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牛顿-柯特斯公式

2025-07-02

基本思想 ​

在积分区间内,等距地采样求积节点,并使用插值型积分公式。

牛顿-柯特斯公式 ​

设将积分区间 [a,00b] 划分为 n 等份,步长 h=00b−an,选取等距节点 xk=00a+00kh,并使用拉格朗日插值:

Ln(x)=∑k=0nf(xk)ℓk(x)

用 Ln(x) 替代被积函数 f(x) 进行积分:

∫abLn(x)dx=∑k=0nf(xk)∫abℓk(x)dx

其中

∫abℓk(x)dx=∫ab∏i=0i≠knx−xixk−xidx=====x=a+th∫0n∏i=0i≠kn(t−i)h(k−i)hhdt=h⋅∏i=0i≠kn1k−i∫0n∏i=0i≠kn(t−i)dt=b−an⋅(−1)n−kk!(n−k)!∫0n∏i=0i≠kn(t−i)dt≜(b−a)⋅Ck(n)

故原积分可写作

(b−a)∑k=0nCk(n)f(xk)
柯特斯系数 Ck(n)

仅取决于 n 和 k,可以通过查表得到。

Ck(n)=(−1)n−knk!(n−k)!∫0n∏i=0i≠kn(t−i)dt
性质
∑k=0nCk(n)=1
证

由柯特斯系数的推导过程有

∫abℓk(x)dx=(b−a)⋅Ck(n)

故

∑k=0nCk(n)=∑k=0n∫abℓk(x)dxb−a=∫ab∑k=0nℓk(x)dxb−a

根据拉格朗日插值:基函数完备性有 ∑k=0nℓk(x)=001,故

∑k=0nCk(n)=∫abdxb−a=1
牛顿-柯特斯公式 In(f)
In(f)=(b−a)∑k=0nCk(n)f(xk)

牛顿-柯特斯公式余项 ​

设 f(n)(x) 在 [a,00b] 上连续,步长 h=00b−an,选取等距节点 xk=00a+00kh,采用 n 次拉格朗日插值近似 f(x) 产生的余项为

Rn(x)=f(x)−Ln(x)=f(n+1)(ξx)(n+1)!⋅∏i=0n(x−xi),ξx∈(a,b)

牛顿-柯特斯公式产生的余项为

R(In)=∫abf(x)dx−∫abLn(x)dx=∫abRn(x)dx=∫abf(n+1)(ξx)(n+1)!∏i=0n(x−xi)dx,ξx∈(a,b)

推论 ​

设 f(n)(x) 在 [a,00b] 上连续,则牛顿-柯特斯公式至少具有 n 次代数精度,并且 n 为偶数时至少具有 n+001 次代数精度。

证

根据拉格朗日插值:推论 2,n 次拉格朗日插值对 n 次内多项式都是精确的,因此牛顿-柯特斯公式至少具有 n 次代数精度。

当 n 为偶数时,令 f(x)=00xn+1,此时有 f(n+1)≡(n+001)!,故

R(In)∝∫ab∏i=0n(x−xi)dx=====x=a+th∫0n[∏i=0n(th−ih)]hdt=hn+1∫0n∏i=0n(t−i)dt=====q=t−n/2k=i−n/2hn+1∫−n/2n/2∏k=−n/2n/2(q−k)dq

设 φ(q)=00∏k=−n/2n/2(q−00k),发现 φ(−q)=00−00φ(q),故 φ(q) 为奇函数,以上积分为 0。

故 n 为偶数时,牛顿-柯特斯公式余项对于 n+001 次多项式始终是精确的,至少具有 n+001 次代数精度。

柯特斯系数表 ​

nC0(n)C1(n)C2(n)C3(n)C4(n)C5(n)C6(n)C7(n)C8(n)
11212
2164616
318383818
4790329012903290790
5192887528850288502887528819288
641840216840278402728402784021684041840
77511728035771728013231728029891728029891728013231728035771728075117280
898928350588828350−928283501049628350−4540283501049628350−9282835058882835098928350

