Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Методы вычислительной математики

..pdf
Скачиваний:
17
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
3.42 Mб
Скачать

Приближение произвольной функции f(x) вблизи xk 1/ 2 описывается фор-

мулой Тейлора

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) = f (xk1/ 2 )+ fx (xk1/ 2 )(x xk1/ 2 ) + fxx (ξ)(x xk1/ 2 ) 2, ξ [xk1, xk ].

 

 

 

 

′′

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

Погрешность вычисления интеграла на сегменте

[xk1, xk ] определяется

выражением:

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψk = k

f (x)dx f (xk 1/ 2 )h =

 

 

xk

xk 1

 

 

 

 

 

 

2]dx f (xk1/ 2 )h =

(xk 1/ 2 )(x xk

1/ 2 )+ fxx (ξ)(x xk1/ 2 )

= [f (xk1/ 2 ) + fx

 

 

 

′′

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

xk

 

 

 

 

= f (xk1/ 2 )h + fx (xk1/ 2 )(x xk1/ 2 )

 

 

 

 

 

 

 

2 + fxx (ξ)(x xk 1/ 2 ) 2dx f (xk1/ 2 )h =

2

xk

 

′′

 

2

 

 

 

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

 

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

x

= 1 k fxx′′(ξ)(x xk1/ 2 )2 dx .

2 xk 1

Полученное выражение позволяет оценить погрешность

 

ψ

 

 

1

 

xk

f ′′(ξ)(x x

 

 

)2 dx

1

 

 

max

 

f ′′(x)

 

xk (x x

 

)2 dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

2

 

xx

 

k 1/ 2

 

 

2 x [xk 1 ,xk ]

 

xx

 

k 1/ 2

(7.6)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= M 2,k (x xk1/ 2 )3 6 xk

 

 

 

= M 2,k h3 24 = O(h3 ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

f ′′(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь обозначено:

M

 

= max

 

 

 

 

. Формула (7.6) показывает, что при

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2,k

x [xk 1 ,xk

]

 

xx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ограниченности второй производной заданной функции на рассматриваемом сегменте погрешность формулы прямоугольников имеет третий порядок. Для всего отрезка интегрирования [a,b] получается:

 

 

 

m

 

 

 

m

(mh)h2 24 = M 2h2

(b a) 24,

 

 

Ψ ≤ ψk

 

h3 24M 2,k M 2

(7.7)

 

 

 

 

 

k=1

 

 

 

k =1

 

 

 

где M

 

= max

 

f

′′

(x)

 

. Иными словами, для всего интервала [a,b] погрешность

 

 

 

 

 

2

x [a,b]

 

xx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рассмотренного способа интегрирования имеет второй порядок. Так же проверяется часто применяемая на практике формула интегрирования

xk f (x)dx f (xk 1 )h ,

xk 1

с использованием «левой» точки сегмента [xk1, xk ], геометрический смысл ко-

торой пояснен на рисунке 7.1, а. Оценка погрешности интегрирования на этом сегменте приводит к формуле

x

ψk = fx(xk1 )h2 2 + 1 k fxx′′(ξ)(x xk 1 )2 dx ,

2 xk 1

141

 

 

 

 

ψk

 

= O(h2 ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для всего отрезка [a,b] погрешность интегрирования составляет

 

Ψ

 

M1h(b a) 2, M1 = max

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

f (x)

 

 

 

 

 

 

 

x [a,b]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На рис. 7.2 показана сходимость процесса приближенного вычисления определенного интеграла с помощью формул метода прямоугольников с «центральной», «левой» и «правой» (рис. 7.1, в) точками

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

1024 m

2

4

8

16

32

64

128

256

512

10

Рис. 7.2. Значения интеграла ex dx , вычисленные точно ( – – – –),

0

по формулам метода прямоугольников с «центральной» (–ο–), «левой» (– –) и «правой» (––) точками на сетках Ωm

7.2. Формула трапеций

На сегменте [xk1, xk ] функция f(x) описывается линейной зависимостью

(рис. 7.3):

 

 

 

f (x) (xk x)f (xk1 ) h + (x xk1 )f (xk ) h .

