Правило Симпсонов - Википедия - Simpsons rule

Правило Симпсона может быть получено путем приближения подынтегральной функции ж (Икс) (в синем) квадратичным интерполянтом п(Икс) (в красном).
Анимация, показывающая, как правило Симпсона аппроксимирует функцию параболой и уменьшает ошибку с уменьшением размера шага
Анимация, показывающая, как приближение правила Симпсона улучшается с увеличением количества полос.

В численное интегрирование, Правила Симпсона несколько приближения за определенные интегралы, названный в честь Томас Симпсон (1710–1761).

Самое основное из этих правил, называемое Правило Симпсона 1/3, или просто Правило Симпсона, читает

На немецком и некоторых других языках он назван в честь Иоганн Кеплер кто получил его в 1615 году, увидев, что он использовался для винных бочек (правило бочек, Кеплерше Фассрегель). Примерное равенство в правиле становится точным, если ж является многочленом до квадратичной степени.

Если правило 1/3 применяется к п равные части диапазона интегрирования [а, б], получаем составное правило Симпсона. Точкам внутри диапазона интегрирования даются попеременные веса 4/3 и 2/3.

Правило Симпсона 3/8, также называемый Второе правило Симпсона запрашивает еще одну оценку функции внутри диапазона интегрирования и является точным, если ж - многочлен до кубической степени.

Правила Симпсона 1/3 и 3/8 - это два особых случая закрытых Формулы Ньютона – Котеса.

В военно-морской архитектуре и оценке остойчивости кораблей также существует Третье правило Симпона, который не имеет особого значения для общего численного анализа, см. Правила Симпсона (остойчивость корабля).

Правило Симпсона 1/3

Производные

Квадратичная интерполяция

Один вывод заменяет подынтегральное выражение посредством квадратичный многочлен (т.е. парабола) который принимает те же значения, что и в конечных точках и и середина . Можно использовать Полиномиальная интерполяция Лагранжа чтобы найти выражение для этого многочлена,

С помощью интеграция путем замены можно показать, что[1]

Представляем размер шага это также обычно записывается как

Из-за фактор Правило Симпсона также называется правилом Симпсона 1/3 (см. обобщение ниже).

Усреднение средней точки и трапецеидальных правил

Другой вывод строит правило Симпсона из двух более простых приближений: правило средней точки

и трапеция

Погрешности этих приближений составляют

соответственно, где обозначает член, асимптотически пропорциональный . Два сроки не равны; видеть Обозначение Big O Больше подробностей. Из приведенных выше формул для ошибок средней точки и правила трапеции следует, что главный член ошибки обращается в нуль, если мы берем средневзвешенное

Это средневзвешенное значение в точности соответствует правилу Симпсона.

Используя другое приближение (например, правило трапеций с вдвое большим количеством точек), можно взять подходящее средневзвешенное значение и исключить другой член ошибки. Это Метод Ромберга.

Неопределенные коэффициенты

Третий вывод начинается с анзац

Коэффициенты α, β и γ можно зафиксировать, потребовав, чтобы это приближение было точным для всех квадратичных многочленов. Это дает правило Симпсона.

Ошибка

Ошибка аппроксимации интеграла правилом Симпсона для является

куда Греческая буква кси ) - некоторое число между и .[2]

Ошибка асимптотически пропорциональна . Однако приведенные выше выводы предполагают ошибку, пропорциональную . Правило Симпсона получает дополнительный порядок, потому что точки, в которых вычисляется подынтегральное выражение, симметрично распределены в интервале .

Поскольку член ошибки пропорционален четвертой производной от в , это показывает, что правило Симпсона дает точные результаты для любого полинома степени три или меньше, поскольку четвертая производная такого многочлена равна нулю во всех точках.

Если вторая производная существует и является выпуклый в интервале :

Составное правило Симпсона

Если интервал интегрирования в некотором смысле "мал", то правило Симпсона с подынтервалы обеспечат адекватное приближение к точному интегралу. Под малым мы на самом деле подразумеваем, что интегрируемая функция относительно гладкая на интервале . Для такой функции гладкий квадратичный интерполянт, подобный тому, который используется в правиле Симпсона, даст хорошие результаты.

Однако часто бывает так, что функция, которую мы пытаемся интегрировать, не является гладкой по интервалу. Обычно это означает, что либо функция сильно колеблется, либо в определенных точках отсутствуют производные. В этих случаях правило Симпсона может дать очень плохие результаты. Один из распространенных способов решения этой проблемы - разбить интервал в небольшие подынтервалы. Затем к каждому подинтервалу применяется правило Симпсона, и результаты суммируются, чтобы получить приближение для интеграла по всему интервалу. Такой подход называется составное правило Симпсона.

Предположим, что интервал разделен на подинтервалы, с четное число. Тогда составное правило Симпсона имеет вид

куда за с ; особенно, и . Это составное правило с соответствует обычному правилу Симпсона из предыдущего раздела.

