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数值积分

2025-07-02

数值积分的基本思想 ​

对于积分

∫abf(x)dx

如果知道 f(x) 的原函数 F(x),则由牛顿-莱布尼茨公式有

∫abf(x)dx=F(b)−F(a)

但是在工程领域和科研领域中,经常会发生:

  1. f(x) 没有解析式,只知道部分函数值;
  2. f(x) 的原函数不是初等函数;
  3. f(x) 解析式形式复杂,原函数求解困难。

于是诞生了一些积分的近似计算方法。

梯形公式
∫abf(x)dx≈b−a2[f(a)+f(b)]
中矩形公式(矩形公式)
∫abf(x)dx≈(b−a)f(a+b2)
机械求积公式
∫abf(x)dx≈∑k=0nAkf(xk)
求积节点 xk
有限个离散点。
求积系数(权)Ak
其值仅与积分区间和求积节点的选取有关,而与 f(x) 的具体形式无关。
插值型积分公式

用插值多项式代替被积函数 f(x) 进行积分。

根据多项式插值定理,同等次数的插值法是等效的。这里选取拉格朗日插值:

∫abf(x)dx≈∫abLn(x)dx=∫ab∑k=0nf(xk)ℓk(x)dx=∑k=0nf(xk)∫abℓk(x)dx

可见插值型积分公式是机械求积公式的一个实例,其求积系数定义为

Ak=∫abℓk(x)dx

代数精度 ​

代数精度(代数精确度)
若一个机械求积公式能够「精确地积分[1]」任意 m 次以内的多项式,而只能「近似地积分」m+001 次的多项式,则称其具有 m 次的代数精度。

容易证明,一个机械求积公式具有 m 次代数精度,当且仅当其对于 f(x)=001,00x,00⋯,00xm 都能准确成立,且对于 f(x)=00xm+1 不能准确成立,即

{∑k=0nAk=b−a∑k=0nAkx=12(b2−a2)⋮∑k=0nAkxm=1m+1(bm+1−am+1)∑k=0nAkxm+1≠1m+2(bm+2−am+2)

推论 ​

形如 ∑k=0nAkf(xk) 的机械求积公式至少具有 n 次代数精度 ⟺ 该公式为插值型积分公式。

INFO

  1. 精确地积分:将约等号「≈」替换为等号「=」后,求积公式仍成立。 ↩︎