 
        
        tasks-task_35714_1
.pdf 
В случае многочлена четвертой степени (пять узлов) получим:
| f ′(x | 
 | 
 | ) = | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | (−25y | 
 | 
 | + | 48y | − 36y | 
 | +16y | 
 | 
 | − | 3y | 
 | ) + | 
 | 
 | h4 | f (5) | (ξ ) | (17) | |||||||||||||||||||||||||||||
| 0 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 0 | 2 | 3 | 4 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 12h | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 5 | 
 | 
 | 
 | 0 | 
 | ||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ; | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | h4 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | (18) | |||||
| f ′(x | 
 | 
 | ) = | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | (−3y | 
 | 
 | 
 | −10y | 
 | +18y | 
 | 
 | − 6y | 
 | 
 | 
 | + y | 
 | 
 | 
 | ) − | 
 | 
 | 
 | f (5) (ξ ) ; | |||||||||||||||||||||||||||
| 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 0 | 
 | 1 | 2 | 
 | 3 | 
 | 4 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 12h | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 20 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | ||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | h4 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | (19) | ||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | f ′(x | 
 | ) | 
 | = | 
 | 
 | ( y | 
 | − | 8y | 
 | + | 
 | 8y | 
 | − y | 
 | 
 | ) + | f (5) (ξ ) ; | 
 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 0 | 1 | 
 | 3 | 4 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 12h | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 30 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | |||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | h4 | 
 | 
 | 
 | 
 | (20) | |||||||||||||||
| f ′(x | 
 | 
 | ) = | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | (−y | 
 | 
 | 
 | + 6y | 
 | −18y | 
 | 
 | +10y | 
 | 
 | 
 | 
 | + 3y | 
 | 
 | ) + | 
 | 
 | f (5) | (ξ ) | |||||||||||||||||||||||||||
| 3 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 0 | 
 | 
 | 1 | 2 | 
 | 3 | 
 | 
 | 4 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 12h | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 20 | 
 | 
 | 
 | 3 | 
 | |||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ; | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | h4 | 
 | 
 | 
 | (21) | |||||
| f ′(x | 
 | 
 | 
 | ) = | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | (3y | 
 | −16y | 
 | + 36y | 
 | 
 | − 48y | 
 | 
 | 
 | 
 | + 25y | 
 | 
 | ) + | 
 | f (5) | (ξ ) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 4 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 0 | 
 | 2 | 3 | 
 | 4 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 12h | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 5 | 
 | 
 | 
 | 4 | 
 | |||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||
.
Выбор оптимального шага численного дифференцирования
Оценка абсолютной погрешности численного дифференцирования складывается из остаточной погрешности, оцениваемой величиной |Rn′(x)|, и
вычислительной погрешности, определяемой приближенным заданием величин yi, i=0,1,...,n, (погрешностью округления результата пренебрегаем). Рассмотрим для определенности формулу (19).
| Приближенное значение производной | 
 | 
 | |||||||||||||
| f ′(x2 ) ≈ | 
 | 1 | 
 | (y0 | − 8y1 + 8y2 − y4 ) | (22) | |||||||||
| 
 | 12h | ||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| имеет остаточную погрешность | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| ∆1 = | h4 M | 5 | ≥ | 
 | h4 | f (5) | (ξ) | 
 | , | M5 | = max| f (5) (x)|, | ||||
| 
 | 
 | ||||||||||||||
| 30 | 
 | 
 | 
 | 30 | 
 | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | [a;b] | ||||
| и вычислительную погрешность согласно равенству (9) темы I | |||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | ∆2 | 
 | = | 18∆* | = | 3∆* | , | 
 | ||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 12h | 
 | 
 | 
 | 2h | 
 | 
 | 
где ∆* - абсолютная погрешность каждого из чисел yi, i=0,1,...,n.
Таким образом, полная погрешность формулы численного дифференцирования
(22)-
∆(h) = ∆1 + ∆2 = h4 M5 + 3∆* . 30 2h
Для малости ∆1 необходима малость h, но при уменьшении h растет ∆2 . Из уравнения ∆′(h) = 0 получаем значение h*, при котором погрешность ∆(h) формулы (22) имеет минимальное значение.
| ∆′(h) = | 4M | 
 | 3∆* | 45∆* | 
| 305 h3 | − | 2h2 = 0, | h* = 5 4M5 | 
Задача.
