Simpsonlar qoidasi - Simpsons rule - Wikipedia

Simpson qoidasini integralni yaqinlashtirib olish mumkin f (x) (ko'kda) kvadratik interpolant tomonidan P(x) (qizil rangda).
Simpson qoidasi funktsiyani parabola bilan qanday taqqoslashi va qadam kattaligi pasayganda xatolikni kamaytirishini ko'rsatuvchi animatsiya
Simpson qoidalarining yaqinlashishi ko'proq chiziqlar bilan qanday yaxshilanishini ko'rsatadigan animatsiya.

Yilda raqamli integratsiya, Simpson qoidalari bir nechta taxminlar uchun aniq integrallar nomi bilan nomlangan Tomas Simpson (1710–1761).

Ushbu qoidalarning eng asosiysi, deb nomlangan Simpsonning 1/3 qoidasi, yoki shunchaki Simpson qoidasi, o'qiydi

Nemis va boshqa ba'zi tillarda uning nomi berilgan Yoxannes Kepler 1615 yilda uni sharob bochkalari uchun ishlatilishini ko'rganidan keyin kim chiqargan (bochka qoidasi, Keplersche Fassregel). Qoidadagi taxminiy tenglik, agar aniq bo'lsa f kvadrat darajagacha polinom.

Agar 1/3 qoida qo'llanilsa n integratsiya diapazonining teng bo'linmalari [a, b], birini oladi kompozitsion Simpson qoidasi. Integratsiya diapazonidagi ballarga o'zgaruvchan og'irliklar 4/3 va 2/3 berilgan.

Simpsonning 3/8 qoidasi deb nomlangan Simpsonning ikkinchi qoidasi integratsiya doirasidagi yana bitta funktsiyani baholashni talab qiladi va agar aniq bo'lsa f kub darajagacha polinom hisoblanadi.

Simpsonning 1/3 va 3/8 qoidalari yopiq bo'lgan ikkita maxsus holat Nyuton-Kotes formulalari.

Dengiz arxitekturasi va kema barqarorligini baholashda ham mavjud Simponning uchinchi qoidasi, umumiy sonli tahlilda alohida ahamiyatga ega bo'lmagan, qarang Simpson qoidalari (kema barqarorligi).

Simpsonning 1/3 qoidasi

Hosilliklar

Kvadratik interpolatsiya

Bitta hosila integralni almashtiradi tomonidan kvadratik polinom (ya'ni parabola) bilan bir xil qiymatlarni oladi oxirgi nuqtalarda va va o'rta nuqta . Biri foydalanishi mumkin Lagranj polinom interpolatsiyasi ushbu polinomning ifodasini topish uchun,

Foydalanish almashtirish bilan integratsiya buni ko'rsatish mumkin[1]

Bosqich kattaligi bilan tanishtirish bu ham odatda shunday yoziladi

Tufayli omil Simpson qoidasi Simpsonning 1/3 qoidasi deb ham yuritiladi (umumlashtirish uchun pastga qarang).

O'rta nuqtani va trapetsiya qoidalarini o'rtacha hisoblash

Boshqa bir kelib chiqish Simpson qoidasini ikkita oddiy taxminlardan tuzadi: the o'rta nuqta qoidasi

va trapezoidal qoida

Ushbu taxminiy xatolar

navbati bilan, qaerda ga asimptotik proportsional atamani bildiradi . Ikki shartlar teng emas; qarang Big O notation batafsil ma'lumot uchun. O'rta nuqta va trapetsiya qoidasi xatolari uchun yuqoridagi formulalardan kelib chiqadigan bo'lsak, etakchi xato muddati yo'qoladi. o'rtacha vazn

Ushbu o'rtacha tortishish Simpsonning qoidasidir.

Boshqa taxminiy usuldan foydalanib (masalan, ikki baravar ko'p ochko bo'lgan trapezoidal qoida) o'rtacha og'irlikni olish va boshqa xato muddatini yo'q qilish mumkin. Bu Romberg usuli.

Belgilanmagan koeffitsientlar

Uchinchi hosila quyidagidan boshlanadi ansatz

A, b va g koeffitsientlarini ushbu yaqinlashuvning barcha kvadratik polinomlar uchun aniq bo'lishini talab qilish orqali aniqlash mumkin. Bu Simpson qoidasini beradi.

