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22 分钟
Chapter7:数值微分与数值积分
2026-06-14
2026-06-18

概述#

这一章研究两个问题:

  1. 已知函数在若干点的函数值,如何近似计算导数;
  2. 定积分难以直接求出时,如何用有限次函数求值近似积分。

二者采用同一条基本路线:

先用简单函数近似原函数,再对简单函数求导或积分。

本章课堂重点如下:

  • 向前差商、向后差商、中心差商及其误差阶;
  • 数值微分中截断误差与舍入误差的平衡;
  • 插值型求积公式与 Newton-Cotes 公式;
  • 梯形公式、Simpson 公式及代数精度;
  • 复化求积的基本思想;
  • 高斯型求积公式、最高代数精度及 Gauss-Legendre 公式的使用。
WARNING

教学范围判断

根据两次课的课件和录音,以下内容未形成课堂教学内容,可以不纳入本章复习重点:

  • 教材 7.1.2 插值型求导公式;
  • 教材 7.1.3 利用样条函数求数值微分;
  • 复化求积中的逐次分半算法;
  • Romberg 求积公式;
  • 各类误差定理的长篇严格证明。

老师明确说明:逐次分半、Richardson 外推和 Romberg 求积均已跳过,考试不会出现。

高斯型求积是课堂重点。其完整内容虽未出现在当前提供的教材 PDF 页面中,仍属于教学与考试范围。


目录#


数值微分#

差商近似的基本思想#

导数的定义为

f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h.f'(x)=\lim_{h\to 0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h}.

在数值计算中,无法真正令 h=0h=0。因此选取一个较小的非零步长 hh,用有限差商近似导数。

数值微分常见于以下情形:

  • 只掌握离散观测数据;
  • 函数表达式复杂,解析求导代价很高;
  • 函数由程序、实验或数值模型给出,只能计算函数值。

图片占位:插入 lesson12 手写 PPT 中“割线斜率逼近切线斜率”的示意图,并标出 x−hx-h、xx、x+hx+h。

向前差商#

向前差商使用 xx 与 x+hx+h 两点:

D+f(x)=f(x+h)−f(x)h.D_+f(x)=\frac{f(x+h)-f(x)}{h}.

由 Taylor 展开,

f(x+h)=f(x)+hf′(x)+h22f′′(ξ),ξ∈(x,x+h).f(x+h)=f(x)+hf'(x)+\frac{h^2}{2}f''(\xi), \qquad \xi\in(x,x+h).

两边整理得

f′(x)=f(x+h)−f(x)h−h2f′′(ξ).f'(x)=\frac{f(x+h)-f(x)}{h}-\frac{h}{2}f''(\xi).

因此

D+f(x)=f′(x)+O(h).D_+f(x)=f'(x)+O(h).

向前差商是一阶精度公式,其截断误差与 hh 同阶。

向后差商#

向后差商使用 x−hx-h 与 xx 两点:

D−f(x)=f(x)−f(x−h)h.D_-f(x)=\frac{f(x)-f(x-h)}{h}.

由 Taylor 展开,

f(x−h)=f(x)−hf′(x)+h22f′′(ξ),ξ∈(x−h,x).f(x-h)=f(x)-hf'(x)+\frac{h^2}{2}f''(\xi), \qquad \xi\in(x-h,x).

于是

f′(x)=f(x)−f(x−h)h+h2f′′(ξ),f'(x)=\frac{f(x)-f(x-h)}{h}+\frac{h}{2}f''(\xi),

从而

D−f(x)=f′(x)+O(h).D_-f(x)=f'(x)+O(h).

向后差商同样是一阶精度公式。

中心差商#

中心差商使用关于 xx 对称的两个点:

D0f(x)=f(x+h)−f(x−h)2h.D_0f(x)=\frac{f(x+h)-f(x-h)}{2h}.