Функция f(x) задана таблицей своих значений, верных в написанных знаках. Найти первую производную этой функции в точках x1*=0,7 и x2*=1,0. Оценить погрешности результатов. Найти оптимальный шаг h* для каждой из формул численного дифференцирования.
31
 
| Xi | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | 
| yi | 0,4794 | 0,5646 | 0,6442 | 0,7174 | 0,7833 | 0,8415 | 
Решение.
Точка x1*=0,7 - центральный узел таблицы. Для вычисления f ′(0,7) в данной
задаче следует воспользоваться одной из формул (8), (14), (15), (18).
1) Воспользуемся формулой (8), обозначив x0=0,6; x1=0,7; x2=0,8. Тогда
1
f ′(0,7) ≈ 2 0,1 (0,7174 − 0,5646) = 0,764.
Остаточная погрешность результата в соответствии с формулой (11) -
∆1 = M63h2 ,
| где M 3 | = max| f (3) (x)|. | 
| 
 | [a;b] | 
Чтобы оценить M3, построим для данной функции таблицу конечных разностей.
| xi | 
 | yi | ∆yi | 
 | ∆2 yi | 
 | 
 | 
 | ∆3 yi | 
 | ∆3 yi | 
 | |||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 0,5 | 
 | 0,4794 | 0,0852 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 0,6 | 
 | 0,5646 | -0,0056 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| 0,7 | 
 | 0,6442 | 0,0796 | -0,0064 | 
 | -0,0008 | 
 | -0,0001 | 
 | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||
| 0,8 | 
 | 0,7174 | 0,0732 | -0,0073 | 
 | -0,0009 | 
 | 0,0003 | 
 | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||
| 0,9 | 
 | 0,7883 | 0,0659 | -0,0077 | 
 | -0,0006 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| 1,0 | 
 | 0,8415 | 0,0582 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | max|∆3 y | | | 0,0009 | 
 | 
 | |||||||||
| 
 | 
 | 
 | M 3 ≈ | 
 | [a;b] | 
 | i | 
 | = | = 0,9; | 
 | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | h3 | 
 | 
 | (0,1)3 | 
 | |||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | ∆1 = | 0,9 | (0,1)2 | 
 | = 0,0015. | 
 | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 6 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | Вычислительная погрешность результата - | 
 | 
 | ||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | ∆2 | = | ∆* | = | 0,00005 | = 0,0005. | 
 | |||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | h | 
 | 
 | ||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 0,1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| где ∆* | = 0,00005 - абсолютная погрешность величин yi. | 
 | 
 | ||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | ∆(h) = ∆1 + ∆2 | = 0,0015 + 0,0005 = 0,002. | |||||||||||||||
Определим оптимальный шаг для использованной формулы численного дифференцирования.
| 
 | 
 | 
 | M3h | 2 | 
 | * | 
 | 2M3h | * | 
 | |||
| ∆(h) = | 
 | + ∆h ; ∆′(h) = | − | ∆ | = 0, | ||||||||
| 6 | 
 | 6 | h2 | ||||||||||
| откуда | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| h | * | = 3 | 3∆* | = | 3 0,5 10−4 | = 0,119 . | |||||||
| 
 | M3 | 0,9 | 
 | ||||||||||
32
 
2) Решим теперь данную задачу с помощью формулы (14), обозначив x0=0,6; x1=0,7; x2=0,8; x3=0,9.
| ′ | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| 
 | 
 | 6 0,1 (−2 0,5646 | −3 0,6442 +6 0,7174 −0,7833) = 0,7655 | ||||||||||||||||||||
| f | (0,7) = | 
 | |||||||||||||||||||||
| ∆ = | h3M | 4 | , | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| 1 | 
 | 12 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | max | | 
 | ∆4 y | | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| M4 = max | f | (4) (x) |≈ | [a;b] | 
 | 
 | 
 | i | 
 | = | 0,0003 | = 3; | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||
| h4 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||
| 
 | 
 | [a;b] | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | (0,1)4 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| ∆ | = | (0,1)3 3 | 
 | = 0,000025; ∆ | 
 | = | 2 ∆* | = | 2 0,00005 | = 0,001; | 
 | ||||||||||||
| 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||
| 1 | 
 | 12 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | h | 
 | 0,1 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| ∆(h) = ∆1 + ∆2 = 0,001025. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||
| 
 | 
 | Определим для этой формулы оптимальный шаг численного | |||||||||||||||||||||
| дифференцирования. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | h3M | 2∆* | 
 | h2M | 2∆* | ||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ∆(h) = | 12 4 | + h ; ∆′(h) = | 4 4 | − h2 = 0, | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | h | * | = 4 | 8∆* | = | 8 0,5 10−4 | = 0,107. | 
 | |||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | M4 | 3 | 
 | 
 | |||||||||
Точка x2*=1,0 является последним узлом таблицы. Для вычисления f ′(1,0)
служат формулы (9), (16), (21). Воспользуемся формулой (16), обозначив x0=0,7; x1=0,8; x2=0,9; x3=1,0.