Xato

Simpson qoidasi bo'yicha integralni yaqinlashtirishda xato bu

qayerda (the Yunoncha xi harfi ) orasidagi bir necha raqam va .[2]

Xato asimptotik proportsionaldir . Ammo yuqoridagi hosilalar mutanosib xatoni taklif qiladi . Simpson qoidasi qo'shimcha tartibni qo'lga kiritadi, chunki integralni baholash nuqtalari intervalda nosimmetrik tarzda taqsimlanadi .

Xato muddati to'rtinchi hosilaga mutanosib bo'lgani uchun da , bu Simpson qoidasi har qanday polinom uchun aniq natijalar berishini ko'rsatadi daraja uch yoki undan kam, chunki bunday polinomning to'rtinchi hosilasi barcha nuqtalarda nolga teng.

Agar ikkinchi lotin mavjud va mavjud qavariq oralig'ida :

Kompozitsiyali Simpson qoidasi

Agar integratsiya oralig'i bo'lsa ba'zi ma'noda "kichik", keyin Simpsonning qoidasi subintervallar aniq integralga etarlicha yaqinlashishni ta'minlaydi. Kichkinagina, biz aslida nimani nazarda tutmoqchimizki, integrallangan funktsiya intervalgacha nisbatan yumshoq bo'ladi . Bunday funktsiya uchun Simpson qoidasida ishlatilganidek silliq kvadratik interpolant yaxshi natijalar beradi.

Biroq, ko'pincha biz integratsiya qilmoqchi bo'lgan funktsiya oralig'ida silliq bo'lmasligi mumkin. Odatda bu shuni anglatadiki, yoki funktsiya juda tebranuvchi yoki ma'lum nuqtalarda hosilalar etishmaydi. Bunday hollarda Simpson qoidasi juda yomon natijalarni berishi mumkin. Ushbu muammoni hal qilishning keng tarqalgan usullaridan biri bu intervalni buzishdir ichiga kichik subintervallar. Keyin har bir subintervalda Simpson qoidasi qo'llaniladi, natijada butun interval bo'yicha integral uchun taxminiy natijalar olinadi. Bunday yondashuv "deb nomlanadi kompozitsion Simpson qoidasi.

Faraz qilaylik bo'linadi pastki intervallar, bilan juft son. Keyin, kompozitsion Simpson qoidasi berilgan

qayerda uchun bilan ; jumladan, va . Ushbu kompozitsion qoida oldingi bobning odatdagi Simpson qoidasi bilan mos keladi.

Kompozitsiyali Simpson qoidasi tomonidan qilingan xato

qayerda orasidagi raqam va va "qadam uzunligi".[3] Xato cheklangan (mutlaq qiymatda) bilan

Ushbu formulalar oraliqni ajratadi teng uzunlikdagi subintervallarda. Amalda, ko'pincha turli uzunlikdagi subintervallardan foydalanish va kuchlarni integratsiyani unchalik yaxshi tutilmagan joylarga jamlash foydali bo'ladi. Bu olib keladi adaptiv Simpson usuli.

Simpsonning 3/8 qoidasi

Simpsonning 3/8 qoidasi, shuningdek Simponning ikkinchi qoidasi deb ataladi, bu Tomas Simpson tomonidan taklif qilingan raqamli integratsiyaning yana bir usuli. U kvadratik interpolyatsiyaga emas, balki kubik interpolatsiyaga asoslangan. Simpsonning 3/8 qoidasi quyidagicha:

qayerda b − a = 3h. Ushbu usulning xatosi:

qayerda orasidagi raqam va . Shunday qilib, 3/8 qoidasi standart usuldan taxminan ikki baravar aniqroq, ammo u yana bitta funktsiya qiymatidan foydalanadi. Kompozit 3/8 qoidasi ham xuddi yuqoridagi kabi mavjud.[4]

Ixtiyoriy darajadagi polinomlar bilan interpolatsiya qilish uchun ushbu kontseptsiyani yanada umumlashtirish quyidagilardir Nyuton-Kotes formulalari.

Kompozit Simpsonning 3/8 qoidasi

Intervalni bo'lish ichiga uzunlikning subintervallari va tugunlarni tanishtirish bizda ... bor

Qoidalarning qolgan qismi quyidagicha ko'rsatiladi:

[4]

Biz bundan faqatgina foydalanishimiz mumkin uchlikning ko'paytmasi.

