[工学]数值计算PPTcxj课件.ppt
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1、 第四章第四章 数值积分与数值微分(二)数值积分与数值微分(二)第四节第四节 龙贝格求积公式龙贝格求积公式第五节第五节 高斯求积公式高斯求积公式第六节第六节 数值微分数值微分一、梯形法的递推化一、梯形法的递推化 上一节介绍的复化求积方法对提高精度是行之有效的,但上一节介绍的复化求积方法对提高精度是行之有效的,但在使用求积公式之前必须给出合适的步长,步长取得太大精度在使用求积公式之前必须给出合适的步长,步长取得太大精度难以保证,步长太小则会导致计算量的增加,而事先给出一个难以保证,步长太小则会导致计算量的增加,而事先给出一个恰当的步长又往往是困难的恰当的步长又往往是困难的 实际计算中常常采用变步
2、长的计算方案,即在步长逐次分实际计算中常常采用变步长的计算方案,即在步长逐次分半半(即步长二分即步长二分)的过程中,反复利用复化求积公式进行计算,的过程中,反复利用复化求积公式进行计算,直至所求得的积分值满足精度要求为止直至所求得的积分值满足精度要求为止 设将求积区间设将求积区间a,b分成分成n等分,则一共有等分,则一共有n+1个分点,按个分点,按梯形公式计算积分值梯形公式计算积分值Tn,需要提供,需要提供n+1个函数值如果将求积个函数值如果将求积区间再二分一次,则分点增至区间再二分一次,则分点增至2n+1个,我们将二分前后两个积个,我们将二分前后两个积分值联系起来加以考察分值联系起来加以考察
3、4 龙贝格求积公式龙贝格求积公式 注意到每个子区间注意到每个子区间xk,xk+1经过二分只增加了一个分点经过二分只增加了一个分点xk+1/2(xk+xk+1)/2,用复化梯形公式求得该子区间上的积分,用复化梯形公式求得该子区间上的积分值为值为 101021102110122)12(221)(221)(2)()(4nknnkknnkknkkknhkafhTxfhTxfhxfxfhT二、龙贝格算法二、龙贝格算法).,()(212);,()(12)(222bafhabTIbafhabTIfRnnn 有有:根据复化梯形公式的余项表达式根据复化梯形公式的余项表达式.)(31.41)()(222nnnnn
4、TTTITITIff 整理后可得:整理后可得:,则有,则有假定假定 可见,利用两种步长计算的结果能估计截断误差可见,利用两种步长计算的结果能估计截断误差.若将该截断若将该截断误差加到计算结果中,就可得出误差加到计算结果中,就可得出“改进梯形求积公式改进梯形求积公式”:nnnnnTTTTTT3134)(31222 改进梯形求积公式的右边实际是改进梯形求积公式的右边实际是nnknkkknkknkknkknnnkknnnSbfxfxfafhxfhbfxfafhxfhTTxfhTTT 101121102111102110212)()(2)(4)(6)(2)()(2)(231)(231)(221431)
5、4(31这就是说用梯形法二分前后的两个积分值这就是说用梯形法二分前后的两个积分值Tn与与T2n的线性组的线性组合的结果得到复化辛普森法求积公式合的结果得到复化辛普森法求积公式)1(141144313422nnnnnTTTTS 类似的情况,用辛普森法二分前后的两个积分值类似的情况,用辛普森法二分前后的两个积分值Sn与与S2n的的线性组合的结果可得到复化柯特斯求积公式线性组合的结果可得到复化柯特斯求积公式)2(151151614114422222nnnnnSSSSC 重复同样的手续,用柯特斯法二分前后的两个积分值重复同样的手续,用柯特斯法二分前后的两个积分值Cn与与C2n的线性组合的结果可得到龙贝
6、格的线性组合的结果可得到龙贝格(Romberg)求积公式求积公式)3(631636414114423233nnnnnCCCCR 我们在变步长的过程中运用加速公式我们在变步长的过程中运用加速公式(1)、(2)、(3),就能,就能将粗糙的梯形值将粗糙的梯形值Tn逐步加工成精度较高的辛普森值逐步加工成精度较高的辛普森值Sn、柯特斯、柯特斯值值Cn和龙贝格值和龙贝格值Rn.龙贝格求积算法可用下表来表示:龙贝格求积算法可用下表来表示:三、理查森三、理查森(Richardson)外推加速法外推加速法 上面讨论说明由梯形公式出发,将区间上面讨论说明由梯形公式出发,将区间a,b逐次二分可逐次二分可提高求积公式
7、的精度,上述加速过程还可继续下去,其理论依提高求积公式的精度,上述加速过程还可继续下去,其理论依据是梯形公式的余项展开,即据是梯形公式的余项展开,即 llllhhhIhThhhIhT242212422121642,)(.)(122nabhbafhabTIn ,22hTTn若记若记Tn=T(h),当区间,当区间a,b分为分为2n等分时,有等分时,有 ,则,则可见可见I=T(h)的误差为的误差为O(h2)阶阶.若记若记 ,则,则 3)(24)(1hThThT 64162)(6241162411hhIhThhIhT 显然显然T1(h)与积分值与积分值 I 近似的阶为近似的阶为O(h4).这样构造的这