1
f ′(10,) = 6 01,(−2 0,6442 +9 0,7174 −18 0,7833+11 08415,) =054217,;
| 
 | M4h | 3 | 
 | max|∆4 y | | 
 | 0,0003 | 
 | 
 | 
 | |||||
| ∆1 = | 
 | ≈ | [a;b] | i | 
 | = | =0,00075; | 
 | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| 4 | 
 | 4 h | 
 | 
 | 4 | 01, | 
 | |||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | ∆2 = | 40 ∆* | = | 20 ∆* | = | 20 0,00005 . | |||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 6h | 
 | 
 | 
 | 3h | 
 | 3 0,1 | |
Определим соответствующий данной формуле оптимальный шаг таблицы.
| ∆(h) = ∆1 + ∆2 | = | M4h3 | + | 20∆* | ′ | = | 3M4h2 | − | 20∆* | = 0, | |||
| 4 | 3h | ; ∆ (h) | 4 | 3h2 | |||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| h | * | 80∆* | 
 | 80 0,5 10−4 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| 
 | = 4 9M4 | = 4 | 
 | 9 3 | = 0,110. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
Задача B
Пользуясь таблицей задачи Б2, вычислить первую производную заданной функции в точке x* и оценить погрешность результата. Определить оптимальный шаг таблицы для выбранной формулы численного дифференцирования.
| 1. x*=1,1 | 2. X*=1,2 | 3. X*=1,3 | 4. X*=2,0 | |||
| 5. x*=2,2 | 6. | X*=0,50 | 7. X*=0,52 | 8. X*=0,56 | ||
| 9. x*=0,60 | 10. | X*=0,61 | 11. | X*=1080 | 12. | X*=1090 | 
| 13. x*=1100 | 14. | X*=1110 | 15. | X*=1120 | 16. | X*=2,70 | 
| 17. x*=2,74 | 18. | X*=2,76 | 19. | X*=2,80 | 20. | X*=2,84 | 
| 21. x*=0,7 | 22. | X*=0,9 | 23. | X*=1,1 | 24. | X*=1,3 | 
| 25. x*=1,5. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
33
 
4.4. Численное интегрирование
Постановка задачи. Пусть требуется вычислить интеграл
| b | 
 | 
| J = ∫ f (x)dx. | (1) | 
a
Если функция f(x) является непрерывной на отрезке [a;b], то интеграл (1) существует и может быть вычислен по формуле Ньютона-Лейбница
| b | 
 | 
| J = ∫ f (x)dx = F(b) − F(a). | (2) | 
a
Однако для большинства функций f(x) первообразную F(x) не удается выразить через элементарные функции. Кроме того, функция f(x) часто задается в виде таблицы ее значений для определенных значений аргумента. Все это порождает потребность в построении формул численного интегрирования, или квадратурных формул.
Определение 1. Приближенное равенство
| b | N | 
 | 
 | 
 | 
| J = ∫ f (x)dx ≈ (b − a)∑ Ai | f (xi ) = J N | (3) | 
 | |
| a | i =1 | 
 | 
 | узлами xi [a;b] и | 
| называется | квадратурной | формулой, | определяемой | |
| коэффициентами Ai. | 
 | 
 | 
 | |
| Величина | RN ( f ) = J − J N | 
 | (4) | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | ||
| называется остаточным членом квадратурной формулы. | 
 | |||
| В зависимости от способа | задания подынтегральной | функции f(x) будем | ||
рассматривать два различных в смысле реализации случая численного интегрирования.
Задача 1. На отрезке [a;b] в узлах xi заданы значения fi некоторой f, принадлежащей определенному классу F. Требуется приближенно вычислить интеграл (1) и оценить погрешность полученного значения.
Так обычно ставится задача численного интегрирования в том случае, когда подынтегральная функция задана в виде таблицы.
Задача 2. На отрезке [a;b] функция f(x) задана в виде аналитического выражения. Требуется вычислить интеграл (1) с заданной предельно допустимой погрешностьюε .
Рассмотрим алгоритмы решения задач 1 и 2.
