使用Excel计算曲线下面积

我在【附录1】文中提到了使用Excel进行曲线下面积的计算,其实,也就是高等数学中的定积分计算,但当时考虑不冲淡主题,对其中的积分计算一笔带过,本文只是对此专题做一个补充,对于微积分的某些概念在此不再赘述。

定积分的几何意义就是求曲线下面积,在Excel中可以:

① 使用Excel的图表将离散点用XY散点图绘出;

② 使用Excel的趋势线将离散点所在的近似拟合曲线绘出;

③ 利用Excel的趋势线将近似拟合曲线公式推出;

④ 使用微积分中的不定积分求出原函数(这一步Excel无法替代);

⑤ 使用Excel的表格和公式计算定积分值。

例1:由表1一组数据,绘得图1.求图1曲线下面积(紫色部分):

表1

图1

其实,此例的关键就是求出曲线的公式,为此,就要将表1数据绘成散点图,并据此绘出趋势线、求得趋势线方程,从而可以使用定积分求解。

【步骤 1】:选择表1数据单元, 进入【图表向导-4 步骤之 1-图表类型】对话框,选择“X Y散点图”,在“下一步”取消图例,完成后得到XY散点图,如图2。

图2

【步骤 2】:选择散点图中数据点,右键选择“添加趋势线”,如图3:

图3

【步骤 3】:在【添加趋势线】对话框中,切换到“类型”选项卡,在“趋势预测/回归分析类

型”中,可以根据题意及定积分计算方便,选择“多项式”,“阶数”可调节为2(视曲线与点拟合程度调

节),如图4:

图4

对于了解趋势预测和回归分析曲线类型的特征,如何更好选择以便更好拟合数据点,可参见【附录2】。

【步骤 4】:切换到“选项”选项卡,选中“显示公式”复选框,“设置截距=0”视情况也可选中,如图5。显示R平方值,也可以选中,以便观察曲线拟合程度,R平方越接近于1,拟合程度越高,本例R平方的值为1,即完全拟合,是最佳趋势线。确定后,如图6,其中的公式,就是通过回归求得的拟合曲线的方程。

图5

图6

【步骤 5】:用不定积分求曲线方程的原函数(x):

【步骤 6】:利用Excel表格和公式的拖曳,求原函数值:如在下面表2中,选中单元格C2,在上方编辑栏中键入等号插入公式“=0.33*A2^3+0.005*A2^2”,回车确定后,用鼠标放置到C2的右下角,出

现“+”时,从C2拖到C12,求得原函数值,即求得F(0)、F(0.1)、F(0.2)、……、F(1.0) 。【注意:单元格C1中的公式只是C列的标题,具体的计算必须引用单元格。】

表2

【步骤 7】:求[0,1]区间曲线下面积,从表2中可知

=F(1)-F(0)

=0.335

例2:由表1数据绘成的图表中,求如图7这样在[0.6,0.9]区间的曲边梯形面积:

图7

【解答】由例1解答可知曲线方程为:

Y = 0.99X^2 + 0.01X

其原函数为:

F(X)=0.33X^3+0.005X^2

使用表2计算结果可知,在[0.6,0.9]区间的曲边梯形面积为:

F(0.9)-F(0.6)

=0.17154

【附录1】

《用Excel表达贫富不均——洛仑兹曲线的绘制及基尼系数的定积分计算》:

http://shuchonghui.blog.163.com/blog/static/[***********]692/ 和

http://blog.stnn.cc/StBlogPageMain/Efp_BlogLogKan.aspx?cBlogLog=1002457003

【附录2】Excel趋势线类型:

线性:线性趋势线是适用于简单线性数据集合的最佳拟合直线。如果数据点的构成的趋势接近于一条直线,则数据应该接近于线性。线性趋势线通常表示事件以恒定的比率增加或减少。

对数:如果数据一开始的增加或减小的速度很快,但又迅速趋于平稳,那么对数趋势线则是最佳的拟合曲线。

多项式:多项式趋势线是数据波动较大时使用的曲线。多项式的阶数是有数据波动的次数或曲线中的拐点的个数确定,方便的判定方式也可以从曲线的波峰或波谷确定。二阶多项式就是抛物线,二阶多项式趋势线通常只有一个波峰或波谷;三阶多项式趋势线通常有一个或两个波峰或波谷;四阶多项式趋势线通常多达3个。当然多项式形式的不定积分公式比较简单,求此类曲线下面积比较容易。

乘幂:乘幂趋势线是一种适用于以特定速度增加的数据集合的曲线。但是如果数据中有零或负数,则无法创建乘幂趋势线。

指数:指数趋势线适用于速度增加越来越快的数据集合。同样,如果数据中有零或负数,则无法创建乘幂趋势线。

移动平均:移动平均趋势线用于平滑处理数据中的微小波动,从而更加清晰地显示了数据的变化的趋势(在股票、基金、汇率等技术分析中常用) 。

我在【附录1】文中提到了使用Excel进行曲线下面积的计算,其实,也就是高等数学中的定积分计算,但当时考虑不冲淡主题,对其中的积分计算一笔带过,本文只是对此专题做一个补充,对于微积分的某些概念在此不再赘述。