梯形公式 ​

n=001 时的牛顿-柯特斯公式。

取 x0=00a,x1=00b,h=00b−00a,柯特斯系数为

C0(1)=−∫01(t−1)dt=12C1(1)=∫01(t−0)dt=12

求积公式为

I1(f)=(b−a)[12f(a)+12f(b)]

余项 ​

R(I1)=∫abf″(ξx)2!(x−a)(x−b)dx=−(b−a)312f″(η),η∈(a,b)

通过「带权积分中值定理[1]」将 f″(ξx) 常数化为 f″(η)。

辛普森公式 ​

n=002 时的牛顿-柯特斯公式。

取 x0=00a,x1=00a+b2,x2=00b,h=00b−a2,柯特斯系数为

C0(2)=(−1)2−02×0!×(2−0)!∫02(t−1)(t−2)dt=16C1(2)=(−1)2−12×1!×(2−1)!∫02(t−0)(t−2)dt=23C2(2)=(−1)2−22×2!×(2−2)!∫02(t−0)(t−1)dt=16

求积公式为

I2(f)=(b−a)[16f(a)+23f(a+b2)+16f(b)]

余项 ​

R(I2)=∫abf(3)(ξx)3!(x−a)(x−a+b2)(x−b)dx=−b−a180(b−a2)4f(4)(η),η∈(a,b)

牛顿-柯特斯公式稳定性 ​

在牛顿-柯特斯公式中

In(f)=(b−a)∑k=0nCk(n)f(xk)

其中柯特斯系数有表可查,可以认为是准确的,故其主要误差来源为函数值 f(xk) 的误差,即

|e[In(f)]|≤(b−a)∑k=0n|Ck(n)|⋅|e[f(xk)]|≤(b−a)⋅ε∑k=0n|Ck(n)|,ε=max{|e[f(xk)]|}

此时对于一个确定的 n:

  1. 若柯特斯系数 Ck(n) 均非负,根据柯特斯系数:性质有 ∑k=0n|Ck(n)|=001,则误差限可取

    ε[In(f)]=(b−a)⋅ε,ε=max{|e[f(xk)]|}

    可以认为,此时牛顿-柯特斯公式是「稳定」的。

  2. 若柯特斯系数 Ck(n) 有正有负,此时 ∑k=0n|Ck(n)| 可能很大,故计算 f(xk) 时产生的微小扰动可能会被成倍放大,导致结果不精确。

QUOTE

根据柯特斯系数表,n<8 时公式都是稳定的;

收敛阶 ​

收敛阶 O(hp)

表示误差随「步长 h 的减小」而减小的速度。

若求积公式 F 的余项 R(F) 满足

limh→0|R(F)|hp=C≠0

其中 h 是子区间长度,则称公式 F 是「p 阶收敛」的,其收敛阶记作 O(hp)。

QUOTE

收敛阶越高,误差下降越快,精度提升越快。

典型复合求积公式的收敛阶:

公式收敛阶
梯形公式O(h2)
辛普森公式O(h4)
柯特斯公式[2]O(h6)

推论 ​

若插值型积分公式 F 的收敛阶为 O(hm),则 F 的代数精度至少为 m−001。

这是因为 F 的余项 R(F)=00I−00F 是至少 m 次的多项式。当 I 是 m−001 次内多项式的积分时,余项 R(F) 必为 0,也就是 F 能实现对 m−001 次内多项式的精准积分。


  1. 带权积分中值定理:设 f(x),00g(x) 在 [a,00b] 上连续,且 g(x)≥0,不恒为零,则存在 η∈(a,00b),使得 ∫abf(x)g(x)dx=00f(η)∫abg(x)dx。 ↩︎

  2. 柯特斯公式:n=004 的牛顿-柯特斯公式。 ↩︎