Алгоритм решения задачи 1.
1. Выбирают конкретную квадратурную формулу (3) и вычисляют JN. Если значения функции f(xi) заданы приближенно, то фактически вычисляют лишь приближенное значение J N для точного JN.
2.Приближенно принимают, что J ≈ J N .
3.Пользуясь конкретным выражением для остаточного члена или оценкой его для выбранной квадратурной формулы, вычисляют погрешность метода
∆1 ≥| J − JN |=|RN ( f )|. 4. Определяют погрешность вычисления J N
∆2 ≥| J N − J N |,
по погрешностям приближенных значений f(xi).
34
 
5. Находят полную абсолютную погрешность приближенного значения J N :
| J − J N |≤ ∆1 + ∆2 = ∆
6. Получают решение задачи в виде
J = J N ± ∆ .
Алгоритм решения задачи 2.
1. Представляют ε в виде суммы трех неотрицательных слагаемых
ε = ε1 + ε2 + ε3 ,
где ε1 - предельно допустимая погрешность метода; ε2 - пре-дельно допустимая погрешность вычисления J N ; ε3 - предельно допустимая погрешность округления результата.
2.Выбирают N в квадратурной формуле так, чтобы выполнялось неравенство
∆1 =| J − J N |=|RN ( f )|≤ ε1 .
3.Вычисляют f(xi) с такой точностью, чтобы при подсчете JN по формуле (3)
обеспечить выполнения неравенства
∆2 =| J N − J N |≤ ε2 .
Для этого, очевидно, достаточно вычислить все f(xi) с абсолютной погрешностью
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | εT | = | 
 | ε2 | 
 | . | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | N | 
 | 
 | 
 | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | (b − a)∑| Ai | | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | i =1 | 
 | 
 | ε3 | ≠ 0 ) | |||
| 
 | 4. | 
 | Найденную в | 
 | п.3 | 
 | величину | 
 | 
 | N | округляют | (если | |||||||
| 
 | J | ||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | == | 
 | 
 | 
 | 
| с предельно допустимой погрешностью | ε3 до величины J N . | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||
| 
 | 5. Получают решение задачи в виде | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | == | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | J = J N | ± ε . | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| 
 | 
 | 
 | Построение простейших квадратурных формул | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||
| 
 | Формула прямоугольников. Допустим, что | f (x) C2 [a;b]. | Отрезок | [a;b] | |||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | _______ | 
 | |
| разделим | на N равных частичных отрезков [xi-1;xi], где xi=a+ih; i == 0, n | − 1; xN=b; | |||||||||||||||||
| h = | b − a | . | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| N | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | Тогда | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | xi | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | b | 
 | N | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ∫ f (x)dx = ∑ | ∫ f (x)dx . | 
 | 
 | (5) | |||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | a | 
 | i=1 xi −1 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | Обозначим среднюю точку отрезка [xi-1;xi] через | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | ξ = | xi −1 | 
 | + xi | . | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | (6) | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | i | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | Запишем для функции f(x) | 
 | на каждом из отрезков [xi-1;xi] формулу Тейлора с | ||||||||||||||||
| остаточным членом в форме Лагранжа | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | (7) | 
 | 
 | 
 | |||||||||
| 
 | f | (x) = f (ξi ) +(x −ξi ) f ′(ξi ) + | 
 | (x −ξi )2 | 
 | f ′′(ηi ); | ηi (xi−1; xi ) | 
 | 
 | 
 | |||||||||
| 
 | 2! | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
Подставим в правую часть соотношения (5) вместо f(x) ее представление (7)
35
| b | 
 | N | xi | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | (x −ξi ) | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||
| ∫ f (x)dx = ∑ ∫[ f (ξi ) +(x −ξi ) f ′(ξi ) + | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | f ′′(ηi )]dx = | 
 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 2! | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| a | 
 | i=1 xi−1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| N | 
 | xi | 
 | 
 | xi | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | xi | 
 | (x −ξi | ) | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||
| 
 | 
 | ∫ | dx + f ′(ξi ) | ∫ | (x −ξi )dx + | 
 | 
 | ∫ | 
 | 
 | 
 | 
 | f ′′(ηi )dx] | (8) | |||||||||||||||||||||||||||||
| i=1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||||||||||
| = ∑[ f (ξi ) | xi−1 | xi−1 | 
 | xi−1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | xi | 
 | 
 | 
 | (x − ξi )2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||
| 
 | Используя для вычисления | ∫ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | f ′′(ηi )dx | вторую теорему о среднем | |||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | xi −1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | xi | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| значении функции и, учитывая, что | ∫(x − ξi )dx = 0 , получим, что | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | xi −1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | b | 
 | N | 
 | 
 | 
 | h | 3 | 
 | 
 | N | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| ∫ f (x)dx = h∑ f (ξi ) + | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ∑ f ′′( | ηi | ); | 
 | 
 | 
 | ηi | (xi−1, xi ) | 
 | 
 | (9) | |||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | a | 
 | i=1 | 
 | 
 | 
 | 24 i=1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||
| 
 | В силу непрерывности | f ′′(x) | 
