Метод Гаусса вычисления определенных интегралов
Квадратурные формулы интерполяционного типа
Будем рассматривать формулы приближенного вычисления интегралов
, (3.25)
где заданная интегрируемая функция (так называемая весовая функция) и
достаточно гладкая функция. Рассматриваемые далее формулы имеют вид
, (3.26)
где и
числа,
.
В отличие от предыдущего параграфа не будем разбивать отрезок на частичные отрезки, а получим квадратурные формулы путем замены
интерполяционным многочленом сразу на всем отрезке
. Полученные таким образом формулы называются квадратурными формулами интерполяционного типа. Как правило, точность таких формул возрастает с увеличением числа узлов интерполирования. Рассмотренные в п. 3.1 формулы прямоугольников, трапеции и Симпсона являются частными случаями квадратурных формул интерполяционного типа, когда
,
.
Получим выражения для коэффициентов квадратурных формул интерполяционного типа. Пусть на отрезке заданы узлы интерполирования
,
. Предполагается, что среди этих узлов нет совпадающих, в остальном они могут быть расположены как угодно на
.
Функцию будем заменять интерполяционным полиномом Лагранжа (см. лекция 2, формула (2.4))
,
Часто выражение записывают в другом виде. Введем многочлен
степени
и вычислим его производную в точке :
Тогда получим, что
Заменяя в интеграле (3.25) функцию интерполяционным многочленом Лагранжа
, (3.27)
получим приближенную формулу (3.26) (доказать, дом. зад. №4), где
,
. (3.28)
Таким образом, формула (3.26) является квадратурной формулой интерполяционного типа тогда и только тогда, когда ее коэффициенты вычисляются по правилу (3.28).
Метод Гаусса вычисления определенных интегралов
В предыдущем параграфе предполагалось, что узлы квадратурных формул заданы заранее. Можно показать, что если использовать узлов интерполяции, то получим квадратурные формулы, точные для алгебраических многочленов степени
. Оказывается, что за счет выбора узлов можно получить квадратурные формулы, которые будут точными и для многочленов степени выше
. Рассмотрим следующую задачу: построить квадратурную формулу
, (3.29)
которая при заданном была бы точна для алгебраического многочлена возможно большей степени. Здесь для удобства изложения нумерация узлов начинается с
.
Такие квадратурные формулы существуют. Они называются формулами Гаусса. Эти формулы точны для любого алгебраического многочлена степени .
Итак, потребуем, чтобы квадратурная формула (3.29) была точна для любого алгебраического многочлена степени . Это эквивалентно требованию, чтобы формула была точна для функций
,
. Отсюда получаем условия
,
, (3.30)
которые представляют собой нелинейную систему уравнений относительно
неизвестных
.
Для того, чтобы число уравнений равнялось числу неизвестных, надо потребовать .
При рассмотрении квадратурных формул (3.29) общего вида, введем многочлен
. (3.31)
Будем полагать, что .
Теорема 1. Квадратурная формула (3.29) точна для любого многочлена степени тогда и только тогда, когда выполнены два условия:
1. Многочлен ортогонален с весом
любому многочлену
степени меньше
, т.е.
. (3.32)
2. Формула (3.29) является квадратурной формулой интерполяционного типа, т.е.
,
. (3.33)
Без доказательства.
Использование теоремы 1 существенно упрощает построение формул Гаусса.
Условие (3.32) эквивалентно требованиям
,
, (3.34)
которые представляют собой систему уравнений относительно
неизвестных
. Таким образом, для построения формул Гаусса достаточно найти узлы
из соотношений ортогональности (3.34) и затем вычислить коэффициенты
согласно (3.33).
Рассмотрим несколько частных случаев, когда решение системы (3.34) можно найти непосредственно.
Пусть ,
,
. При
получаем
и
,
,
,
.
(получить решение, дом. зад. №4).