 

 

 

 

 

 

Это означает, что в разложении (7.2)

 

 

 

удерживаются две функции

 

 

 

ϕ0 (x) = (xk x) h ,

ϕ1 (x) = (x xk1 ) h .

 

 

 

Весовые коэффициенты равны

 

 

 

x

x

 

 

x

C0k = k ϕ0 (x)dx = h 2 , C1k = k ϕ1 (x)dx = h 2.

 

 

xk 1

xk 1

 

xk–1

xk

Отсюда вытекает формула метода тра-

 

Рис. 7.3. Схемачисленного

пеций (см. рис. 7.3):

 

интегрированияметодомтрапеций

142

x

f (x)dx f (xk1 )h 2 + f (xk )h 2 = [f (xk1 )+ f (xk )]h 2.

 

k

(7.8)

xk 1

 

 

 

 

 

 

Формулы Тейлора разложения функции f(x) возле точки x

 

f (xk 1 )= f (x) + fx (x)(xk1

x)+ fxx (ξ)(xk1 x)

 

2, ξ [xk1, xk ],

 

 

′′

 

2

 

 

 

f (xk ) = f (x)+ fx (x)(xk

x)+ fxx (ζ)(xk x)

 

2, ζ [xk1 , xk ].

 

 

′′

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Позволяют оценить погрешность представления (7.8) на сегменте [xk1, xk ]:

 

x

 

 

 

ψk = k [f (x) − ϕ0 (x) f (xk1 ) − ϕ1 (x)f (xk1 )]dx =

 

 

 

xk 1

 

 

 

x

 

 

 

 

= k [f (x) (xk x)f (xk1 ) h (x xk 1 )f (xk ) h]dx =

 

xk 1

 

 

 

 

xk

x)(f (x) + fx (x)(xk1

x)+ fxx (ξ)(xk1 x)

2) h

= [f (x) (xk

 

′′

2

 

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

]dx =

(x xk 1 )( f (x) + fx(x)(xk x) + fxx′′ (ξ)(xk x)2 / 2)/ h

xk

= f (x)[1 (xk x)h (x xk 1 )h]dx

xk 1

xk

fx(x)[(xk x)(xk1 x)h + (xk x)(x xk1 )h]dx

xk 1

xk [fxx′′(ξ)(xk1 x)2 (xk x)2h + fxx′′(ζ)(xk x)2 (x xk1 )2h]dx .

xk 1

В силу того, что

1 (xk x)h (x xk1 )h = 0 ,

(xk x)(xk 1 x)h + (xk x)(x xk1 )h = 0 ,

вычисляемая погрешность определяется выражением

 

 

 

 

xk

 

 

 

 

 

 

2h]dx .

ψk = − [fxx (ξ)(xk1 x) (xk x) 2h + fxx (ζ)(xk x) (x xk1 )

 

 

 

 

 

′′

2

 

′′

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда следует оценка погрешности:

 

 

 

 

 

1

 

 

xk

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψk

 

 

max

′′

[(xk1

x)

(xk x) + (xk x) (x xk1 )]dx

 

 

 

 

 

 

fxx (x)

 

 

 

 

2h x [xk 1 ,xk ]

 

xk 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

143

 

 

 

 

 

M 2,k

xk

 

2

 

xk

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk

 

 

=

 

 

 

 

 

2h

(xk1

x) (xk

x)dx + (xk x) (x

1 )dx

 

 

 

 

 

 

 

x

k 1

 

 

 

x

k

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M 2,k

xk

 

2

 

xk

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk

 

 

=

 

 

 

 

 

2h

(xk1

x) (xk

x)dx + (xk x) (x

1 )dx

 

 

 

 

 

 

 

x

k 1

 

 

 

x

k

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M 2,k

 

xk

 

2

xk

3

 

xk

2

xk

3

 

 

=

2h

h (xk1

x) dx

+ (xk1

x)

dx + h (xk x)

dx (xk

x) dx

 

=

 

 

x

k

1

 

 

x

k 1

 

 

 

x

k 1

 

 

x

k 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk

 

 

 

= M 2,k {h(x xk1 )3 3 (x xk1 )4 4 + (x xk )4 4 h(x xk )3 3}xk 1 2h =

 

 

 

 

 

 

= M 2,k {h4 3 h4 4 h4 4 + h4 3} 2h = M 2,k h3 12.

