(7.7)James Stewart Calculus 5th Edition:Approximate Integration


Approximate Integration 近似積分

黎曼求和,我們把對應的[a, b]分成n份,每份大概為 Δx = (b - a)/n
這個時候,有:



我們可以用左邊的頂點求和,為:



對應的圖像為:


或者,我們用右邊的頂點求和,為:



對應的圖像為:



當我們用中點去求近似的時候,會比左邊,右邊要更好

Midpoint Rule 中點原則

原則定義:


Trapezoidal Rule 梯形原則

原則定義:



這里,我們可以通過



化簡為上面的公式

例子

一些例子,
因為比較簡單,只是應用,這里就截個圖

例子1

這里分別用 梯形原則 , 中點原則 求值
n為5的時候,帶入即可:



對應的圖像為:


對應的 中點原則 求值,為:



對應的圖像為:


我們通過積分,求得對應的真實值為:


這個時候,我們對比一下對應的error誤差:
(Et 表示 Trapezoidal Rule 梯形原則的誤差, Em 表示 Midpoint Rule 中點原則的誤差)

根據上面的值,我們可以得到,對應的值大約為:



例子1的地方,
我們用 L 表示左頂點求值, R表示右頂點求值, T表示梯形求值, M表示中點求值
我們可以得到對應n的時候,對應的值



根據上面的近似值,可以得到對應的相對誤差E


我們可以通過表格發現,對應的 L, R, 沒有 T 和 M相對誤差小


Error Bounds 誤差范圍

對應的誤差范圍:


例子2

根據上面的公式,這里 根據



可以得到:



最后得到結果:

即:



所以, n = 41的時候, 可以滿足對應的精度。

同理, 對 Midpoint Rule 中點原則
有:



例子3

(a)我們當 a = 0,b = 1,n = 10, 和 中點原則 可以有:


(b)我們可以得到


可以求得:


根據上面的公式,可以得到:



Simpson’s Rule 辛普森法則


例子4

簡單套 Simpson’s Rule 辛普森法則 公式,



Error Bound for Simpson’s Rule


這里當2次翻倍的時候,也就是4次求導
可以得到對應的 辛普森法則, 求出 辛普森法則 的誤差范圍


例子6

這個時候,我們要對應的進度到達0.0001
我們先多次求導,可以得到:



這里因為自變量范圍是在1和2之間,所以



根據上面的公司,有不等式:

有:

即:


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