龙贝格积分公式
龙贝格求 积分
龙贝格(Romberg ）求积法1.算法理论Romberg 求积方法是以复化梯形公式为基础，应用Richardson 外推法导出的数值求积方法。
由复化梯形公式 )]()(2)([2222b f h a f a f h T +++=可以化为)]()]()([2[212112h a f h b f a f hT +++=＝)]([21211h a f h T ++一般地，把区间［a,b ］逐次分半k －1次，（k ＝1，2,……,n)区间长度（步长)为kk m a b h -=，其中mk ＝2k －1。
记k T ＝)1(k T由)1(k T ＝]))12(([21211)1(1∑=---++km j k k k h j a f h T 从而⎰badxx f )(＝)1(kT－)(''122k f h a b ξ- (1)按Richardson 外推思想，可将（1）看成关于k h ，误差为)(2k h O 的一个近似公式，因而，复化梯形公式的误差公式为⎰badxx f )(－)1(k T ＝......4221++kkh K h K ＝∑∞=12i i k i h K （2）取1+k h ＝k h 21有 ⎰ba dx x f )(－)1(1+k T ＝∑∞=+121221i ik ii hK （3）误差为)(2jh O 的误差公式 )(j kT＝)1(-j kT＋141)1(1)1(------j j k j k T T2。
误差及收敛性分析（1）误差，对复化梯形公式误差估计时，是估计出每个子区间上的误差,然后将n 个子区间上的误差相加作为整个积分区间上的误差。
(2）收敛性,记h x i =∆，由于∑=++=ni i i n x f x f h f T 01))]()([2)(＝))()((21101∑∑-==∆+∆n i ni i i i i x x f x x f上面两个累加式都是积分和，由于)(x f 在区间],[b a 上可积可知，只要],[b a 的分划的最大子区间的长度0→λ时,也即∞→n 时,它们的极限都等于积分值)(f I 。
龙贝格算法
龙贝格积分1. 算法原理采用复化求积公式计算时，为使截断误差不超过ε，需要估计被积函数高阶导数的最大值，从而确定把积分区间[]b a ,分成等长子区间的个数n 。
首先在整个区间[]b a ,上应用梯形公式，算出积分近似值T1；然后将[]b a ,分半，对 应用复化梯形公式算出T2；再将每个小区间分半，一般地，每次总是在前一次的基础上再将小区间分半，然后利用递推公式进行计算，直至相邻两个值之差小于允许误差为止。
实际计算中，常用ε≤-n n T T 2作为判别计算终止的条件。
若满足，则取n T f I 2][≈；否则将区间再分半进行计算，知道满足精度要求为止。
又经过推导可知，∑=-++=ni i i n n x x f h T T 112)2(221，在实际计算中，取kn 2=，则k a b h 2-=，112)1*2(2++--+=+k i i ab i a x x 。
所以，上式可以写为∑=++--+-+=+kk i k k ab i a f a b T T 211122)2)12((2211k开始计算时，取())()(21b f a f ab T +-=龙贝格算法是由递推算法得来的。
由梯形公式得出辛普森公式得出柯特斯公式最后得到龙贝格公式。
根据梯形法的误差公式，积分值n T 的截断误差大致与2h 成正比，因此步长减半后误差将减至四分之一，即有21114n n T T -≈-将上式移项整理，知2211()3n n n T T T -≈-由此可见，只要二分前后两个积分值n T 和2n T 相当接近，就可以保证计算保证结果计算结果2n T 的误差很小，这种直接用计算结果来估计误差的方法称作误差的事后估计法。
按上式，积分值2n T 的误差大致等于21()3n n T T -，如果用这个误差值作为2n T 的一种补偿，可以期望，所得的()222141333n n n n n T T T T T T =+-=-应当是更好的结果。
4.4龙贝格求积公式
4 1 T1 ( k 1) T0 ( k ) T0 ( k 1) 3 3 16 1 T2 ( k 1) T1 ( k ) T1 ( k 1) 15 15 64 1 T3 ( k 1) T2 ( k ) T2 ( k 1) 63 63
k 1, 2 ,
1 h n1 Tn f ( x 1 ) j 2 2 j 0 2 1 b a n 1 1 Tn f (a ( j )h) 2 2n j 0 2 1 b a n 1 ba Tn f ( a ( 2 j 1) ) 2 2 n j 0 2n
Romberg算法的代 数精度为m的两倍 Romberg算法的收敛 阶高达m+1的两倍
T0 (0 ) T0 (1) T0 ( 2 ) T0 ( 3) T1 (0 ) T1 (1) T1 ( 2 ) T2 (0 ) T2 (1)
T3 (0 )
龙贝格积分
例：计算
I T2n 1 I Tn 4
令
--------(7)
即 当然
Cn C2 k 1 T2 (k 1) C 2 n T2 (k )
--------(8)
同样由复合Cotes公式的余项
I C2 n 1 (C2 n Cn ) 63
64 1 64 1 得 I C2 n Cn T2 ( k ) T2 ( k 1) 63 63 63 63
43 C 2n C n Rn 3 4 1
Romberg
T1 = T0( 0 )
T2 = T0( 1 )
<?