 

 

 

Для всего отрезка интегрирования [a,b] погрешность

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

m

 

12 M 2 (mh)h2

12 = M 2h2 (b a) 12 ,

 

 

 

 

Ψ ≤ ψk h3 M 2,k

 

 

(7.9)

 

 

k =1

 

 

k=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

имеет второй порядок. На рис. 7.4 показана сходимость приближенного зна-

чения заданного интеграла, полученного с помощью формул метода трапе-

ций.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1024 m

 

 

 

 

2

 

 

4

 

8

 

16

32

64

 

128

256

512

 

 

10

Рис. 7.4. Значения интеграла ex dx , вычисленные точно ( – – – – )

0

и по формуле метода трапеций (–ο– ) на сетках Ωm

144

7.3. Формула Симпсона1

На сегменте [xk1, xk ] функция f(x) аппроксимируется полиномом Лагранжа (рис. 7.5). Для узлов xk1, xk1 2 , xk полином второй степени имеет вид

L (x) =

(x xk1 2 )(x xk )f (xk1 )

+

 

2

(xk1

xk1 2 )(xk1

xk )

 

 

 

+ (x xk1 )(x xk )f (xk1 2 )+

(xk12 xk1 )(xk12 xk )

+ (x xk1 )(x xk12 )f (xk ) = (xk xk1 )(xk xk12 )

 

 

 

=

 

 

2

 

 

[(x xk1 2 )(x xk )f (xk1 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2(x xk1 )(x xk )f (xk1 2 )+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk–1

 

 

xk–1/2

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+(x xk 1 )(x xk 1/ 2 ) f (xk )].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7.5. Схема численного

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

интегрирования методом Симпсона

Это означает, что в разложении (7.2) оставлены три функции:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ0 (x)= 2(x xk1/ 2 )(x xk

) h2 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ

 

(x) = − 4(x x

k1

)(x x

k

) h2

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ2

(x)= 2(x xk 1 )(x xk1/ 2 ) h2 .

 

 

 

 

 

 

 

Для определения коэффициентов C k , C k , C k

 

вычисляются интегралы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C0k =

 

xk

ϕ0 (x)dx =

2

 

xk

(x xk1/ 2 )(x xk )dx =

2

xk (x xk + xk xk1/ 2 )(x xk )dx =

 

 

h2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

 

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

xk

2

 

 

 

 

h xk

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

2

xk

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

(x xk )

 

dx

+

(x xk

)dx

=

 

 

 

 

[(x xk ) 3 + h(x xk )

4]xk 1 = h 6;

 

 

h

2

 

 

 

h

2

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

2 x

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk

k

1

 

 

 

 

 

 

xk

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C k =

 

 

ϕ (x)dx = −

 

4

 

(x x )(x x )dx = −

4

 

(x x + x x )(x x )dx =

 

 

h2

h2

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

k1

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

k

 

k1

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

xk

2

 

 

 

 

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

2

xk

 

 

 

= −

 

 

 

 

 

(x xk

) dx + h (x xk )dx = −

 

 

 

 

[(x xk ) 3

+ h(x xk )

2]xk 1 = 2h 3

;

h

2

 

 

h

2

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

1

 

 

 

 

 

 

 

k 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Симпсон Томас [20.8.1710 – 14.5.1761] – английский математик. С 1713 года был профессором Вулиджской военной академии, в 1746 году был избран членом Лондонского королевского общества.

Рассматриваемый метод интегрирования иногда называют также методом парабол.

