牛顿-柯特斯公式.pptVIP

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§2 牛顿—柯特斯公式 一、Newton-Cotes公式的导出 二、 Newton-Cotes公式的代数精度 所以I = S,表明辛卜生公式对于次数不超过三次的多项式准确成立,用同样的方法可以验证对于f (x)=x4,辛卜生公式不成立,因此辛卜生公式的代数精度可以达到三次。 上式中被积函数是奇函数,积分区间关于原点对称,故积分值为0, 即: 所以2n阶N-C公式至少具有2n+1次代数精度。 三、几种低阶Newton-Cotes求积公式的余项 证明: 这里被积函数中的因子(x-a)(x-b)在区间[a, b] 上不变号(非正),故由积分中值定理,在[a, b] 内至少存在一点?,使: 证明:在[a, b]区间上构造三次多项式H(x),让H(x) 满足插值条 件(带导数插值): 而辛卜生公式至少具有三次代数精度,因此对上述三次多项式 H(x) 应准确成立,即有: 其插值余项为: 因此,辛卜生公式的误差就是对上述误差公式的积分: 四 复化求积公式 在实验计算中常用的就是以上三种低阶的N-C公式,但若积分区间比较大,直接使用这些求积公式,则精度难以保证;若增加节点,就要使用高阶的N-C公式,然而前面已指出,当n ? 8时,由于N-C公式的收敛性和稳定性得不到保证,因此不能采用高阶的公式,事实上,增加节点,从插值的角度出发,必然会提高插值多项式的次数,Runge现象表明,一般不采用高次插值,亦即不用高阶N-C公式,为提高精度,当增加求积节点时,考虑对被积函数用分段低次多项式近似,由此导出复化求积公式。 1、复化梯形公式 2、复化辛普森公式 步长h越小,截断误差越小。与复化梯形公式的分析相类似,可以证明,当n ? ?时,用复化Simpson公式所求得的近似值收敛于积分值,而且算法具有数值稳定性。 xi 0 1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 3/4 7/8 1 f (xi) 1 0.9973978 … … … … … … … … … 0.8414709 若用复化求积 公式计算积分: 的近似值,要求计算结果有 四位有效数字,n应取多大? 例2 [解] 因为当0≤x≤1时有0.3e-1≤e-x≤1于是: 要求计算结果有四位有效数字,即要求误差不超过10-4 / 2。又因为: 因此若用复化梯形公式求积分,n应等于41才能达到精度。 由复化梯形公式误差估计式: 若用复化Simpson公式 即得n ?1.6。故应取n = 2。 [a, b]分成n 等分,分点为: 在每个小区间: 上,共三个点: 所以这里在[0, 1]上实际上共有5个分点。 注意这里是将区间 例2的计算结果表明,为达到相同的精度,用复化Simpson公式所需的计算量比复化梯形公式少,这也说明了复化Simpson公式的精度较高,实际计算时多采用复化Simpson公式。 复化求积方法又称为定步长方法,要应用复化求积公式,必须根据预先给定的精度估计出合适的步长或n,进而确定对积分区间的等分数,如同例2一样。然而当被积函数稍复杂一些,要由误差估计式给出合适的步长,就要估计被积函数导数的上界值,而这一点是相当困难的。 定义    若一个积分公式的误差满足 且C ? 0,则称该公式是 p 阶收敛的。 ~ ~ ~ * *

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