牛顿科特斯求积公式
牛顿-柯特斯求积公式 牛顿-柯特斯求积公式是数值积分领域中的一个重要概念,该公式是根据积分中值定理和定积分的定义,通过插值理论和代数精度的概念,推导出的一类近似计算公式。这些公式可以用于计算定积分,通过选择合适的节点和系数,可以提高计算的准确度。 牛顿-柯特斯求积公式的基本思想是,首先利用积分中值定理,导出矩形求积公式、梯形求积公式,然后利用定积分的定义,分析定积分的四个基本步骤:分割、近似、求和、取极限。分割就是把总体(整块梯形面积)分成若干分量(小曲边梯形面积),近似就是在每个分量中用容易计算的量去代表小曲边梯形的面积(这是用矩形面积近似曲边梯形的面积)。求和就是把分量加起来得到总近似值,最最后取极限就得到积分的准确值。 在牛顿-柯特斯求积公式中,代数精度是一个重要的概念。代数精度是指求积公式对某个次数的代数多项式的准确性。定义:求积公式:对于任意不高于 m 次的代数多项式都准确成立,而对于不一定能准确成立,则称该求积公式的代数精度 m。一般地,欲使求积公式具有 m 次代数精度。只要令它对于…都能准确成立,即要求:如果事先选定求积节点,如,以区间的等距节点依次为节点,这时取m=n,求解上述线性方程组即可确定系数,从而使求积公式至少有 m=n 次代数精度。 牛顿-柯特斯求积公式的分类有多种,常见的有梯形求积公式、辛普森 (Simpson) 求积公式或抛物线求积公式、牛顿 (Newton) 求积公式和柯特斯 (Cotes) 求积公式等。这些公式的推导过程是,首先选择一些节点,了解这些节点处被积函数的信息,然后构造拉格朗日插值多项式,最后按如下方式推导计算公式: 其中cci是求积系数,xi是求积节点。按上述过程得到的积分公式叫做插值型求积公式。当然,如果用其他的方式找到一个简单函数,使得,那么也能推出一个数值积分公式: 这类近似计算的积分公式叫做数值积分公式。由于 是的近似,所以上述求积公式存在截断误差(称为求积项):其中是与 有关的一个数,有时为了突出这一点,常记它为或。如果不变号,则由第二积分中值定理可知:存在常数,使得 这些公式的余项表达式可以用来分析它们的精度。从各阶牛顿-柯特斯公式的余项表达式可知:梯形求积公式对所有次数不超过 1 的多项式是准确成立的;辛普森求积公式对所有次数不超过 3 的多项式是准确成立的;牛顿求积公式对所有次数不超过 3 的多项式是准确成立的;柯特斯求积公式对所有次数不超过 5 多项式是准确成立的。 牛顿-柯特斯求积公式是数值积分领域中的一个重要工具,通过选择合适的节点和系数,可以提高计算的准确度。这些公式的推导过程和分类可以帮助我们更好地理解和应用这些公式。