаток заключается в том, что он требует решения системы уравнений на каждом шаге времени.
Интегрирование Верле обеспечивает бо́льшую точность, чем неявный метод Эйлера, и требует меньше памяти при симуляции большого числа частиц. Это интегратор второй степени, который тоже является симплектическим.
Существует целое семейство интеграторов, называемое методами Рунге-Кутты. На самом деле, явный метод Эйлера считается частью этого семейства, но в него входят интеграторы и более высокого порядка, самым классическим из которых является метод Рунге-Кутты порядка 4 (Runge Kutta order 4) или просто RK4.
Это семейство интеграторов названо в честь открывших их немецких физиков: Карла Рунге и Мартина Кутты.
RK4 — это интегратор четвёртого порядка, то есть накапливаемая ошибка имеет порядок четвёртой производной. Это делает метод очень точным, гораздо более точным, чем явный и неявный методы Эйлера, имеющие только первый порядок.
Но хотя он более точен, нельзя сказать, что RK4 автоматически становится «лучшим» интегратором, или даже что он лучше симплектического метода Эйлера. Всё гораздо сложнее. Тем не менее, это довольно интересный интегратор и его стоит изучить.
Реализация RK4
Существует уже много объяснений математики, используемой в RK4. Например: здесь, здесь и здесь. Я настоятельно рекомендую изучить его выведение и понять, как и почему он работает на математическом уровне. Но я понимаю, что целевая аудитория этой статьи — программисты, а не математики, поэтому мы здесь будем рассматривать только реализацию. Так что давайте приступим.
Прежде чем приступить, давайте зададим состояние объекта как struct в C++, чтобы можно было удобно хранить позицию и скорость в одном месте:
Также нам нужна структура для хранения производных значений состояний:
Теперь нам нужна функция для вычисления состояния физики из t в t+dt с помощью одного набора производных, а после этого для вычисления производных в новом состоянии:
Функция ускорения управляет всей симуляцией. Давайте используем её в системе пружинного амортизатора и вернём ускорение для единичной массы:
То, что нужно здесь записать, разумеется, зависит от симуляции, но необходимо структурировать симуляцию таким образом, чтобы можно было вычислять ускорение внутри этого метода для заданных состояния и времени, в противном случае он не подойдёт для интегратора RK4.
Наконец, мы получаем саму процедуру интегрирования:
Интегратор RK4 делает выборку производной в четырёх точках, чтобы определить кривизну. Заметьте, как производная a используется при вычислении b, b используется при вычислении c, и c для d. Эта передача текущей производной в вычисление следующей и даёт интегратору RK4 его точность.
Важно то, что каждая из этих производных a, b, c и d будет разной, когда темп изменения в этих величинах является функцией времени или функцией самого состояния. Например, в нашей системе пружинного амортизатора ускорение является функцией текущей позиции и скорости, которые меняются в шаге времени.
После вычисления четырёх производных наилучшая общая производная вычисляется как взвешенная сумма, полученная из разложения в ряд Тейлора. Эта комбинированная производная используется для перемещения позиции и скорости вперёд во времени, точно так же, как мы делали это в явном интеграторе Эйлера.
Сравнение симплектического метода Эйлера и RK4
Давайте подвергнем проверке интегратор RK4.
Очевидно, что поскольку он является интегратором более высокого порядка (четвёртый против первого) он наглядно будет более точен, чем симплектический метод Эйлера, правда?
Неправда. Оба интегратора так близки к точному результату, что при таком масштабе почти невозможно найти между ними разницу. Оба интегратора стабильны и очень хорошо повторяют точное решение при dt= 1 ⁄100.
При увеличении видно, что RK4 действительно более точен, чем симплектический метод Эйлера, но стоит ли эта точность сложности и лишнего времени выполнения RK4? Трудно судить.
Давайте постараемся и посмотрим, сможем ли мы найти значительное различие между двумя интеграторами. К сожалению, мы не сможем долго наблюдать за этой системой, потому что она быстро затухает до нуля, поэтому давайте перейдём к простому гармоническому осциллятору, который колеблется бесконечно и без затуханий.