8、样构造的,2)(11hThT就是辛普森公式序列就是辛普森公式序列Sn,S2n,.若令若令 ,)(15121516)(112hThThT 则又可进一步从余项中消去则又可进一步从余项中消去 h4 项,这样构造出的项,这样构造出的 ,其实,其实就是柯特斯公式序列,它与积分值就是柯特斯公式序列,它与积分值 I 的逼近阶为的逼近阶为O(h6).如此继如此继续下去,每加速一次,误差的量级便提高续下去,每加速一次,误差的量级便提高2阶,一般地,若记阶,一般地,若记T0(h)=T(h),经过,经过m(m=1,2,)次加速后,则有次加速后,则有 )(2hT)(1412144)(11hThThTmmmmmm )2
9、1(141144)(1)1(1)()(0)()(0,次次加加速速值值,可可得得的的表表示示序序列列以以次次后后求求得得的的梯梯形形值值,且且表表示示二二分分设设以以 kTTTmTTkTkmmkmmmkmkkmk.)3()2()1(321数数表表表表出出下下列列三三角角形形数数根根据据公公式式可可以以逐逐行行构构造造、加加速速公公式式,即即可可得得到到、算算法法,若若取取上上式式也也称称为为龙龙贝贝格格求求积积Tm 可以证明,如果可以证明,如果 f(x)充分光滑,那么充分光滑,那么T 数表每一列的元数表每一列的元素及对角线元素均收敛到所求的积分值素及对角线元素均收敛到所求的积分值 I,即,即IT
10、mITkmmkmk )()(lim)(lim,固定固定 机械求积公式机械求积公式 含有含有2n+2个待定参数个待定参数xk、Ak(k0,1,n)当当 xk 为等距节点时得到的插值求积公式的代数精为等距节点时得到的插值求积公式的代数精度至少为度至少为n次,如果适当选取次,如果适当选取 xk(k0,1,n),有可能使求积公式,有可能使求积公式具有具有 2n+1 次代数精度,这类求积公式称为次代数精度,这类求积公式称为高斯高斯(Gauss)求积公式求积公式.为使问题更具一般性,我们研究带权积分为使问题更具一般性,我们研究带权积分 ,这,这里里r r(x)为权函数,类似机械求积公式,它的求积公式为为权
11、函数,类似机械求积公式,它的求积公式为 Ak(k0,1,n)为不依赖于为不依赖于f(x)的求积系数,的求积系数,xk(k0,1,n)为为求积节点,可适当选取求积节点,可适当选取 xk 及及 Ak(k0,1,n)使积分使积分(1)具有具有2n+1次次代数精度代数精度 bankkkxfAxxf0)(d)(baxxxfId)()(r r)1.5()(d)()(0 nkkkbaxfAxxxfr r5 5 高斯求积公式高斯求积公式一、高斯点一、高斯点 定义定义4 如果求积公式如果求积公式(5.1)具有具有2n+1次代数精度,则称其节点次代数精度,则称其节点 xk(k0,1,n)为高斯点,相应公式为高斯点
12、,相应公式(5.1)称为高斯求积公式称为高斯求积公式.根据定义要使根据定义要使(51)具有具有2n+1次代数精度,只要取次代数精度,只要取f(x)xm,对对m0,1,2n+1,(5.1)精确成立,则得精确成立,则得 当给定权函数当给定权函数r r(x),求出右端积分,则可由,求出右端积分,则可由(5.2)解得解得 Ak 及及 xk(k0,1,n)bamnkmkknmxxxxA)2.5(.12,1,0d)(0r r 从教材例从教材例5看到求解非线性方程组看到求解非线性方程组(5.2)较复杂,通常较复杂,通常n2就很就很难求解故一般不通过解方程难求解故一般不通过解方程(5.2)求求 xk 及及 A
13、k(k0,1,n),而从分析高斯点的特性来构造高斯求积公式而从分析高斯点的特性来构造高斯求积公式 定理定理5 插值型求积公式插值型求积公式(5.1)的节点的节点 ax0 xlxnb是是高斯点的充分必要条件是以这些节点为零点的多项式高斯点的充分必要条件是以这些节点为零点的多项式 与任何次数不超过与任何次数不超过n的多项式的多项式P(x)带权带权r r(x)正交,即正交,即)()()(101nnxxxxxxx )5.5(0)(d)()()(1 banxxxxxPr r 定理表明在定理表明在a,b上带权上带权r r(x)的的n+1次正交多项式的零点就是次正交多项式的零点就是求积公式求积公式(5.1)
14、的高斯点,有了求积节点的高斯点,有了求积节点 xk(k0,l,n),再,再利用利用(5.2)对对m0,l,n 成立,则得到一组关于求积系数成立,则得到一组关于求积系数A0,A1,An 的线性方程解此方程则得的线性方程解此方程则得Ak(k0,1,n).也也可直接由可直接由x0,x1,xn 的插值多项式求出求积系数的插值多项式求出求积系数Ak(k=0,1,n).二、高斯求积公式的余项二、高斯求积公式的余项 利用利用 f(x)在节点在节点xk(k=0,1,n)的的埃尔米特插值埃尔米特插值 H2n+1(x),即,即于是于是 ,两端乘,两端乘r r(x),并由,并由a到到b积分,积分,则得则得其中右端第
15、一项积分对其中右端第一项积分对2n+1次多项式精确成立,故次多项式精确成立,故 由于由于 0,故由积分中值定理得,故由积分中值定理得(5.1)的余项为的余项为.,1,0,)()(,)()(1212nkxfxHxfxHkknkkn )()!22()()()(21)22(12xnfxHxfnnn bannnkkknxxxnfxfAIfR.d)()()!22()()(21)22(0r r )()(21xxnr r )8.5(.d)()()!22()(21)22(bannnxxxnffRr r bannbafRxxxHxxxfId)()(d)()(12r rr r三、高斯求积公式的稳定性与收敛性三、高
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