分别在 xx 点展开:

f(x+h)=f(x)+hf′(x)+h22f′′(x)+h36f′′′(ξ1),f(x+h) =f(x)+hf'(x)+\frac{h^2}{2}f''(x) +\frac{h^3}{6}f'''(\xi_1),f(x−h)=f(x)−hf′(x)+h22f′′(x)−h36f′′′(ξ2).f(x-h) =f(x)-hf'(x)+\frac{h^2}{2}f''(x) -\frac{h^3}{6}f'''(\xi_2).

两式相减后,常数项和偶次项相互抵消,得到

f(x+h)−f(x−h)2h=f′(x)+O(h2).\frac{f(x+h)-f(x-h)}{2h} =f'(x)+O(h^2).

更具体地,可写成

f′(x)=f(x+h)−f(x−h)2h−h26f′′′(ξ),f'(x) =\frac{f(x+h)-f(x-h)}{2h} -\frac{h^2}{6}f'''(\xi),

其中 ξ∈(x−h,x+h)\xi\in(x-h,x+h)。

因此中心差商是二阶精度公式。

TIP

中心差商精度更高的关键在于节点关于 xx 对称。Taylor 展开中的偶次项会在相减时抵消,使主误差从 O(h)O(h) 降到 O(h2)O(h^2)。

三种差商的比较#

方法公式截断误差阶适用位置
向前差商f(x+h)−f(x)h\dfrac{f(x+h)-f(x)}{h}O(h)O(h)左端点或只能获得右侧数据时
向后差商f(x)−f(x−h)h\dfrac{f(x)-f(x-h)}{h}O(h)O(h)右端点或只能获得左侧数据时
中心差商f(x+h)−f(x−h)2h\dfrac{f(x+h)-f(x-h)}{2h}O(h2)O(h^2)区间内部,左右数据均可获得时

在相同步长下,中心差商通常优于单边差商。

步长为什么不能无限减小#

从截断误差看,hh 越小,差商越接近导数定义中的极限。然而计算机使用有限精度浮点数,hh 很小时会出现两个问题:

  1. f(x+h)f(x+h) 与 f(x−h)f(x-h) 非常接近,相减时发生有效数字消失;
  2. 函数值中的舍入误差会被分母 hh 放大。

设计算机得到的函数值为

f~(x)=f(x)+e(x),∣e(x)∣≤ε.\widetilde f(x)=f(x)+e(x), \qquad |e(x)|\le \varepsilon.

用计算函数值形成中心差商:

D~0f(x)=f~(x+h)−f~(x−h)2h.\widetilde D_0f(x) =\frac{\widetilde f(x+h)-\widetilde f(x-h)}{2h}.

由误差传播可得

∣D~0f(x)−D0f(x)∣≤∣e(x+h)∣+∣e(x−h)∣2h≤εh.|\widetilde D_0f(x)-D_0f(x)| \le \frac{|e(x+h)|+|e(x-h)|}{2h} \le \frac{\varepsilon}{h}.

因此:

  • 截断误差约为 O(h2)O(h^2),随 hh 减小而下降;
  • 舍入误差约为 O(ε/h)O(\varepsilon/h),随 hh 减小而上升。

图片占位:插入 lesson12 手写 PPT 中“总误差随步长 hh 先减小后增大”的示意图。横轴为 hh,纵轴为误差,标出截断误差、舍入误差和总误差。

WARNING

数值微分中,步长 hh 存在合理尺度。直接把 hh 设得极小,结果可能更差。

中心差商的最优步长#

假设在相关区间内

∣f′′′(x)∣≤M,|f'''(x)|\le M,

则中心差商的总误差可估计为

E(h)≤M6h2+εh.E(h)\le \frac{M}{6}h^2+\frac{\varepsilon}{h}.