算法： T4 = T0( 2 )
T8 = T0
(3)
S1 = T1( 0 ) S2 = T1
计算方法用龙贝格计算数值积分的值
2第二题
求数值积分精确到。
解：该题可以用复合T型求积公式、复合Simpson求积公式、龙贝格（Romberg）公式来做。
复合T型求积公式、复合Simpson公式要自己设步长。
我采用的是龙贝格公式来算：
2.1用龙贝格公式进行计算
依题意得：
（1）a=-1，b=1;令，
求得：
（2）计算初始值：
（3）将积分区间[a,b]二分一次计算梯形值：
（4）鉴于理论分析表明梯形值T（h）具有如下误差渐进展开式
其中，诸，无关。
将步骤（2）、（3）的梯形值外推一次得逼近值.
（5）再将区间[a,b]二分二次计算梯形值：
(6将、外推一次得逼近值：
（7）进一步将、外推一次得逼近值：
（8）依据公式
得到：
重复上述步骤即可获得系列逼近值：
由于已达到预定精度，故取.。
数值分析63 复化求积公式龙贝格求积公式讲解
只增加了一个分点
1 xk?1/ 2 ? 2 ( xk ? xk?1)
设hn=(b? a)/n, xk=a+kh n (k=0,1,? ,n),在[xk, xk+1] 上用梯形公式得
T1 ?
hn 2
?f
(
xk
)
?
f ? ( xk ? 1 )
复化求积的基本想法 :
将积分区间 [a, b]n等分, 步长
h?
b
? n
a
,
分点为
xk=a+kh (k=0,1,…,n) , 则由定积分性质知
? ? ? I ?
b
n?1
f ( x )dx ?
xk?1 f ( x )d x
a
k ? 0 xk
每个子区间 上的积分
?xk?1 f ( x )dx xk
用低阶求积公式 , 然后把所有区间的 计算结果求和 ,
注2: 同样也可用 | S4m-S2m |<ε 来控制计算的精度 . 这就是下面要介绍的 龙贝格求 积公式 .
6.4 龙贝格求积公式
6.4.1 梯形公式的递推化
复化求积方法可提高求积精度，实际计算时若
精度不够可将步长逐次分半 . 设将区间 [a, b]分为n等
分，共有 n+1个分点，如果将求积区间再分一次，则 分点增至 2n+1个，我们将二分 前后两个积分值 联系
果T8=0.9456909 只有2位有效数字，而应用复化辛普 森公式计算的结果 S4= 0.9460832 却有6位有效数字 .
注：为了利用余项公式估计误差，要求 f(x)=sin x/x 的高阶导数，由于
6b复合求积公式龙贝格算法
步长折半：[xi , xi+1/2] ， [xi +1/2 , xi+1]
n1
xi xi +1/2 xi +1
h T2 n f ( xi ) f ( xi 1 2 ) f ( xi 1 2 ) f ( xi 1 ) i 0 4 n1 h f ( xi ) 2 f ( xi 1 2 ) f ( xi 1 ) i 0 4 h n1 h n1 1 h n1 f ( xi ) f ( xi 1 ) f ( xi 1 2 ) Tn f ( xi 1 2 ) 4 i 0 2 i 0 2 2 i 0 13
1 I T2 n (T2 n Tn ) 3
I Tn 4( I T2n )
3I 4T2n Tn
1 3
验后误差估计式 I T2 n (T2 n Tn )
当
T2n Tn 时，T2n即为所求的近似值。
1 (T2 n Tn ) 3
是T2n 的修正项，它与T2n 之和比T2n 、 Tn更接近与真值，即它是一种补偿。
|| T T2-T|< 2-T1|<
输出T2
16
举例
计算精度满足 | T2n Tn | 107
I [ f ]=0.946083070367
例：用梯形法的递推公式计算定积分 解：
1
0
sin( x ) dx , 要求 x
k
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
T (k)
梯形法递推公式
1 h n1 1 h n1 T2 n Tn f ( xi 1 2 ) Tn f ( a ih 0.5h) 2 2 i 0 2 2 i 0
龙贝格求积公式
Romberg积分公式正是由此思想产生 积分公式正是由此思想产生
类似于梯形加速公式的处理方法，得到： 类似于梯形加速公式的处理方法，得到： 加速公式的处理方法