Вот точный результат, к которому мы будем стремиться:
Чтобы усложнить интеграторам задачу, давайте увеличим шаг времени до 0,1 секунды.
Теперь запустим интеграторы на 90 секунд и увеличим масштаб:
Через 90 секунд симплектический метод Эйлера (оранжевая кривая) сдвинулся по фазе относительно точного решения, потому что его частота немного отличалась, в то время как зелёная кривая RK4 соответствует частоте, но теряет энергию!
Мы чётко можем это заметить, увеличив шаг времени до 0,25 секунды.
RK4 сохраняет верную частоту, но теряет энергию:
А симплектический метод Эйлера в среднем намного лучше сохраняет энергию:
Но от сдвигается от фазы. Какой интересный результат! Как вы видите, если RK4 имеет более высокий порядок точности, то он не обязательно «лучше». В этом вопросе есть множество нюансов.
Заключение
Мы реализовали три различных интегратора и сравнили результаты.
Я рекомендую симплектический метод Эйлера. Он «дёшев» и прост в реализации, гораздо стабильнее явного метода Эйлера и в среднем стремится к сохранению энергии даже при близких к предельным условиях.
Если вам действительно нужна бОльшая точность, чем у симплектического метода Эйлера, я рекомендую посмотреть на симплектические интеграторы более высокого порядка, рассчитанные на гамильтоновы системы. Таким образом вы изучите более современные техники интегрирования высокого порядка, которые лучше подходят для симуляций, чем RK4.
И наконец, если вы всё ещё пишете в игре такое:
То потратьте секунду и замените эти строки на:
4.3.2 Примеры применения интеграла в физике и геометрии
Видеоурок: Применение интегралов в физике и математике
Лекция: Примеры применения интеграла в физике и геометрии
Процесс нахождение первообразной называется интегрированием.
Как и производная, интегралы используются и в физике, и в геометрии, а также в других областях знаний.
Сегодня же мы рассмотрим, каким образом используется интегрирование в физике и геометрии.
Итак, начнем сначала. Мы помним, что скорость – это первая производная перемещения. Но так как мы знаем, что интегрирование и нахождение производной – это два взаимообратных процесса, то мы можем предполагать, что, если для нахождения скорости, нужно было найти производную от перемещения, то для нахождения перемещения по скорости, необходимо произвести интегрирование заданной функции.
Отсюда можно сделать вывод, что перемещение за ограниченный интервал времени – это определенный интеграл скорости по времени:
Пример: Итак, предположим, что некоторое тело двигается со скоростью, заданной функцией:
По условию задачи мы должны определить путь, который пройдет тело за промежуток времени [0;1].
Итак, найдем определенный интеграл данной функции:
Это означает, что за данный промежуток времени, тело прошло 1,3(3) м.
Точно так же можно найти скорость по заданной функции ускорения.
Еще одной физической величиной, которая находится с помощью интегрирования, является работа.
Для нахождения работы необходимо найти определенный интеграл функции силы по перемещению:
Пример: Предположим, что к некоторому телу для его передвижения прикладывают силу, которая изменяется по закону F(x) = x +3. Необходимо найти работу, которую при этом совершает сила для перемещения тела с 1 м до 2 м.
Для нахождения работы следует найти определенный интеграл заданной функции по известным пределам интегрирования:
Это значит, что для передвижения тела потребовалось совершить работу, равную 4,5 Дж энергии.
Кроме рассматриваемых задач, интегрирование в физике используется для нахождения работы по мощности, массы по плотности, заряда по силе тока, количества теплоты по известной теплоемкости, а также многое другое.
Что же касается геометрии, то геометрическим смыслом интегрирования считается нахождение площади фигуры под графиком.
Итак, чтобы найти площадь фигуры, которая ограничена с двух сторон пределами интегрирования и с одной стороны графиком функции, то необходимо найти интеграл данной функции:
Пример: Вычислим площадь фигуры, ограниченной графиком функции у = 4х – х 2 на пределах рассмотрения х = 0, х = 4.
