Квадратурные формулы Гаусса
Пусть отрезок интегрирования непрерывной функции f(x) разбит на n равных частей точками . Шаг разбиения . Пусть - функция аппроксимирующая подынтегральная функцию f(x).
На каждом из интервалов расположено m узлов , в которых . Пусть - многочлен степени р, такой что
а) ; ;
б) Определенный интеграл от функции на отрезке выражается через значение подынтегральной функции в узлах в виде их линейной комбинации т.е.
(1)
Так чтобы для выбранной степени р сплайна построить квадратурные формулы Гаусса , необходимо найти из условий а) и б) 2m неизвестных:
m неизвестных коэффициентов
m координат узлов ( )
Будем решать задачу одновременно для всех участков . Для этого введем новую переменную t, общую для всех интервалов.
Тогда: , и
И при т.о.
Положим:
Тогда:
и (1) примет вид:
(2)
Теперь рассмотрим квадратную формулу Гаусса с тремя узлами (m=3). При этом необходимо определить шесть величин:
Функция -многочлен степени р.
(3)
Подставим (3) в (2). Учитывая, что получим тождество относительно коэффициентов
В общем случае степень аппроксимирующего полинома равна: p=2m-1, где m-число узлов.
Для трех узлов имеем р=5, т.е. многочлен пятой степени. Коэффициенты при вычисляем из левой части (4)
(5)
Приравнивая коэффициенты при в правой и левых частях и учитывая (5), получим шесть уравнений:
(6)
Решение системы (6) – нелинейной системы найти очень сложно!
Однако оказывается, что неизвестное в уравнениях (6) совпадают с нулями многочлена Лежандра:
(7)
Нули многочлена (7) принадлежат интервалу и расположены симметрично середины интервала.
В нашем случае m=3:
т.о.
Корни (нули) уравнения находим из:
Т.о. найдены значения системы (6)
Значения находим, подставляя в (6)
Решение системы:
Подставим найденные значения в (1):
находим из
находим с учетом соотношения:
Т.о.
Для получаем:
Т.о.
Итак, квадратичная формула Гаусса с тремя узлами имеет вид:
Где
Если имеет непрерывность производной до шестого прядка, то для оценки погрешности формулы Гаусса с тремя узлами можно использовать неравенство:
При вычислении интеграла до достижения заданной точки Е методом двойного перечета,
условие окончаний вычисления имеет вид:
Где k=2m, m-число узлов.
При этом полагают, что
с точностью Е
Пример: Найти приближенное значение интеграла по квадратной формуле Гаусса с тремя узлами для n=1, т.е. без разбиения отрезка на части (n=1)
Оценить погрешность вычислений.
Решение. Ищем:
R(h)
а ≤ х ≤ в
С погрешностью не больше чем 0,0019<0,002 имеем
Здесь х2 = 0,5; f(x2) = 1.284025
x1 = x2 - f(x1) = 1.012783
x3 = x2 - f(x1) = 2.19745
Для достижения точности того же порядка с использованием: формулы Симпсона n=2 (ε=0,0045)
формулы прямоугольников n=10 (0,0068)
ЛЕКЦИЯ 14
Дата добавления: 2016-11-04; просмотров: 3968;