Участник:Gukov/Песочница
Материал из MachineLearning.
Содержание |
Введение
Постановка математической задачи
Задача численного интегрирования состоит в приближенном нахождении значения интеграла
где
- заданная и интегрируемая на
функция. В качестве приближенного значения рассматривается число
где - числовые коэффициенты и
- точки отрезка
,
.
Приближенное равенство
называется квадратурной формулой, а сумма вида (2) - квадартурной суммой. Точки называются узлами квадратурной формулы.
Разность
называется погрешностью квадратурной формулы. Погрешность зависит как от расположения узлов, так и от выбора коэффициентов.
Изложение метода
Экстраполяция Ричардсона
Предположим, что для вычисления интеграла (1) отрезок разбит на
равных отрезков длины
и на каждом частичном отрезке применяется одна и та жа квадратурная формула. Тогда исходный интеграл
заменяется некоторой квадратурной суммой
, причем возникающая погрешность зависит от шага сетки
.
Для некоторых квадратурных формул удается получить разложение погрешности
по степеням
. Предположим,
что для данной квадратурной суммы
существует разложение:
,
где и коэффициенты
не зависят от
.
При этом величины
предполагаются известными.
Теперь предположим:
Чтобы избавиться от степени , составляющей ошибку (ибо среди всех слагаемых, составляющих ошибку, слагамое при
является наибольшим) вычислим величину
. Имеем:
Отсюда
то есть имеем более точное приближение к интегралу .
Таким образом, рекуррентную формулу можно записать в виде:
Заметим, что - величина, на которую мы делим размер шага при каждом новом вычислении
. Разумно положить
, т.к. большие значения
могут вызвать резкое увеличение количества вычислений.
Для наглядности представим процесс экстраполирования следующей таблицей:
Метод Рунге
Пусть существует асимптотическое разложение вида:
,
где - достаточно гладкая функция, а
.
Проведем расчеты на двух равномерных сетках с шагами и
соответственно и найдем выражения
и
,
. Потребуем,
чтобы погрешность для их линейной комбинации:
была величиной более высокого порядка по сравнению с и
. Если для
имеет место формула вида
,
то для
получим
Выберем параметр \sigma из условия :
.
Имеем
,
,
причем . Так, если
, то
. Таким образом, проведя вычисления на двух сетках
с шагами
и
, мы повысили порядок точности на
(на
) для
.
Числовой пример
Найдем с помощью квадратурной формулы трапеций приближенное значение интеграла, применив экстраполяцию Ричардсона (данный метод называется методом Ромберга):
В нижеследующей таблице представлены результаты работы программы:
r | Исходная формула | Экстраполированная формула | Точное значение | Погрешность вычислений | Погрешность формулы |
---|---|---|---|---|---|
2 | 3.98277278 | 4.04665506 | 4.04718956 | 0.0005345 | 0.00275556 |
4 | 4.03068449 | 4.04714980 | 4.04718956 | 0.00003976 | 0.00017222 |
8 | 4.04303347 | 4.04718692 | 4.04718956 | 0.00000264 | 0.00001076 |
16 | 4.04614856 | 4.04718939 | 4.04718956 | 0.00000017 | 0.00000067 |
32 | 4.04692918 | 4.04718955 | 4.04718956 | 0.00000001 | 0.00000004 |
64 | 4.04712446 | 4.04718956 | 4.04718956 | 0 | 0 |
20384 | 4.04718956 |
Здесь - коэффициент измельчения шага
. Исходная величина шага
.
На иллюстрации черная сплошная линия - исходная формула, красная пунктирная - экстраполированная.
Как мы видим, разница между экстраполированными и неэкстраполированными результатами значительна. Уже при величине шага в мы можем найти значение интеграла с точностью
, тогда как в исходной формуле нам для достижения такой точности пришлось бы задать величину шага
.
Рекомендации программисту
Заключение
Список литературы
- А.А.Самарский, А.В.Гулин. Численные методы М.: Наука, 1989.
- Fundamental Methods of Numerical Extrapolation With Applications, mit.edu