Итак, найдем интеграл данной функции в заданных пределах и построим полученный график:
Интегралы для чайников: как решать, правила вычисления, объяснение
Решение интегралов – задача легкая, но только для избранных. Эта статья для тех, кто хочет научиться понимать интегралы, но не знает о них ничего или почти ничего. Интеграл. Зачем он нужен? Как его вычислять? Что такое определенный и неопределенный интегралы?
Если единственное известное вам применение интеграла – доставать крючком в форме значка интеграла что-то полезное из труднодоступных мест, тогда добро пожаловать! Узнайте, как решать простейшие и другие интегралы и почему без этого никак нельзя обойтись в математике.
Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.
Изучаем понятие « интеграл »
Интегрирование было известно еще в Древнем Египте. Конечно, не в современном виде, но все же. С тех пор математики написали очень много книг по этой теме. Особенно отличились Ньютон и Лейбниц, но суть вещей не изменилась.
Как понять интегралы с нуля? Никак! Для понимания этой темы все равно понадобятся базовые знания основ математического анализа. Сведения о пределах и производных, необходимые и для понимания интегралов, уже есть у нас в блоге.
Неопределенный интеграл
Пусть у нас есть какая-то функция f(x).
Неопределенным интегралом функции f(x) называется такая функция F(x), производная которой равна функции f(x).
Другими словами интеграл – это производная наоборот или первообразная. Кстати, о том, как вычислять производные, читайте в нашей статье.
Первообразная существует для всех непрерывных функций. Также к первообразной часто прибавляют знак константы, так как производные функций, различающихся на константу, совпадают. Процесс нахождения интеграла называется интегрированием.
Простой пример:
Чтобы постоянно не высчитывать первообразные элементарных функций, их удобно свести в таблицу и пользоваться уже готовыми значениями.
Полная таблица интегралов для студентов
Определенный интеграл
Имея дело с понятием интеграла, мы имеем дело с бесконечно малыми величинами. Интеграл поможет вычислить площадь фигуры, массу неоднородного тела, пройденный при неравномерном движении путь и многое другое. Следует помнить, что интеграл – это сумма бесконечно большого количества бесконечно малых слагаемых.
В качестве примера представим себе график какой-нибудь функции.
Как найти площадь фигуры, ограниченной графиком функции? С помощью интеграла! Разобьем криволинейную трапецию, ограниченную осями координат и графиком функции, на бесконечно малые отрезки. Таким образом фигура окажется разделена на тонкие столбики. Сумма площадей столбиков и будет составлять площадь трапеции. Но помните, что такое вычисление даст примерный результат. Однако чем меньше и уже будут отрезки, тем точнее будет вычисление. Если мы уменьшим их до такой степени, что длина будет стремиться к нулю, то сумма площадей отрезков будет стремиться к площади фигуры. Это и есть определенный интеграл, который записывается так:
Точки а и b называются пределами интегрирования.
Бари Алибасов и группа
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Правила вычисления интегралов для чайников
Свойства неопределенного интеграла
Как решить неопределенный интеграл? Здесь мы рассмотрим свойства неопределенного интеграла, которые пригодятся при решении примеров.
Свойства определенного интеграла
Как считать определенный интеграл? С помощью формулы Ньютона-Лейбница.
Мы уже выяснили, что определенный интеграл – это предел суммы. Но как получить конкретное значение при решении примера? Для этого существует формула Ньютона-Лейбница:
Примеры решения интегралов
Ниже рассмотрим неопределенный интеграл и примеры с решением. Предлагаем самостоятельно разобраться в тонкостях решения, а если что-то непонятно, задавайте вопросы в комментариях.
Для закрепления материала посмотрите видео о том, как решаются интегралы на практике. Не отчаиваетесь, если интеграл не дается сразу. Обратитесь в профессиональный сервис для студентов, и любой тройной или криволинейный интеграл по замкнутой поверхности станет вам по силам.
Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.