如何在MATLAB中与无限极限进行数值积分？

Question

我想对具有无限限制的积分进行数值积分。有谁知道我该怎么做？

int(x* exp (v*x + (1-exp(v*x))/v),x, o , inf) 不起作用。

请注意，我将拥有 v 的值。

%n=10;
kappa=.5;
delta0=.5;
Vmax=500;
Vdep=2.2;
l=2.2;
kbT=4.1;
%xb=.4;
fb=10;
k=1;
V0=5;

e1=(fb*l/kbT)*(kappa/delta0);
e2=Vmax/V0;
e3=Vdep/V0;

w=zeros(1,25);

for v=1:25
    w(:,v)=integral(@(x) x.*exp(v*x+((1-exp(v*x))/v)),0,inf);
end

e12=e2*exp(-e1*(1:25).*w.^2)-e3;
plot(e12);
ylim([0 25]);
hold on;
plot(0:25,0:25);
xlim([0 25]);
%hold off;

图与文中真实数据不符！（专门针对e12曲线） 我需要计算两条曲线的交点（根据论文约为 13.8），然后在第二部分中，我必须在 e12 中添加一个包含自变量的项：

v=13.8;
w= integral(@(x) x.*exp(v*x+((1-exp(v*x))/v)),0,inf)
e4 = zeros (1,180);
fl = 1:180;
e4(:,fl)= (fl*l/kbT)*(kappa/n);
e12=e2*exp(-e1*v*w^2-e4)-e3

但问题又是，运行此代码时，我将以 e12 的负值结束，在 fl (fl>160) 的大值中应该接近零

要显示此代码与预期曲线有何不同，您可以将这些数据绘制在同一图上：

fl = [0, 1, 4, 9, 15, 20, 25, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160, 180];
e12 = [66, 60, 50, 40, 30, 25.5, 20, 15.5, 10.5, 8.3, 6.6, 5, 2.25, 1.1, 0.5];

这显然与代码生成的曲线不符。

Answer 1

假设问题是关于这个完整的代码：

syms x;
v = 1; % For example
int(x*exp(v*x + (1-exp(v*x))/v),x, 0, Inf)

问题在于它会返回自身（即int 找不到解析解），可以将'IgnoreAnalyticConstraints' 选项设置为true (more details) 以获得解决方案：

syms x;
v = 1; % For example
int(x*exp(v*x + (1-exp(v*x))/v),x, 0, Inf, 'IgnoreAnalyticConstraints', true)

返回-ei(-1)*exp(1)，其中ei 是exponential integral function（有关数值计算，另请参见expint）。对于v 的负值，解决方案也将是eulergamma，Euler-Mascheroni constant。当然，如果v 是0，则积分是未定义的。

使用 Mathematica 10.0.2 的 Integrate 产生符号 v 的完整解决方案。

Integrate[x Exp[v x - (Exp[v x] - 1)/v], {x, 0, Infinity}]

返回

ConditionalExpression[(E^(1/v) (EulerGamma + Gamma[0, 1/v] + Log[1/v]))/v, Re[v] < 0]

申请Assumptions:

Integrate[x Exp[v x - (Exp[v x] - 1)/v], {x, 0, Infinity}, Assumptions -> v > 0]
Integrate[x Exp[v x - (Exp[v x] - 1)/v], {x, 0, Infinity}, Assumptions -> v < 0]

返回

(E^(1/v) Gamma[0, 1/v])/v

和

(E^(1/v) (2 EulerGamma - 2 ExpIntegralEi[-(1/v)] + Log[1/v^2]))/(2 v)

其中Gamma 是upper incomplete gamma function。这些似乎与 Matlab 的结果相匹配。

在 Matlab 中对这些数值进行评估：

% For v > 0
v_inv = 1./v;
exp(v_inv).*expint(v_inv).*v_inv

或

% For v < 0
v_inv = 1./v;
exp(v_inv).*(2*double(eulergamma)+2*(expint(v_inv)+pi*1i)+log(v_inv.^2)).*v_inv/2

Answer 2

数值积分是通过对距离dx 的离散点处的函数求和来执行的。您选择的dx 越小，获得的近似值就越好。例如，从x=0 到x=10 的集成由以下方式完成：

x = 0:dx:10;
I = sum(x.* exp (v*x + (1-exp(v*x))/v))*dx;

显然，x=inf 不能这样做。但我相信你的功能会迅速衰减。因此，您可以假设x* exp (v*x + (1-exp(v*x))/v) = 0 足够大x。否则积分是发散的。因此，您所要做的就是设置x 的限制。如果您不确定应该是什么限制，您可以执行带有停止条件的循环：

I = 0;
prevI = -1;
x = 0;
while abs(I-prevI)>err
  prevI = I;
  I = I + x.* exp (v*x + (1-exp(v*x))/v)*dx;
  x = x + dx;
end

现在，您只需设置所需的dx 和err

Answer 3

你必须阅读这个：Mathwork Link

也许您在使用的函数中犯了错误。另请注意，MATLAB 语法区分大小写..