一類插值型數(shù)值求積公式精確性對比分析

李小綱

摘 要：數(shù)值積分是數(shù)值分析理論的重要內(nèi)容，也是解決科學(xué)與工程計算問題的重要方法.本文主要對插值型積分公式及其復(fù)化積分公式進(jìn)行比較分析，最后通過數(shù)值實驗驗證了其精確性和可靠性。

關(guān)鍵詞：數(shù)值積分；插值型；數(shù)值試驗

一、 引言

微積分的發(fā)明是人類科學(xué)史上一項偉大成就.但在實際問題中，給定函數(shù)的定積分的計算不總是可行的，求解積分仍有許多局限性[1，2]。如的原函數(shù)不易求得，非常復(fù)雜，或被積函數(shù)沒有函數(shù)表達(dá)式，只以表格形式給出，其原函數(shù)沒任何意義.因此，尋求數(shù)值積分表達(dá)式的方法有重要的實際意義.

在諸多求解數(shù)值積分的方法中，方法是一種利用差值多項式來構(gòu)造數(shù)值積分的方法[4，6]，其構(gòu)造方法簡單，但高階的方法的收斂性不能保證，因此，實際計算中很少使用高階公式，而是將積分區(qū)間細(xì)分，再每個小區(qū)間上使用低階公式，即復(fù)化的積分公式來達(dá)到提高計算精度的目的。本文對積分公式及其復(fù)化公式作了分析，并做數(shù)值實驗驗證了分析的正確性。

二、 數(shù)值積分的基本思想

在積分公式中，當(dāng)為偶數(shù)時，積分公式的代數(shù)精度至少為階，同時對公式對的情況，文中沒有列出.但對對公式，并不是階數(shù)越高，公式的精度就越高，理論實驗證明，當(dāng)時，系數(shù)會出現(xiàn)負(fù)值，此時公式的穩(wěn)定性不好。

四、 復(fù)化積分公式

由于積分公式的代數(shù)精度并不與成正比關(guān)系，同時為了提高公式的使用效果，人們將目標(biāo)轉(zhuǎn)向求積區(qū)間，即將整個積分區(qū)間先分成若干小區(qū)間，在每個小區(qū)間上使用低階求積公式，然后將每個小區(qū)間上的計算結(jié)果進(jìn)行求和，將求和結(jié)果作為整個區(qū)間上積分的近似值，即復(fù)化積分的基本思想。

因此，復(fù)化梯形公式為：

五、 算例分析

下面針對不同被積函數(shù)的數(shù)值積分（被積函數(shù)的原函數(shù)是有解析表達(dá)式）分別采用梯形公式，公式，公式及它們的復(fù)化積分公式進(jìn)行求解[3，5]，積分區(qū)間為，計算結(jié)果如下：

由表一可以看出，梯形求積公式計算誤差最大，逼近效果最差，而積分公式計算誤差比梯形公式小一到兩個數(shù)量級，積分公式計算誤差比積分公式小兩個數(shù)量級，積分公式計算效果最好。從代數(shù)精度的角度分析，積分公式代數(shù)精度最高，積分公式代數(shù)精度低兩階，梯形求積公式代數(shù)精度最低，和理論分析相吻合。因此，一般情況下，代數(shù)精度越高，積分公式計算精度也越高。

結(jié)合表一和表二可以得出，復(fù)化Newton-Cotes公式計算誤差比單獨(dú)計算誤差要小。具體來看，復(fù)化梯形求積公式比單獨(dú)梯形求積公式計算誤差要小四個數(shù)量級，復(fù)化求積公式比單獨(dú)求積公式計算誤差要小7個數(shù)量級復(fù)化求積公式比單獨(dú)求積公式計算誤差要小8個數(shù)量級。

在表一中，當(dāng)被積函數(shù)為時，由積分公式和積分公式計算誤差為零，這是因為這兩種公式代數(shù)精度分別為三階和五階，它對于次數(shù)不超過三次和五次多項式是準(zhǔn)確成立，故計算誤差為零。

六、 結(jié)論

本文通過對插值型積分公式的理論分析和數(shù)值試驗，得到以下結(jié)論：插值型求積公式中，積分公式的計算效果最好，但計算式所用節(jié)點(diǎn)多，計算量比較大，積分公式和梯形求積公式的精度低，但計算量??；復(fù)化的Newton-Cotes公式比單獨(dú)的Newton-Cotes就算效果要好，但計算量較大。因此，在實際計算中，可以根據(jù)問題的具體情況選擇合適積分公式來計算。

參考文獻(xiàn)：

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