2 Численное интегрирование
O форме, придаваемой интегралу при вычислениях
Пусть
– любой отрезок числовой оси, и
рассматривается интеграл
.
Ставится задача: найти его приближённое
значение по
значениям
функции
в точках
.
Формулы для вычисления интегралов
называют квадратурными.
Многие правила
приближённых квадратур основаны на
замене интегрируемой функции
на всём отрезке
или на его частях на более простую
функцию
,
близкую к
,
легко интегрируемую точно и принимающую
в узлах
те же значения
,
что и
.
В качестве такой функции берут
алгебраический или тригонометрический
многочлен, либо дробно-рациональную
функцию.
Когда отрезок
интегрирования конечный и интегрируемая
функция
имеет высокую гладкость, то можно
рассчитывать хорошо приблизить её
многочленом невысокой степени. Если же
сама функция
или её производные невысоких порядков
имеют особенности или даже обращаются
в
,
то это затруднит приближение
или сделает его вообще невозможным. В
этом случае мы должны будем заранее
освободиться от таких особенностей
путём их выделения. Делается это при
помощи разложения
на два сомножителя
,
где
имеет такие же особенности, как и
,
а
– есть достаточно гладкая функция, и
интеграл рассматривается в форме
.
Такое же
представление применяется и при
вычислении несобственных интегралов
вида
.
Причём,
целесообразно разложить на множители
,
из которых первый
характеризует
закон убывания
при
,
а
– является гладкой функцией, допускающей
хорошее приближение алгебраическими
многочленами или рациональными функциями.
Функция называется весовой функцией или весом. При построении определённого квадратурного правила она считается фиксированной и p(x)>0.
Квадратурная сумма и связанные с ней задачи
Будем строить приближённые формулы вычислений вида
,
.
(2.1)
Числа
называются квадратурными
коэффициентами,
– квадратурными
узлами, а
правая часть формулы – квадратурной
суммой.
Формула (2.1)
содержит
параметров:
.
Их следует выбирать так, чтобы (2.1) давала,
возможно, лучший результат при
интегрировании избранного класса
функций
.
Роль
– очевидна: чем больше
,
тем больше слагаемых в квадратурной
сумме, и тем большей точности можно
достичь путём выбора
и
.
Поэтому при построении формулы число
считают фиксированным и рассматривают
задачу о выборе
и
.
В различных квадратурных методах одно
из множеств: либо множество коэффициентов
,
либо множество узлов
также может быть зафиксированным. Правом
выбора их обычно пользуются для следующих
целей.
Формула трапеций
Пусть
,
тогда линейное интерполирование
выполняется по двум значениям
и
,
принимаемым функцией
на концах
и
,
т.е. кривая
заменяется хордой, соединяющей конечные
точки кривой (см. рисунок)
Интеграл от интерполяционного многочлена даст площадь трапеции ABCD. Поэтому и соответствующая формула численного интегрирования получила название формулы трапеций. Площадь трапеции ABCD, очевидно, равна
Таким образом,
(2.2)
Погрешность ее, в
виду
и
определяется по формуле
Если
– непрерывная функция на
,
и так как множитель
сохраняет знак на
,
то по теореме о среднем, существует на
такая точка
,
что
.
(2.3)
Для увеличения
точности формулы трапеций (2.2), разделим
отрезок
на
равных частей длины
.
Рассмотрим частичный отрезок
.
Для него получим
и согласно (2.3)
.
С
умма
интегралов по всем частичным отрезкам
даёт обобщённую
формулу трапеций
, (2.4)
где
Величина
есть среднее арифметическое из значений
второй производной. Считая ее непрерывной
функцией на
,
мы можем выбрать такую точку
,
что
,
а значит,
. (2.5)
Формула парабол
Пусть
и интерполируется функция
по трём точкам
,
,
в которых известны её значения.
Интерполяционный многочлен будет иметь
вторую степень. Геометрически это
означает, что мы проводим параболу через
конечные и среднюю точки кривой (см.
рисунок).
Квадратурная формула парабол имеет вид
. (2.6)
Эта формула
называется также формулой Симпсона.
Формула точна для функции
,
так как левая и правая части формулы
(2.6) тождественно равны нулю, а значит,
она точна и для любого многочлена третьей
степени. Для нахождения погрешности
формулы (2.6) рассмотрим многочлен
третьей степени, удовлетворяющий
условиям
.
Многочлен
интерполирует
по двум однократным узлам a
и b
и одному двукратному узлу c:
.
Так как для формула Симпсона является точной, то
.
Погрешность формулы Симпсона имеет вид
.
Если считать, что
имеет на отрезке
непрерывную производную четвёртого
порядка, то из представления остаточного
члена
интерполирования с кратными узлами,
имеем
.
Поэтому
.
Так как множитель
не изменяет знак на отрезке
и
– непрерывная функция на отрезке
,
то по теореме о среднем существует такая
точка
что
.
(2.7)
Формула
Симпсона также может быть применена не
сразу ко всему отрезку, а к отдельным
частям его. Разделим
на чётное
число
(n=2m)
равных частей длины
=
и возьмём сдвоенный частичный отрезок
.
Тогда, учитывая, что
,
имеем
.
Просуммировав
по всем сдвоенным отрезкам
,
получим,
и
.
Если функция
непрерывна
на отрезке
,
то существует такая точка
,
что
и для погрешности
получим выражение
.
(2.8)