 | существует такая точка η (a;b) , что | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | N | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | (10) | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | ∑ f ′′(ηi ) = Nf ′′(η) . | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | i=1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | Используя (10), получаем | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | b | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | N | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | h | 3 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ∫ f (x)dx = h∑ f (ξi ) + | 
 | Nf ′′(η) | ||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | b − a | 
 | 
 | 
 | a | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | i=1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 24 | 
 | 
 | ||||||||||||||
| 
 | или, так как h = | , | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||
| 
 | N | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||
| 
 | b | 
 | 
 | 
 | N | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | b − a | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | ′′ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||
| 
 | ∫ f (x)dx = (b −a)∑ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | f (ξi ) + | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | h | 
 | f | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | (11) | ||||||||||||||||
| 
 | N | 
 | 
 | 
 | 24 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | (η) | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | a | 
 | 
 | 
 | i=1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||
| 
 | Приближенное равенство | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||
| 
 | 
 | b | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | N | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | ∫ f (x)dx ≈ (b − a)∑ | 
 | 
 | f (ξi ) = J Nпр | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | (12) | ||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | N | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | a | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | i =1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
называется квадратурной формулой прямоугольников, определяемой
узлами ξi [a;
RN ( f
| b] и коэффициентами A = | 1 | 
 | . Величина | 
 | |||
| 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | i | N | 
 | 
 | 
 | ||
| b | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| b − a | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| ) = ∫ f (x)dx − J Nпр = | h2 | f | ′′(η) | (13) | |||
| 24 | |||||||
| a | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
является остаточным членом формулы прямоугольников (12).
Оценка остаточной погрешности формулы прямоугольников может быть записана в виде
| |RN ( f )|≤ | b − a | h2 | M 2 = ∆ | 1 , | (14) | 
| 
 | 
 | ||||
| 24 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| где | M 2 | = max| f ′′(x)| . | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | [a;b] | 
 | 
Выражения для остаточного члена (13) и остаточной погрешности (14) показывают, что формула прямоугольников (12) является точной для любой линейной функции, так как вторая производная такой функции равна нулю, и, следовательно, ∆1 = 0 .
Оценим вычислительную погрешность ∆2 формулы прямоугольников,
которая возникает за счет приближенного вычисления значений функции f(x) в узлах
ξi .
36
 
Пусть, например, значения f( ξi ) в формуле (12) вычислены с одинаковой
| абсолютной погрешностью ∆* , | тогда | 
 | 
 | 
 | 
 | (15) | 
 | ||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | N | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| 
 | ∆2 =| JN − | J | N |= (b −a)∑ | ∆* = (b −a)∆* | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | i=1 | N | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| Пример 1. Вычислить с помощью формулы прямоугольников | |||||||||||||||||||||||
| 1 | dx | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| ∫0 | с точностью ε | = 10-2. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||
| 1 + x | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||
| Применяя алгоритм решения задачи 2, представим суммарную погрешность | |||||||||||||||||||||||
| ε в виде суммы трех слагаемых. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||
| Выберем h из условия | 
 | ε =0,01=0,009+0,0005+0,0005. | |||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | h2 (b − a)M 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ∆ | = | 
 | ≤ 0,009 . | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 24 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| Так как M | 
 | = max| f ′′(x)|= max | 2 | = 2 и (b-a)=1, то h ≤ 0,009 12 < 0,32 | |||||||||||||||||||
| 2 | (1 + x)3 | ||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | [0;1] | 
 | 
 | 
 | 
 | [0;1] | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| и, следовательно, | N = | b − a | > 3,1, т.е. N=4, h=0,25, ∆1 = 0,0052 . | ||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | ||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | h | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| Составим таблицу значений функции 1/1+x | 
 | с тремя знаками после запятой, | |||||||||||||||||||||
| так как ∆2 = ∆* (b − a) ≤ 0,0005, | ∆* = 0,0005 . | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| ξi | 
 | 0,125 | 
 | 
 | 
 | 
 | 0,375 | 
 | 
 | 
 | 0,625 | 
 | 
 | 0,875 | 
 | ||||||||
| f (ξi ) | 
 | 0,889 | 
 | 
 | 
 | 
 | 0,727 | 
 | 
 | 
 | 0,615 | 
 | 
 | 0,533 | 
 | ||||||||
Используя формулу (12), получаем
J пр4 = 0,25 (0,899 +0,727 +0,615 +0,533) = 0,25 2,764 = 0,691.