2 1 4 S2 n − Sn I ≈ S2 n + 2 ( S2 n − Sn ) = 2 4 −1 4 −1 2 4 S2 n − Sn Simpson加速公式： C n = 加速公式 加速公式： 2 4 −1 3 1 4 C2n − Cn I ≈ C 2 n + 3 (C 2 n − C n ) = 3 4 −1 4 −1
求出f(1/4)
f(3/4) 进而求得
T4=1/2{T2+1/2[f(1/4)+f(3/4)]} =3.131176471 S2=1/3(4T4-T2)=3.141568628 C1=1/15(16S2-S1)=3.142117648 计算f(1/8) f(3/8) f(5/8) f(7/8)进而求得 T8=1/2{T4+1/4[f(1/8)+f(3/8)+f(5/8)+f(7/8)]} =3.138988495 S4=1/3(4T3-T4)=3.141592503 C2=1/15(16S4-S2)=3.141594095 R1=1/63(64C2-C1)=3.141585784
梯形值序列
4个积分值序列： 个积分值序列： 个积分值序列
T2k
S 2k =
C 2k =
4T2k +1 − T2k 4 −1 2 4 S2k +1 − S2k
4 −1
2
2k
2k 2k
R2k =
4 C 2k +1 − C 2k
3
4 −1
3
9-3-4s外推法与龙贝格求积公式
h2 = 1
⎧T1, 0 = ( h / 2 )[ f ( a ) + f ( b )], h = b − a ⎪ ⎨ T m , k +1 − T m , k , ⎪T m + 1, k = T m , k + 1 + 4m −1 ⎩
例题2 利用Romberg序列，近似计算 若T1,0=4, T2,0=5,求f (0.5).
1
3
x
cos xdx
使精度达到10-6.
引言
n+1个节点的插值求积公式
（一）定理：
n k =0
∫
b
a
f ( x) dx ≈ ∑ Ak f ( xk )
n+1个节点的插值型求积公式 ∫ ρ ( x ) f ( x ) dx ≈ a 代数精度最高不超过2n+1次。
b
∑A
k =0
n
k
f ( xk )
的
P261
Romberg方法计算
∫ f ( x)dx 步骤如下：
b a
（1）构造复合梯形序列{T1, k},k=0,1,…, 定义
T1,0= T1 =h0[f(a)+f(b)] /2
T1,k = T 2k , hk =
b−a 2k
h0=b-a
T1,1= T2 = (h1/2)[f(a)+f(b)+2f(a+h1)]=1/2[T1,0 +h0 f(a+h1)] , h1=(b-a)/2 T1,2 = T4 =(1/2){T1,1 +h1 [f(a+h2)+ f(a+3h2)] } , h2=(b-a)/4 ················
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
龙贝格积分公式
龙贝格积分公式，是数学中常见的一种积分方法。
它通过分割区间，将被积函数转化为$Polynomial$（多项式）的形式，并通过加权平均的方式求出积分值。
这种方法被广泛应用于科学计算领域，如物理、化学等。
龙贝格积分公式是从重复使用$Simpson$和$Mid-point$公式推导而来的。
该公式基于分治思想，将整个区间分成若干个子区间，并对每个子区间进行逐层递推，最终得出整个区间的积分值。
在推导龙贝格积分公式时，需要利用“函数逼近”的思想，即将被积函数转化为多项式的形式。
这样可以大大简化计算，减小误差，并提高计算精度。
公式的具体计算过程如下：
假设被积函数为$f(x)$，积分区间为$[a,b]$，将积分区间均分成$2^n$个小区间，在每个小区间上做$Simpson$公式近似积分，得到$S_{2^n}$，即：
$$S_{2^n}=\frac{4^nS_{2^{n-1}}-S_{2^{n-1}}}{4^n-1}$$
其中，$S_{2^n}$为$n$级逼近值，$S_{2^{n-1}}$为$n-1$级逼近值。
根据上式，可得$S_{2^1}$，然后再计算$S_{2^2}$，$S_{2^3}$，以此类推，递归地计算$n$级逼近值，直到计算所得值与精确值的差别小于预先设定的精度要求为止。
龙贝格积分公式没有强制要求$f(x)$连续可微，又由于是基于函数逼近的方式进行积分，精度高且计算速度快，因此被广泛应用。
总之，龙贝格积分公式是一种有效的求解复杂积分问题的方法，在处理高维积分时，具有更大的优势。