145

 

 

 

C2k =

xk ϕ2 (x)dx =

2

 

 

xk

(x xk1 )(x xk1/ 2 )dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

2

xk

(x xk 1/ 2 + xk 1/ 2 xk 1 )(x xk 1/ 2 )dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

h xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

(x xk1/ 2 )

dx +

 

 

 

 

 

(x xk1/ 2 )dx

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

2

[(x x

k1/ 2

)3 3 + h(x x

k 1/ 2

)2 4]xk = h 6 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подстановка найденных коэффициентов позволяет получить формулу

Симпсона численного интегрирования:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

f (x)dx h[f (xk1 ) + 4 f (xk1/ 2 ) + f (xk )] 6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.10)

 

 

xk 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для оценки погрешности выражения (7.10) приближенного интегриро-

вания, как

и

ранее,

 

используются

 

 

формулы Тейлора

 

 

для

представления

f (x), f (xk1 ),

f

(xk

) вблизи точки xk1/ 2 :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

3

 

 

 

iv

 

4

 

f (xk1 )= f (xk1/ 2 )fx (xk1/ 2 )h

 

2 + fxx (xk1/ 2 )h

8 fxxx (xk1/ 2 )h

 

48

 

(ξ)h

384,

 

 

 

 

 

+ fxxxx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

′′′

 

3

 

 

 

iv

 

4

 

f (xk )= f (xk1/ 2 )+ fx (xk1/ 2 )h

2 +

fxx (xk1/ 2 )h

 

8 +

 

fxxx (xk1/ 2 )h

48

 

 

384,

 

 

 

 

 

 

+ fxxxx (ζ)h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

2

 

 

 

f (x) = f (xk1/ 2 )+ fx (xk1/ 2 )(x xk1/ 2 ) 2 +

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

fxx (xk1/ 2 )(x xk1/ 2 )

2

 

 

 

 

+ fxxx (xk1/ 2 )(x xk1/ 2 )

 

 

6 + fxxxx (ς)(x xk1/ 2 )

 

 

24 .

 

 

 

 

 

 

 

′′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

iv

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь принято, что ξ, ζ, ς[xk1, xk ]. Подсчитывается интеграл в левой час-

ти формулы (7.10):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk

 

 

(xk1/ 2 )x + fx (xk 1/ 2 )(x xk1/ 2 ) 2 + fxx (xk 1/ 2 )(x xk 1/ 2 ) 6 +

 

f (x)dx = [f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

′′

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ fxxx (xk1/ 2 )(x xk1/ 2 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk

 

 

(ς)(x xk1/ 2 )

 

dx

24 =

 

 

 

 

24]xk 1 + fxxxx

 

 

 

 

 

′′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

iv

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= f (xk1/ 2 )h + fxx (xk1/ 2 )h

 

 

 

 

 

 

 

 

xk

 

 

(ς)(x xk1/ 2 ) dx

24 .

 

 

 

 

 

24 + fxxxx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

iv

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подсчитывается выражение в правой части (7.10):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

h[f (xk1 )

+ 4 f

 

(xk1/ 2 )

+ f

(xk )] 6 =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

4

 

iv

 

 

 

 

 

iv

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= h [2 f (xk1/ 2 ) + fxx (xk1/ 2 )h

4 + h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ 4 f (xk1/ 2 )] 6 .

 

 

 

(fxxxx (ζ)

fxxxx (ξ)) 384

 

Определяется величина погрешности формулы Симпсона:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

f (x)dx h[f (xk1 )+ 4 f (xk1/ 2 )+ f (xk )] 6 =

 

 

 

 

 

 

 

ψk = k

 

 

 

 

 

xk 1

146

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= f (xk1/ 2 )h + fxx (xk1/ 2 )h

 

 

 

24 + fxxxx (ς)(x xk 1/ 2 ) dx 24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

iv

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

k

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h[6 f (xk1/ 2 ) +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

4

 

iv

 

 

 

 

iv

 

 

 

 

 

fxx (xk1/ 2 )h

 

4 + h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 =

 

 

 

 

(fxxxx (ζ)

fxxxx (ξ)) 384]

 

 

 

 

x

fxxxxiv (ς)(x xk1/ 2 )4 dx 24 h5 [fxxxxiv (ζ)fxxxxiv (ξ)] 2304 .

