Apache Commons Math3学习之数值积分实例代码

Apache.Commons.Math3里面的数值积分支持类采用的是“逼近法”，即，先对大区间做一次积分，再对小区间做一次积分，若两次积分结果的差值小于某一设定的误差值，则认为积分完成。否则，将区间再次细分，对细分后的区间进行积分，与前一次积分相比较，如此反复迭代，直至最近的两次积分差值足够小。这样的结果，有可能会导致无法收敛。

为了使用org.apache.commons.math3.analysis.integration包中的积分器类，需要先实现UnivariateFunction接口（本文以MyFunction为例），实现其value方法。然后创建指定的积分器对象，本文以SimpsonIntegrator为例，最后调用其integrate(...)方法即可算出MyFunction的积分。

调用integrate(...)方法时需要提供4个参数：

第1个是最大逼近次数，要适当大一些，否则可能会无法收敛；
第2个是MyFunction类的实例；
第3个是积分区间下限；
第4个是积分区间上限。

SimpsonIntegrator在第一次迭代时一定是分别以积分下限和积分上限作为x调用连词MyFunction.value(...)方法，下一次则会将区间分成2份（除上下限x值之外，还有一个中间x值），再下一次则是分成4份……

以下是使用辛普森积分类的例子：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import org.apache.commons.math3.analysis.UnivariateFunction;
import org.apache.commons.math3.analysis.integration.SimpsonIntegrator;
import org.apache.commons.math3.analysis.integration.UnivariateIntegrator;
interface TestCase
{
	public Object run(List<Object> params) throws Exception;
	public List<Object> getParams();
	public void printResult(Object result) throws Exception;
}
public class TimeCostCalculator
{
	public TimeCostCalculator()
	  {
	}
	/**
  * 计算指定对象的运行时间开销。
  *
  * @param testCase 指定被测对象。
  * @return 返回sub.run的时间开销，单位为s。
  * @throws Exception
  */
	private double calcTimeCost(TestCase testCase) throws Exception
	  {
		List<Object> params = testCase.getParams();
		long startTime = System.nanoTime();
		Object result = testCase.run(params);
		long stopTime = System.nanoTime();
		testCase.printResult(result);
		double timeCost = (stopTime - startTime) * 1.0e-9;
		return timeCost;
	}
	public void runTest(TestCase testCase) throws Exception
	  {
		double timeCost = calcTimeCost(testCase);
		System.out.println("时间开销：: " + timeCost + "s");
		System.out.println("-------------------------------------------------------------------------------");
	}
	public static void main(String[] args) throws Exception
	  {
		TimeCostCalculator tcc = new TimeCostCalculator();
		tcc.runTest(new CalcSimpsonIntegrator());
	}
}
/**
 * 使用辛普森法求解数值积分。Apache.Common.Math3中所用的辛普森法是采用逼近法，即先对整个积分区间用矩形积分，然后将区间分解为4份，再次积分，比较两次积分的差值，若想对误差大于某个预订数值，
 * 则认为还需要继续细分区间，因此会将区间以2倍再次细分后求积分，并将结果与前一次积分的结果比较，直至差值小于指定的误差，就停止。
 * @author kingfox
 *
 */
class CalcSimpsonIntegrator implements TestCase
{
	public CalcSimpsonIntegrator()
	  {
		System.out.print("本算例用于测试使用辛普森法计算积分。正在初始化计算数据 ... ...");
		inputData = new double[arrayLength];
		for (int index = 0; index < inputData.length; index++)  // 鏂滃潯鍑芥暟
		{
			inputData[index] = Math.sin(2 * Math.PI * index * MyFunction.factor * 4);
		}
		func = new MyFunction();
		integrator = new SimpsonIntegrator();
		System.out.println("初始化完成!");
	}
	@Override
	  public Object run(List<Object> params) throws Exception
	  {
		double result = ((SimpsonIntegrator)(params.get(1))).integrate(steps, (UnivariateFunction)(params.get(0)), lower, upper);
		return result;
	}
	/**
  * 获取运行参数
  * @return List对象，第一个元素是求积函数，第二个参数是积分器。
  */
	@Override
	  public List<Object> getParams()
	  {
		List<Object> params = new ArrayList<Object>();
		params.add(func);
		params.add(integrator);
		return params;
	}
	@Override
	  public void printResult(Object result) throws Exception
	  {
		System.out.println(">>> integration value: " + result);
	}
	UnivariateFunction func = null;
	UnivariateIntegrator integrator = null;
	class MyFunction implements UnivariateFunction
	  {
		@Override
		   public double value(double x)
		   {
			//     double y = x * factor;   // 1.
			//     double y = 4.0 * x * x * x - 3.0 * x * x + 2.0 * x - 1.0;  // 2.
			//     double y = -1.0 * Math.sin(x) + 2.0 * Math.cos(x) - 3.0;   // 3.
			double y = inputData[(int)(x / factor)];
			// 4.
			//     System.out.println(x + ", " + y);
			return y;
		}
		private static final double factor = 0.0001;
	}
	private double[] inputData = null;
	private static final int arrayLength = 5000;
	private static final double lower = 0.0;
	//  private static final double upper = 2.0 * Math.PI;   // 3.
	private static final double upper = (arrayLength - 1) * MyFunction.factor;
	// 1. 2. 4.
	private static final int steps = 1000000;
}

上述代码中，注释为1. 2. 3.的可以正常计算出结果，但注释为4.的就无法收敛。

基于org.apache.commons.math3.analysis.integration.UnivariateIntegrator的积分器的另一个局限性在于必须编写一个继承于UnivariateFunction的函数类，实现其value方法（根据输入的x值计算出y值），这种做法有利于可用解析式表达的情况，不利于对存放于外存的大量数据做积分处理。

总结

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