定积分的几何意义就是求曲线下面积,在Excel中可以:

① 使用Excel的图表将离散点用XY散点图绘出;

② 使用Excel的趋势线将离散点所在的近似拟合曲线绘出;

③ 利用Excel的趋势线将近似拟合曲线公式推出;

④ 使用微积分中的不定积分求出原函数(这一步Excel无法替代);

⑤ 使用Excel的表格和公式计算定积分值。

例1:由表1一组数据,绘得图1.求图1曲线下面积(紫色部分):

表1

图1

其实,此例的关键就是求出曲线的公式,为此,就要将表1数据绘成散点图,并据此绘出趋势线、求得趋势线方程,从而可以使用定积分求解。

【步骤 1】:选择表1数据单元, 进入【图表向导-4 步骤之 1-图表类型】对话框,选择“X Y散点图”,在“下一步”取消图例,完成后得到XY散点图,如图2。

图2

【步骤 2】:选择散点图中数据点,右键选择“添加趋势线”,如图3:

图3

【步骤 3】:在【添加趋势线】对话框中,切换到“类型”选项卡,在“趋势预测/回归分析类

型”中,可以根据题意及定积分计算方便,选择“多项式”,“阶数”可调节为2(视曲线与点拟合程度调

节),如图4:

图4

对于了解趋势预测和回归分析曲线类型的特征,如何更好选择以便更好拟合数据点,可参见【附录2】。

【步骤 4】:切换到“选项”选项卡,选中“显示公式”复选框,“设置截距=0”视情况也可选中,如图5。显示R平方值,也可以选中,以便观察曲线拟合程度,R平方越接近于1,拟合程度越高,本例R平方的值为1,即完全拟合,是最佳趋势线。确定后,如图6,其中的公式,就是通过回归求得的拟合曲线的方程。

图5

图6

【步骤 5】:用不定积分求曲线方程的原函数(x):

【步骤 6】:利用Excel表格和公式的拖曳,求原函数值:如在下面表2中,选中单元格C2,在上方编辑栏中键入等号插入公式“=0.33*A2^3+0.005*A2^2”,回车确定后,用鼠标放置到C2的右下角,出

现“+”时,从C2拖到C12,求得原函数值,即求得F(0)、F(0.1)、F(0.2)、……、F(1.0) 。【注意:单元格C1中的公式只是C列的标题,具体的计算必须引用单元格。】

表2

【步骤 7】:求[0,1]区间曲线下面积,从表2中可知

=F(1)-F(0)

=0.335

例2:由表1数据绘成的图表中,求如图7这样在[0.6,0.9]区间的曲边梯形面积:

图7

【解答】由例1解答可知曲线方程为:

Y = 0.99X^2 + 0.01X

其原函数为:

F(X)=0.33X^3+0.005X^2

使用表2计算结果可知,在[0.6,0.9]区间的曲边梯形面积为:

F(0.9)-F(0.6)

=0.17154

【附录1】

《用Excel表达贫富不均——洛仑兹曲线的绘制及基尼系数的定积分计算》:

http://shuchonghui.blog.163.com/blog/static/[***********]692/ 和

http://blog.stnn.cc/StBlogPageMain/Efp_BlogLogKan.aspx?cBlogLog=1002457003

【附录2】Excel趋势线类型:

线性:线性趋势线是适用于简单线性数据集合的最佳拟合直线。如果数据点的构成的趋势接近于一条直线,则数据应该接近于线性。线性趋势线通常表示事件以恒定的比率增加或减少。

对数:如果数据一开始的增加或减小的速度很快,但又迅速趋于平稳,那么对数趋势线则是最佳的拟合曲线。

多项式:多项式趋势线是数据波动较大时使用的曲线。多项式的阶数是有数据波动的次数或曲线中的拐点的个数确定,方便的判定方式也可以从曲线的波峰或波谷确定。二阶多项式就是抛物线,二阶多项式趋势线通常只有一个波峰或波谷;三阶多项式趋势线通常有一个或两个波峰或波谷;四阶多项式趋势线通常多达3个。当然多项式形式的不定积分公式比较简单,求此类曲线下面积比较容易。

乘幂:乘幂趋势线是一种适用于以特定速度增加的数据集合的曲线。但是如果数据中有零或负数,则无法创建乘幂趋势线。

指数:指数趋势线适用于速度增加越来越快的数据集合。同样,如果数据中有零或负数,则无法创建乘幂趋势线。

移动平均:移动平均趋势线用于平滑处理数据中的微小波动,从而更加清晰地显示了数据的变化的趋势(在股票、基金、汇率等技术分析中常用) 。


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