Так как в данном случае погрешность округления равна ε3 = 0,0005,, то
получим
J = 0,691± (0,0052 ± 0,0005) = 0,691± 0,0057 .
| 
 | 
 | Формула трапеций. Предположим, что | f (x) C2 [a;b]. Разделим отрезок [a;b] | |||||||||||||||
| на N равных частей, тогда | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | b | 
 | N xi | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ∫ f (x)dx = ∑ ∫ f (x)dx , | (16) | ||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | b −a | a | i=1 xi−1 | 
 | 
 | |||
| где | x | = a +ih;i = | 
 | 
 | 
 | 
 | = b; h = | . | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 0, N | −1; x | N | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||
| 
 | i | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | N | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| 
 | 
 | Заменим функцию f(x) на каждом из отрезков [xi-1,xi] первой | 
 | |||||||||||||||
| интерполяционной формулой Ньютона первой степени | 
 | 
 | ||||||||||||||||
| f (x) = f (x | ) + | x −xi−1 | ( f (x ) − f (x | )) + | f ′′(ηi ) | (x −x | )(x −x ), | 
 | 
 | |||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||
| 
 | 
 | i−1 | 
 | 
 | h | 
 | i | i−1 | 2! | 
 | i−1 | i | (17) | 
 | ||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
ηi (xi−1; xi ).
Подставляя формулу (17) в правую часть (16), интегрируя и используя вторую теорему о среднем значении функции, получим
| b | N | f (x | ) + f (x ) | 
 | h3 N | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| ∫ f (x)dx = ∑h | i−1 | i | − | 
 | ∑ f ′′(ηi );ηi (xi−1; xi ).(18) | |||||
| 
 | 2 | 
 | ||||||||
| a | i=1 | 
 | 
 | 12 i=1 | ||||||
37
В силу (10) получаем:
| b | 
 | f (x0 ) + f | (xN ) | 
 | N −1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | h2 | 
 | 
 | ′′ | |||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||
| ∫ f (x)dx = h | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | + | ∑ f (xi ) | − | 
 | (b − a) f | ||||||||
| 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 12 | (η).(19) | ||||||||||||
| a | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | i=1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| Приближенное равенство | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | b | b −a f (x ) + | f (x | N | ) | 
 | N −1 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| J = ∫ f (x)dx ≈ | 
 | 
 | 
 | 0 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | + | ∑ f (xi ) | = JNТР | (20) | ||||||
| N | 
 | 
 | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||
| 
 | a | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | i=1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| называется формулой трапеции. Величина | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| 
 | 
 | 
 | 
 | ТР | 
 | 
 | h2 | 
 | 
 | 
 | 
 | ′′ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | RN ( f ) = J − JN | = − | 
 | 
 | 
 | (b −a) f | 
 | 
 | 
 | 
 | (21) | ||||||||
| 
 | 12 | (η) | 
 | 
 | |||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
является остаточным членом формулы трапеций. Оценка остаточной погрешности формулы трапеций может быть записана в виде
| 
 | RN ( f ) | 
 | ≤ | b − a | h2 M 2 = ∆1. | (22) | 
| 
 | 
 | |||||
| 
 | 
 | 
 | ||||
| 
 | 
 | 
 | 12 | 
 | 
 | |
| Формула трапеций, как и формула прямоугольников, является точной для любой | 
 | |||||
линейной функции. Вычислительная погрешность формулы трапеций также равна
| ∆2 = (b −a)∆ . | (23) | 
Так как остаточные члены формул прямоугольников и трапеций (13) и (21) имеют противоположные знаки, то формулы (12) и (20) дают двухстороннее приближение для интеграла (1), то есть
| 
 | 
 | 
 | J Nпр < J < J NТР , если f ˝(x) > 0, | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | J NТР < J < J Nпр , если f ˝(x) < 0. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||
| В таком случае можно принять, что | 
 | 
 | J Nпр + J NТР | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ~ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | J ≈ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | = | J | , | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| тогда | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ~ | 
 | 
 | 
 | 
 | J Nпр − J NТР | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | J − J | 
 | < | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | , | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| т.е. погрешность выражается через приближенные значения интегралов. | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | Пример 2. Вычислить ∫1 | 