对右侧关于 hh 求极小值:

ddh(M6h2+εh)=M3h−εh2=0.\frac{\mathrm d}{\mathrm dh} \left(\frac{M}{6}h^2+\frac{\varepsilon}{h}\right) =\frac{M}{3}h-\frac{\varepsilon}{h^2}=0.

因此

hopt=(3εM)1/3.h_{\mathrm{opt}} =\left(\frac{3\varepsilon}{M}\right)^{1/3}.

课堂中以双精度机器精度 ε≈2.22×10−16\varepsilon\approx 2.22\times10^{-16} 为量级说明:若 M≈1M\approx1,合理步长通常约为 10−510^{-5},远大于机器精度本身。

NOTE

实际计算中 MM 往往未知,上式主要用于说明原则:高阶差商公式仍需平衡截断误差与舍入误差。


数值积分的基本思想#

设

I(f)=∫abf(x) dx.I(f)=\int_a^b f(x)\,\mathrm dx.

数值积分希望构造

I(f)≈In(f)=∑k=0nAkf(xk).I(f)\approx I_n(f) =\sum_{k=0}^{n}A_kf(x_k).

其中:

  • xkx_k 为求积节点;
  • AkA_k 为求积系数或权重;
  • 每个节点只需计算一次函数值。

插值型求积公式#

在节点

x0,x1,…,xnx_0,x_1,\ldots,x_n

上对 f(x)f(x) 作 Lagrange 插值:

Ln(x)=∑k=0nlk(x)f(xk),L_n(x)=\sum_{k=0}^{n}l_k(x)f(x_k),

其中

lk(x)=∏j=0,j≠knx−xjxk−xj.l_k(x)=\prod_{j=0,j\ne k}^{n} \frac{x-x_j}{x_k-x_j}.

用插值多项式代替原函数并积分:

∫abf(x) dx≈∫abLn(x) dx.\int_a^b f(x)\,\mathrm dx \approx \int_a^b L_n(x)\,\mathrm dx.

于是

In(f)=∫ab∑k=0nlk(x)f(xk) dx=∑k=0n[∫ablk(x) dx]f(xk).\begin{aligned} I_n(f) &=\int_a^b\sum_{k=0}^{n}l_k(x)f(x_k)\,\mathrm dx\\ &=\sum_{k=0}^{n} \left[\int_a^b l_k(x)\,\mathrm dx\right]f(x_k). \end{aligned}

定义

Ak=∫ablk(x) dx,A_k=\int_a^b l_k(x)\,\mathrm dx,

便得到插值型求积公式

In(f)=∑k=0nAkf(xk).I_n(f)=\sum_{k=0}^{n}A_kf(x_k).

图片占位:插入“用插值多项式曲线下的面积近似原函数曲线下面积”的示意图。

求积公式的两个核心要素#

看到任何求积公式时,应先回答两个问题:

  1. 在哪些节点 xkx_k 上计算函数值?
  2. 每个函数值前的权重 AkA_k 是多少?

不同的节点选择和权重选择构成不同的求积公式。

求积余项#

定义求积误差

Rn(f)=I(f)−In(f).R_n(f)=I(f)-I_n(f).

对于插值型求积公式,

Rn(f)=∫ab[f(x)−Ln(x)] dx.R_n(f) =\int_a^b\left[f(x)-L_n(x)\right]\,\mathrm dx.

利用插值余项,形式上可写为

Rn(f)=∫abf(n+1)(ξx)(n+1)!ωn+1(x) dx,R_n(f) =\int_a^b \frac{f^{(n+1)}(\xi_x)}{(n+1)!} \omega_{n+1}(x)\,\mathrm dx,

其中

ωn+1(x)=∏k=0n(x−xk).\omega_{n+1}(x)=\prod_{k=0}^{n}(x-x_k).

课堂要求以理解误差来源为主,无需掌握复杂余项定理的严格证明。


Newton-Cotes 求积公式#

等距节点#

Newton-Cotes 公式选择等距节点:

xk=a+kh,k=0,1,…,n,x_k=a+kh, \qquad k=0,1,\ldots,n,

其中

h=b−an.h=\frac{b-a}{n}.