 

= k

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оценивается модуль погрешности на сегменте [xk1 , xk ]:

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψk

 

 

 

k

 

fxxxxiv

(ς)(x xk1/ 2 )4 dx 24

+ h5

 

fxxxxiv (ζ)fxxxxiv (ξ)

2304

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

max

 

 

f iv

(x)

 

xk

(x x

k1/ 2

)4 dx 24 +

 

max

f iv

(x) h5

1152 =

 

 

 

 

 

x [xk 1 ,xk

]

 

xxxx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x [xk 1 ,xk ]

 

xxxx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk 1

(x)

 

{h5 1920 + h5

1152}= M

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

max

 

f iv

 

 

4,k

h5 720 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x [xk 1 ,xk ]

 

 

 

xxxx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для всего отрезка [a,b] интегрирования погрешность

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(mh)h4

720 = M 4h4 (b a)

 

 

Ψ = ψk h5 M 4,k

 

720 M 4

720

(7.11)

k=1

 

 

 

 

 

 

 

k=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

имеет четвертый порядок. В формуле (7.11) использованы обозначения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

4,k

=

max

 

f iv

 

(x)

 

,

 

M

4

= max

 

f iv

(x)

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x [xk 1 ,xk ]

 

xxxx

 

 

 

 

 

 

 

 

x [a,b]

 

 

xxxx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На рис. 7.6 отображена сходимость приближенного значения определенного интеграла, полученного с помощью формул метода Симпсона.

1,15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,07

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,03

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,99

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,95

 

 

 

 

 

 

 

 

1024 m

2

4

8

16

32

64

128

256

512

10

Рис. 7.6. Значенияинтеграла ex dx , вычисленныеточно

0

( – – – – ) ипоформулеметодаСимпсона( –ο– ) насеткахΩm

147

7.4. Формула Эйлера1

При исследовании численного интегрирования методом трапеций получена формула для вычисления погрешности на отрезке [xk1 , xk ]:

xk

x) (xk x) 2h + fxx (ζ)(xk x) (x xk1 ) 2h]dx .

ψk = − [fxx (ξ)(xk1

′′

2

′′

2

 

 

xk 1

 

 

 

Предполагается, что

ξ = ζ = xk 1/ 2 ,

то есть равны координате в середине

указанного сегмента. Тогда может быть приближенно вычислена погрешность интегрирования:

xk

 

 

 

 

 

xk

 

 

 

(xk1/ 2 ) 2h =

ψk ≈ − (xk1 x)2

(xk x)dx + (xk x)2

(x xk 1 )dx fxx′′

x

k 1

 

 

 

 

 

x

k 1

 

 

 

(7.12)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= [h

3

12

+ h

3

 

′′

 

 

3

′′

 

 

 

 

12]fxx (xk 1/ 2 ) 2h = −h

 

fxx (xk 1/ 2 ) 12.

Учитывая, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

f (x)dx h[f (xk1 ) + f (xk )] 2 ,

 

 

 

 

 

ψk = k

 

xk 1

можно получить уточненную формулу интегрирования:

xk f (x)dx h[f (xk1 )+ f (xk )]2 h3 fxx′′(xk1/ 2 )12.

xk 1

Согласно теореме Лагранжа

fxx′′(xk1/ 2 )h fx(xk )fx(xk1 ),

откуда следует формула интегрирования Эйлера:

x

f (x)dx h[f (xk1 )+ f (xk )] 2 h2 [fx(xk )fx(xk1 )] 12 .

 

k

(7.13)

xk 1

Погрешность формулы (7.13) на отрезке [a,b] оценивается формулой, совпадающей с выражением (7.11).

1 Эйлер Леонард [4.4.1707 – 7.9.1783] – математик, механик, физик. В 1720 году поступил в Базельский университет, где получил степень магистра искусств. С 1727 года работал в Петербургской академии наук. В 1741 году занял пост директора класса математики Берлинской академии наук. С 1759 года в течение ряда лет руководил этой академией. В1766 году вернулся в Петербург, где до конца жизни подготовил около 400 научных трудов. Был избран членом Парижской академии наук и Лондонского королевского общества.

148

7.5. Оценка погрешности методом Рунге1

Для получения оценки погрешности рассматривается формула интегрирования методом трапеций. Для сегмента [xk1, xk ] вводятся обозначения:

xk

Jk = f (x)dx ,

xk 1

Jh,k = h[f (xk ) + f (xk1 )]2.

В соответствии с полученным выражением (7.12) можно записать:

xk

 

 

 

 

Jk Jh,k = f (x)dx h[f (xk )+

f (xk1 )] 2 = ψk ≈ −h

3

′′

,

 

fxx (xk1/ 2 ) 12

xk 1

или, иначе,

Jk Jh,k Ck h3 .