 | dx | по формуле трапеций, полагая N=4; оценить | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 0 1+ x | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ~ | 
 | ||||||||
| полную погрешность результата. Учитывая результаты примера 1, найти | по | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| J | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| формуле (24) и оценку (25). | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | Применяя алгоритм решения задачи 1, находим: | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | ∆1 | = | 
 | h2 | 
 | (b − a)M 2 = | 0,25 | 2 | 1 2 = 0.0104 . | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 12 | 
 | 12 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| Составим таблицу значений функции 1/(1+x) с тремя знаками после запятой | 
 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | ∆2 = ∆* (b −a) = ∆* ≤ 0,5 10−5 . | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||
| 
 | xi | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 0,00 | 
 | 0,25 | 
 | 
 | 
 | 
 | 0,50 | 
 | 
 | 0,75 | 
 | 
 | 1,00 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||
| 
 | f (xi ) | 
 | 
 | 
 | 1,000 | 
 | 0,800 | 
 | 
 | 
 | 
 | 0,667 | 
 | 0,571 | 
 | 0,500 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 1 | 1,000 + 0,500 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||
| 
 | TP | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||
| 
 | J4 | = | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | + 0,800 + 0,667 + | 0,571 | = 0,697 . | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||||
| 
 | 4 | 
 | 
 | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | Суммарная погрешность равна | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||
| ∆1 + ∆2 | = 0,0104 + 0,0005 ≈ 0,011. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||||
(24)
(25)
38
| 
 | 
 | Если округлить результат до двух знаков, то | ||||||||
| ε3 | = 0,70 −0,697 = 0,003 | и | ||||||||
| J = 0,70 ± (0,0109 + 0,003)= 0,70 ± 0,014 . | ||||||||||
| 
 | 
 | Используя формулы (24) и (25) и результаты примера 1, получим | ||||||||
| 0,691 < J < 0,697 ; | 
 | 
 | ||||||||
| ~ | 
 | 0,691+ | 0,697 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| J | = | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | = 0,694 | ; | ||
| 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | ~ | 
 | 0,697 −0,691 | 
 | 
 | ||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| J − J | < | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | = 0,003 ; | |||
| 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| J = 0,694 ± 0,003. | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
Формула Симпсона. Предположим, что f (x) C4 [a,в]. Разделим отрезок [a,в] на
| N = 2k | равных частей, тогда | к−1 x2i +2 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| 
 | а | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | ∫ f (x)dx = | ∑ | ∫ f (x)dx , | 
 | 
 | 
 | (26) | |||
| 
 | в | i =0 | x2i | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| где x | = а+ih ; i = | 
 | 
 | x | = в; h = | в − а | = | в − а | . | 
 | 
| 0,2к −1 ; | 
 | |||||||||
| 
 | 
 | 
 | ||||||||
| i | 
 | 
 | 
 | 2k | 
 | N | 
 | 2к | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ] длиной 2h по формуле | |||
| Заменим функцию f (x) на каждом из отрезков [x2i , x2i +2 | ||||||||||
Стирлинга второго порядка. Проводя рассуждения, аналогичные сделанным при выводе формуле трапеций, получим квадратурную формулу Симпсона
| в | h | k | k −1 | 
 | C | 
 | ||
| J = ∫f (x)dx ≈ | 
 | f (x0 ) + f (x2k ) +4∑f (x2i−1) +2∑f (x2i ) | = J2k | (27) | ||||
| 3 | ||||||||
| а | 
 | i=1 | i=1 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | с остаточным членом | 
 | |||
| R | ( f ) = J − J C | = − | h4 | (в − а) f (IV )(η), η (а,в). | (28) | 
| 
 | |||||
| N | 2k | 180 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | ||
Оценка остаточной погрешности формулы Симпсона примет вид
| 
 | R | 
 | ( f | 
 | 
 | в − а | h4M | 
 | = ∆ | 
 | , | (29) | |||||
| 
 | N | ) | ≤ | 
 | 4 | 1 | |||||||||||
| 180 | |||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| где | 
 | 
 | M | 4 | = max | f IV | (х) | . | 
 | 
 | 
 | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | [a,в] | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| Вычислительная погрешность формулы Симпсона равна | 
 | ||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ∆2 = ∆* (в − а). | (30) | |
Из выражения для остаточного члена формулы Симпсона следует, что она точна для многочленов третьей степени.