Shu bilan bir qatorda Simpson qoidalari kengaytirilgan

Bu kompozitsion Simpson qoidasining yana bir formulasi: Simpson qoidasini integralning bo'linib bo'linadigan segmentlariga tatbiq etish o'rniga, Simpson qoidasi bir-birining ustiga chiqadigan segmentlarga qo'llaniladi, natijada:[5]

Yuqoridagi formula asl kompozitsion Simpson qoidasini o'ta subintervallarda Simpsonning 3/8 qoidasini va qolgan subintervallarda standart 3 nuqta qoidasini ishlatishdan iborat bo'lgan qoidalarni birlashtirish orqali olinadi. Keyin natija ikki formulaning o'rtacha qiymatini olish orqali olinadi.

Simpsonning tor cho'qqilarga oid qoidalari

Tor cho'qqiga o'xshash funktsiyalarning to'liq maydonini baholash vazifasida Simpson qoidalari unchalik samarasiz trapezoidal qoida. Aynan, xuddi shu aniqlikka erishish uchun kompozitsion Simpsonning 1/3 qoidasi 1,8 baravar ko'proq ball talab qiladi[6] trapezoidal qoida sifatida. Kompozit Simpsonning 3/8 qoidasi unchalik aniq emas. Simpsonning 1/3 qoidasi bilan integral integralning 2/3 yig'indisi trapetsiya qoidasi bilan h qadam bilan va 1/3 integralning to'rtburchaklar qoidasi bilan 2h qadam bilan ifodalanishi mumkin. So'mning xatosi unchalik aniq bo'lmagan muddatga to'g'ri kelishi ajablanarli emas. To'g'ri siljigan ramkalar bilan Simpsonning 1/3 qoida kompozit yig'indisidan o'rtacha foydalanish quyidagi qoidalarni ishlab chiqaradi:

bu erda yaxlit mintaqadan tashqaridagi ikkita nuqta ekspluatatsiya qilinadi va

Ushbu qoidalar Pressning kengaytirilgan Simpson qoidalariga juda o'xshash. Hududning katta qismi koeffitsientlari teng ravishda birlashtirilgan, farqlar faqat chekkalarda. Ushbu uchta qoidalar bilan bog'liq bo'lishi mumkin Euler-MacLaurin formulasi birinchi lotin atamasi bilan va nomlangan Euler-MacLaurin integratsiyasi qoidalari.[6] Ular faqat mintaqaning oxiridagi birinchi lotin qanday hisoblanganligi bilan farq qiladi.

Noto'g'ri joylashtirilgan ma'lumotlar uchun kompozitsion Simpson qoidasi

Ba'zi ilovalar uchun integratsiya oralig'i notekis intervallarga bo'linishi kerak - ehtimol ma'lumotlarning notekis namuna olinishi yoki ma'lumotlar nuqtalarining etishmayotganligi yoki buzilganligi sababli. Faraz qilaylik ichiga juft son subintervallar kenglik . Keyin kompozitsion Simpson qoidasi quyidagicha berilgan[7][8]

qayerda funktsiya qiymatlari oraliqdagi namuna olish nuqtasi va koeffitsientlar va tomonidan berilgan

Agar bo'lsa toq raqam subintervallar, yuqoridagi formuladan ikkinchisigacha oxirgi intervalgacha ishlatiladi va oxirgi interval natijaga quyidagilarni qo'shish bilan alohida ishlov beriladi:

qayerda

Shuningdek qarang

Izohlar

  1. ^ Atkinson, p. 256; Suli va Mayers, §7.2
  2. ^ Atkinson, tenglama (5.1.15); Suli va Mayers, Teorema 7.2
  3. ^ Atkinson, pp. 257 + 258; Suli va Mayers, §7.5
  4. ^ a b Metyus (2004)
  5. ^ Matbuot (1989), p. 122
  6. ^ a b Kalambet, Yuriy; Kozmin, Yuriy; Samoxin, Andrey (2018). "Juda tor xromatografik cho'qqilar holatida integratsiya qoidalarini taqqoslash". Kimyometriya va aqlli laboratoriya tizimlari. 179: 22–30. doi:10.1016 / j.chemolab.2018.06.001. ISSN  0169-7439.
  7. ^ Kylänpää, Ilkka (2019). Hisoblash fizikasi kursi. Tampere universiteti.
  8. ^ KARTRAYT, Kennet V. (2016). "Simpsonning MS Excel va tartibsiz intervalli ma'lumotlar bilan integratsiyasi" (PDF). Matematik fan va matematik ta'lim jurnali. 11 (2): 34–42.

Adabiyotlar

Tashqi havolalar

Ushbu maqola Simpson qoidalari to'g'risidagi koddan olingan ma'lumotlarni o'z ichiga oladi PlanetMath, ostida litsenziyalangan Creative Commons Attribution / Share-Alike litsenziyasi.