Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






  • Общая формула Симпсона и ее остаточный член






    Пусть n=2m есть четное число и - значения функции для равноотстоящих точек

     

    с шагом .

    Применяя формулу Симпсона к каждому удвоенному промежутку длины 2h, будем иметь

    .

    Следовательно,

    Отсюда получаем общую формулу Симпсона:

    .

    Обозначив через s-левую часть, и используя значок суммы, интеграл по формуле Симпсона можно записать в более компактном виде:

     

     

    Если функция непрерывно дифференцируема до четвертого порядка, то ошибка формулы Симпсона на каждом удвоенном промежутке дается формулой:

    , где .

    Суммируя все эти ошибки, получим остаточный член общей формулы Симпсона в виде:

    .

    непрерывна на отрезке [ a, b ], поэтому найдется точка такая, что .

     

    Следовательно (8.9)

    где .

    Определение оптимального шага интегрирования.

    , где S -это интеграл, найденный по квадратурной формуле, а R -остаточный член.

    Отбрасывая остаточный член R мы совершаем погрешность усечения, (к ней добавляется вычислительная погрешность,) поэтому остаточный член R должен быть меньше заданной точности.

    Если задана предельная допустимая погрешность , то, обозначив , будем иметь для определения шага h неравенство:

     

    , отсюда

    ,

    т.е. h имеет порядок . Говорят, что степень точности метода Симпсона равна четырем.

    Во многих случаях оценка погрешности квадратурной формулы весьма затруднительна. Тогда обычно применяют двойной пересчет с шагами h и 2 h и считают, что совпадающие десятичные знаки принадлежат точному значению интеграла.

    Предполагая, что на отрезке [ a, b ] производная меняется медленно, в силу формулы (8.9), получаем приближенное выражение для искомой ошибки

    , где коэффициент M будем считать постоянным на промежутке интегрирования. Пусть и - приближенные значения интеграла , полученные по формуле Симпсона соответственно с шагом h и H=2h. Имеем:

    и

    . Отсюда

     

    .

     

    За приближенное значение интеграла целесообразно принять исправленное значение

     

    .

    Пример

    Вычислить интеграл

     

     

    по методу трапеций с тремя десятичными знаками.

    Для достижения заданной степени точности необходимо определить значение n так, чтобы остаточный член был меньше заданной точности. Чтобы знаки после запятой все были верными, возьмем точность 0, 0005

     

    Вместо второй производной в произвольной точке возьмем самое большое значение ее на промежутке интегрирования.

    так как

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    8.6. Квадратурная формула Чебышева

    Рассмотрим квадратурную формулу

     

    , (8.10)

    где - постоянные коэффициенты. Чебышев предположил выбрать абсциссы таким образом, чтобы:

    1. коэффициенты были равны между собой;

    2. квадратурная формула (8.10) являлась точной для всех полиномов до степени n включительно.

    Покажем, как могут быть найдены в этом случае величины и . Полагаем

    .

    Учитывая, что при , будем иметь

    ,

    получаем .

    Следовательно, квадратурная формула Чебышева имеет вид:

    . (8.11)

    Для определения абсцисс заметим, что формула (8.11) согласно условию 2 должна быть точной для функции вида . Подставляя эти функции в формулу (8.11), получим систему уравнений:

    , (8.12)

    из которой могут быть определены неизвестные . Заметим, что система (8.12) при n=8 и n³ 10 не имеет действительных решений.

     

    Выведем формулу Чебышева с тремя ординатами (n=3)

     

    Для определения абсцисс имеем систему уравнений

     

    (8.13)

     

    Рассмотрим симметрические функции корней:

     

    Из системы (8.13) имеем:

     

    Отсюда заключаем по теореме Виета, что есть корни вспомогательного уравнения

    или

    .

    Следовательно, можно принять:

    .

    Таким образом, соответствующая формула Чебышева имеет вид

    .

    Чтобы применить квадратурную формулу Чебышева к интегралу вида , следует преобразовать его с помощью подстановки:

    ,

    переводящей отрезок

    в отрезок

    . Применяя к преобразованному интегралу формулу Чебышева, будем иметь

    ,

    где и - корни системы (8.13).

    В таблице приведены значения корней ti системы (8.12) для n=1, 2…, 7

    Таблица 8.1. Значения абсцисс ti в формуле Чебышева

    n i ti
      2; 1 ±0.577350
      3; 1 ±0.707107
      4; 1 3; 2 ±0.794654 ±0.187592
      5; 1 4; 2 ±0.832498 ±0.374541
      6; 1 5; 2 4; 3 ±0.866247 ±0.422519 ±0.266635
      7; 1 6; 2 5; 3 ±0.883862 ±0.529657 ±0.323912


     

    8.7. Квадратурная формула Гаусса

     

    Рассмотрим функцию , заданную на стандартном промежутке . Нужно подобрать точки и коэффициенты

    ,

    чтобы квадратурная формула

     

    (8.14)

     

    была точной для всех полиномов возможной наивысшей степени N. Так как в нашем распоряжении имеются 2n постоянных и , а полином степени 2n-1 определяется 2n коэффициентами, то эта наивысшая степень полинома в общем случае равна N=2n-1.

    Для обеспечения равенства (8.14) необходимо и достаточно, чтобы оно было верным при .

    Рассмотрим теперь использование квадратурной формулы Гаусса для вычисления общего интеграла

    .

    Делая замену переменной

    , получим

     

    .

     

    Применяя к последнему интегралу, квадратурную формулу Гаусса получим:

    , (8.16)

    где ,

    - нули полинома Лежандра , т.е. .

    Остаточный член формулы Гаусса (8.16) с n узлами выражается следующим образом:

    .

    Отсюда получаем:

    ,

     

    ,

     

    ,

     

    ,

     

    .

     

    Таблица 8.2 Элементы формулы Гаусса

     

    n t ti Ai
           
      1; 2 ±0.57735027  
      1; 3 ±0.77459667 0.55555556 0.88888889
      4; 1 3; 2 ±0.86113631 ±0.33998104 0.34785484 0.65214516
      5; 1 4; 2 ±0.90617985 ±0.53846931 0.23692688 0.47862868 0.56888889
      6; 1 5; 2 4; 3 ±0.93246951 ±0.66120939 ±0.23861919 0.17132450 0.36076158 0.46791394
      7; 1 6; 2 5; 3 ±0.94910791 ±0.74153119 ±0.40584515 0.12948496 0.27970540 0.38183006 0.41795918

     






    © 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
    Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
    Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.