| 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | dx | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| Пример 3. Вычислить ∫ | 
 | 
 | по формуле Симпсона с точностью ε = 0,0001. | |||||||||
| 
 | 
 | + x | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 0 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| Применяя алгоритм решения задачи II, представим суммарную погрешность ε в | ||||||||||||
| виде суммы трех слагаемых ε = 0,0001 = 0,000045 + 0,000005 + 0,00005. | ||||||||||||
| Выберем h из условия | ∆ = | 
 | h4 (в − а) | M | 
 | ≤ 0,000045. | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 4 | |||||
| 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 180 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| Так как M 4 = max | f (4)(x) | = max | 
 | 24 | 
 | = 24, то | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||
| [0.1] | 
 | [0.1] (1+ x)5 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
39
 
| h ≤ 4 | 0,45 10−4 180 = 4 | 3,375 10−4 | ≈ 0,135 и, следовательно, | |||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 24 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| N | = | в − а | ≥ | 
 | 10 | 
 | ≈ 7,38 ≈ 8. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 1.35 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | h | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 0,1254 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| Таким образом, | 
 | N = 8 , | 
 | h = 0,125 | и ∆ | = | 24 = 0,0000325. | |||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 180 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| Составим таблицу значений функций | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||
| 11+x | с пятью знаками после запятой | |||||||||||||||||||||||||
| ∆2 | 
 | = ∆* (b − a) = ∆* ≤ 0,5 10−5 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||
| xi | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 0.000 | 0.125 | 
 | 0.250 | 
 | 0.375 | 
 | 0.500 | 
 | 0.625 | 0.750 | 
 | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| f (xi ) | 
 | 
 | 1.000 | 0.8888 | 
 | 0.800 | 
 | 0.7272 | 
 | 0.6666 | 0.6153 | 0.5714 | 
 | |||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 9 | 
 | 
 | 
 | 
 | 7 | 
 | 
 | 7 | 
 | 8 | 3 | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| xi | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 0.875 | 
 | 1.000 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| f (xi ) | 
 | 
 | 0.5333 | 
 | 0.500 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 3 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| Используя формулу (27), получаем: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||
| 1 | 
 | dx | 
 | 
 | 0,125 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| J = ∫ | 
 | 
 | 
 | 
 | ≈ | 
 | 
 | 
 | [1,5+4(0,88889+0,72727+0,61538+0,53333) +2(0,8+0,66667+0,57143)]= | |||||||||||||||||
| 1+x | 3 | 
 | ||||||||||||||||||||||||
| 0 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| = | 0,125 | 
 | [1,5 + 4 2,7648 + 2,03810 2 ] = 0,6931533 . | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 3 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
Округляя полученный результат, получим
J = 0,69315 ± (0,0000325 + 0,000005 + 0,0000033) = 0,69315 ± 0,000041.
Правило Рунге практической оценки погрешности квадратурных формул.
| 
 | Пусть | f (x) С4 [а, в] | и интеграл (1) вычисляется по формуле | ||||||||||
| прямоугольников. Наличие у | f (x) производных | ′′′ | f | IV | (x) позволяет при | ||||||||
| f (x) и | 
 | ||||||||||||
| выводе формулы прямоугольников (7)-(13) получить следующее полезное | |||||||||||||
| соотношение | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | а | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | J = ∫ f (x)dx = J Nnp + ch2 + O(h4 ), | 
 | 
 | (31) | |||||||||
| 
 | в | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | в | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| где | 
 | с = | 
 | ∫ f ′′(x)dx | 
 | 
 | (32) | ||||||
| 
 | 24 | 
 | 
 | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | а | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| - | постоянная, не зависящая от h . Величина | ch2 называется главной частью | |||||||||||
| погрешности формулы прямоугольников. | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||
| Если | f (x) C4[а,в] | 
 | 
 | , то справедливо аналогичное соотношение и для формулы | |||||||||
| трапеций | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | J = J TP + c h2 +O(h4 ), | 
 | 
 | 
 | 
 | (33) | |||||||
| 
 | N | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | в | ′′ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| где | 
 | с1 = − | 
 | 
 | 
 | 
 | f | 
 | 
 | 
 | (34) | ||
| 
 | 12 | 
 | (x)dx | 
 | 
 | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | ∫а | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
не зависит от h .
40