Ошибка, допущенная составным правилом Симпсона:

куда какое-то число между и и это «длина шага».[3] Погрешность ограничена (по модулю) величиной

Эта формулировка разбивает интервал в подынтервалы одинаковой длины. На практике часто бывает выгодно использовать подынтервалы разной длины и концентрировать усилия на тех местах, где подынтегральное выражение ведет себя хуже. Это приводит к адаптивный метод Симпсона.

Правило Симпсона 3/8

Правило Симпсона 3/8, также называемое вторым правилом Симпона, - это еще один метод численного интегрирования, предложенный Томасом Симпсоном. Он основан на кубической интерполяции, а не на квадратичной интерполяции. Правило Симпсона 3/8 выглядит следующим образом:

куда б − а = 3час. Ошибка этого метода:

куда какое-то число между и . Таким образом, правило 3/8 примерно в два раза точнее стандартного метода, но использует еще одно значение функции. Составное правило 3/8 также существует, как и выше.[4]

Дальнейшим обобщением этой концепции для интерполяции с полиномами произвольной степени являются Формулы Ньютона – Котеса.

Составное правило Симпсона 3/8

Деление интервала в подынтервалы длины и вводим узлы у нас есть

В то время как остаток правила отображается как:

[4]

Мы можем использовать это, только если делится на три.

Альтернативное расширенное правило Симпсона

Это еще одна формулировка составного правила Симпсона: вместо применения правила Симпсона к непересекающимся сегментам интеграла, подлежащего аппроксимации, правило Симпсона применяется к перекрывающимся сегментам, что дает:[5]

Приведенная выше формула получается путем объединения исходного составного правила Симпсона с правилом, состоящим из использования правила Симпсона 3/8 на крайних подынтервалах и стандартного правила трех точек на остальных подынтервалах. Затем результат получается путем усреднения двух формул.

Правила Симпсона в случае узких пиков

В задаче оценки полной площади узких пикообразных функций правила Симпсона гораздо менее эффективны, чем трапеция. А именно, составное правило Симпсона 1/3 требует в 1,8 раза больше точек для достижения той же точности.[6] как правило трапеции. Составное правило Симпсона 3/8 еще менее точно. Интеграл по правилу 1/3 Симпсона может быть представлен как сумма 2/3 интеграла по правилу трапеций с шагом h и 1/3 интеграла по правилу прямоугольников с шагом 2h. Неудивительно, что погрешность суммы соответствует менее точному члену. Усреднение составных сумм по правилу Симпсона 1/3 с правильно сдвинутыми фреймами дает следующие правила:

где используются две точки вне интегрированного региона и

Эти правила очень похожи на альтернативное расширенное правило Симпсона Пресса. Коэффициенты внутри большей части интегрируемой области равны единице, различия только по краям. Эти три правила могут быть связаны с Формула Эйлера-МакЛорина с первым производным членом и назван Правила интегрирования Эйлера-МакЛорина.[6] Они отличаются только тем, как вычисляется первая производная в конце области.

Составное правило Симпсона для нерегулярных данных

Для некоторых приложений интервал интеграции необходимо разделить на неравные интервалы - возможно, из-за неравномерной выборки данных или отсутствия или повреждения точек данных. Предположим, мы разделим интервал в четное число подынтервалов ширины . Тогда составное правило Симпсона имеет вид[7][8]

куда - значения функции на -я точка отбора проб на интервале , а коэффициенты и даны

В случае нечетное число подынтервалов, приведенная выше формула используется до предпоследнего интервала, а последний интервал обрабатывается отдельно путем добавления к результату следующего:

куда

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Аткинсон, стр. 256; Сули и Майерс, §7.2
  2. ^ Аткинсон, уравнение (5.1.15); Сули и Майерс, теорема 7.2.
  3. ^ Аткинсон, стр. 257 + 258; Сули и Майерс, §7.5
  4. ^ а б Мэтьюз (2004)
  5. ^ Press (1989), стр. 122
  6. ^ а б Каламбет, Юрий; Козьмин Юрий; Самохин, Андрей (2018). «Сравнение правил интегрирования в случае очень узких хроматографических пиков». Хемометрия и интеллектуальные лабораторные системы. 179: 22–30. Дои:10.1016 / j.chemolab.2018.06.001. ISSN  0169-7439.
  7. ^ Кюлянпяя, Илкка (2019). Курс вычислительной физики. Университет Тампере.
  8. ^ Картрайт, Кеннет В. (2016). «Интеграция правила Симпсона с MS Excel и данными с нерегулярным интервалом» (PDF). Журнал математических наук и математического образования. 11 (2): 34–42.

Рекомендации

внешняя ссылка

Эта статья включает материал из правила Кодекса Симпсона о PlanetMath, который находится под лицензией Лицензия Creative Commons Attribution / Share-Alike.