(7.14)

Далее шаг уменьшается вдвое и вновь проводится интегрирование на том же сегменте [xk1, xk ]. Общая погрешность равна

Jk Jh / 2,k Ck (h 2)3 + Ck (h 2)3 = Ck h3 4 .

(7.15)

Вычитание формулы (7.15) из выражения (7.14) дает:

Jh / 2,k Jh,k Ck h3 Ck h3 4 = Ck 3h3 4 .

Это позволяет определить коэффициент

Ck 4(Jh / 2,k Jh,k )3h3

и подсчитать погрешность вычисления интегралов:

Jk Jh,k 4(Jh / 2,k J Jk Jh / 2,k (Jh / 2,k J

h,k

h,k

)3 , )3 .

Следовательно, зная величины Jh / 2,k и Jh,k , можно получать оценки по-

грешностей при численном нахождении значения интеграла. В более общем случае (для произвольной схемы интегрирования с порядком погрешности p), можно получить следующие выражения:

Jk Jh,k Ck h p ,

Jk Jh / 2,k 2Ck (h2)p ,

1 Рунге Карл Давид Тольме [30.8.1856 – 3.1.1927] – немецкий физик и математик. В 1876–1877 годах учился в Мюнхенском, в 1878–1880 годах – в Берлинском университете. Работал в Берлине, Ганновере, Геттингене.

149

Ck 2 p hp (Jh / 2,k Jh,k )(2 p 2).

Оценки погрешности принимают вид

Jk Jh,k 2 p1 (Jh / 2,k Jh,k )(2 p1 1), Jk Jh / 2,k (Jh / 2,k Jh,k )(2 p1 1).

Приведенные формулы позволяют автоматизировать процесс вычисления интегралов с заданной точностью. Пусть на каждом из отрезков половинное дробление производится до тех пор, пока не выполнится условие

ψk = Jk Jh / 2,k (Jh / 2,k Jh,k )(2 p1 1)≤ εh(b a), k =1,m .

Тогда общая погрешность интегрирования

 

 

m

 

 

 

m

(b a)= ε.

J Jh / 2

 

=

 

ψk

 

≤ εh

 

 

 

 

 

k=1

 

 

 

k=1

 

Таким образом, вычисления с переменным шагом позволяют проводить численное интегрирование с заданной точностью при наименьших затратах.

7.6. Квадратурные формулы интерполяционного типа

Предполагается, что функция f(x) на всей сеточной области Ωm аппрокси-

мируется полиномом Лагранжа:

1 )(x xk+1 ) (x xm )

 

 

 

f (xk ).

 

Lm (x) = (x x0 ) (x xk

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k=0

(xk x0 ) (xk xk1 )(xk xk+1 ) (xk xm )

 

 

 

 

 

Сопоставлением полученного выражения с формулой (7.2) определяется

явный вид для функций ϕk (x):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕk (x) =

(x x0 ) (x xk1 )(x xk+1 ) (x xm )

 

, k =

 

.

 

 

0,m

 

(xk x0 ) (xk xk1 )(xk xk+1 ) (xk xm )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Весовые коэффициенты формулы (7.3) определяются явным образом:

b

 

b

(x x0 ) (x xk 1 )(x xk +1 ) (x xm )

 

 

 

 

 

 

Ck = ϕk (x)dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx .

(7.16)

(x

x

) (x x

k 1

)(x

x

) (x x

m

)

a

 

a

k

0

k

k

k +1

k

 

 

 

 

 

 

 

Для подсчета погрешности квадратурной формулы интерполяционного

типа используется оценка погрешности интерполяционного полинома:

 

 

f (x) L (x) = f (m+1)(ξ)ω(x) (m +1)!, ξ [a,b],

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

xx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω(x) = (x x0 )(x x1 ) (x xm ).

Погрешность формулы приближенного интегрирования на отрезке [a,b]

b

m

b

b

Ψ = f (x)dx Ck f (xk ) = [f (x)Lm (x)]dx = fx(mx+1)(ξ)ω(x)dx (m +1)!,

a

k=0

a

a

150

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]