将这些节点代入插值型求积公式,可写成

∫abf(x) dx≈(b−a)∑k=0nCk(n)f(xk).\int_a^b f(x)\,\mathrm dx \approx (b-a)\sum_{k=0}^{n}C_k^{(n)}f(x_k).

Ck(n)C_k^{(n)} 称为 Cotes 系数。

TIP

实际计算时直接查 Newton-Cotes 系数表。课堂不要求每次重新积分 Lagrange 基函数求出系数。

梯形公式#

当 n=1n=1 时,只使用端点 a,ba,b,以一次插值多项式代替 f(x)f(x):

T(f)=b−a2[f(a)+f(b)].T(f)=\frac{b-a}{2}\left[f(a)+f(b)\right].

几何上相当于用梯形面积近似曲线下面积。

其误差为

RT(f)=−(b−a)312f′′(ξ),ξ∈(a,b).R_T(f) =-\frac{(b-a)^3}{12}f''(\xi), \qquad \xi\in(a,b).

梯形公式对一次及以下多项式精确成立,代数精度为 1。

Simpson 公式#

当 n=2n=2 时,取

x0=a,x1=a+b2,x2=b.x_0=a, \qquad x_1=\frac{a+b}{2}, \qquad x_2=b.

用二次插值多项式代替 f(x)f(x),得到

S(f)=b−a6[f(a)+4f(a+b2)+f(b)].S(f) =\frac{b-a}{6} \left[ f(a)+4f\left(\frac{a+b}{2}\right)+f(b) \right].

该公式又称抛物线公式。

其误差为

RS(f)=−(b−a)52880f(4)(ξ),ξ∈(a,b).R_S(f) =-\frac{(b-a)^5}{2880}f^{(4)}(\xi), \qquad \xi\in(a,b).

Simpson 公式由二次插值得到,却能对三次多项式精确积分,因此代数精度为 3。

高阶 Newton-Cotes 公式的局限#

理论上可继续增加等距节点并提高插值次数,但课堂强调:

  • Newton-Cotes 表通常只列到 n=7n=7;
  • 高次等距插值容易出现数值不稳定;
  • 高阶权重可能出现较大的正负交替;
  • 问题根源来自高次等距多项式插值。

当精度不足时,更合理的做法是:

  1. 将区间分成多个较短的子区间;
  2. 每个子区间使用低阶稳定公式;
  3. 利用积分可加性将结果相加。

这便得到复化求积公式。


代数精度#

定义#

若求积公式

In(f)=∑kAkf(xk)I_n(f)=\sum_k A_kf(x_k)

对所有次数不超过 mm 的多项式均精确成立,而对某个 m+1m+1 次多项式不再精确,则称该求积公式具有 mm 次代数精度。

WARNING

代数精度描述公式能精确积分到多少次多项式,与某次具体计算得到几位有效数字属于不同概念。

判断方法#

由于

1,x,x2,…,xm1,x,x^2,\ldots,x^m

构成 mm 次及以下多项式空间的一组基,只需依次检验

∫abxj dx=?∑kAkxkj,j=0,1,2,…\int_a^b x^j\,\mathrm dx \overset{?}{=} \sum_k A_kx_k^j, \qquad j=0,1,2,\ldots

即可判断代数精度。

第一个不成立的次数减 1,即为该公式的代数精度。

Newton-Cotes 公式的代数精度#

闭型 Newton-Cotes 公式使用 n+1n+1 个节点,其规律为:

  • nn 为奇数时,代数精度为 nn;
  • nn 为偶数时,代数精度提升到 n+1n+1。

例如:

  • 梯形公式:n=1n=1,代数精度为 1;
  • Simpson 公式:n=2n=2,代数精度为 3。

偶数阶 Newton-Cotes 公式多出一阶精度,来源于节点对称性造成的额外误差抵消。


复化求积公式#

复化思想#

若在整个 [a,b][a,b] 上直接使用高次插值不稳定,可将区间划分为

a=x0<x1<⋯<xn=b,a=x_0<x_1<\cdots<x_n=b,

再在每个小区间上使用低阶求积公式:

∫abf(x) dx=∑k=0n−1∫xkxk+1f(x) dx.\int_a^b f(x)\,\mathrm dx = \sum_{k=0}^{n-1} \int_{x_k}^{x_{k+1}}f(x)\,\mathrm dx.

图片占位:插入 lesson13 手写 PPT 中“把区间切分为多个小区间,并在每个小区间分别使用梯形或抛物线公式”的示意图。

复化公式的优势:

  • 每个子区间只用低次插值,稳定性较好;
  • 增加子区间即可逐步提高精度;
  • 容易写成循环程序。

复化梯形公式#

令

h=b−an,xk=a+kh.h=\frac{b-a}{n}, \qquad x_k=a+kh.

在每个 [xk,xk+1][x_k,x_{k+1}] 上使用梯形公式并相加:

Tn(f)=h[12f(x0)+∑k=1n−1f(xk)+12f(xn)].T_n(f) =h\left[ \frac12f(x_0) +\sum_{k=1}^{n-1}f(x_k) +\frac12f(x_n) \right].

误差为

RTn(f)=−b−a12h2f′′(ξ),ξ∈(a,b).R_{T_n}(f) =-\frac{b-a}{12}h^2f''(\xi), \qquad \xi\in(a,b).

因此复化梯形公式具有二阶收敛速度:hh 减半时,截断误差约缩小为原来的 1/41/4。

复化 Simpson 公式#

要求将区间分成偶数个小区间,即 nn 为偶数:

h=b−an.h=\frac{b-a}{n}.

每相邻两个小区间为一组,使用一次 Simpson 公式:

Sn(f)=h3[f(x0)+f(xn)+4∑k=1k 为奇数n−1f(xk)+2∑k=2k 为偶数n−2f(xk)].S_n(f) =\frac{h}{3} \left[ f(x_0)+f(x_n) +4\sum_{\substack{k=1\\k\text{ 为奇数}}}^{n-1}f(x_k) +2\sum_{\substack{k=2\\k\text{ 为偶数}}}^{n-2}f(x_k) \right].

其权重规律为

1,4,2,4,2,…,4,1.1,4,2,4,2,\ldots,4,1.

误差为

RSn(f)=−b−a180h4f(4)(ξ),ξ∈(a,b).R_{S_n}(f) =-\frac{b-a}{180}h^4f^{(4)}(\xi), \qquad \xi\in(a,b).

因此复化 Simpson 公式具有四阶收敛速度。

TIP

课堂指出,实际工作中最常用的等距复化公式通常是复化 Simpson 公式。每三个相邻节点构成一组,分别作抛物线积分后相加。


高斯型求积公式#

问题形式#

考虑带权积分

I(f)=∫abρ(x)f(x) dx,I(f)=\int_a^b\rho(x)f(x)\,\mathrm dx,

其中

ρ(x)≥0\rho(x)\ge0

称为权函数。

高斯型求积公式写成

I(f)≈Gn(f)=∑k=1nAkf(xk).I(f) \approx G_n(f) =\sum_{k=1}^{n}A_kf(x_k).

Newton-Cotes 公式预先固定等距节点,高斯型求积同时选择:

  • 求积节点 xkx_k;
  • 求积权重 AkA_k。

目标是在只计算 nn 次函数值的条件下,使代数精度尽可能高。

权函数的作用与积分区间有关。例如在无穷区间上,适当权函数可保证积分收敛。当前课程中可先将 ρ(x)=1\rho(x)=1 理解为普通定积分。

最高代数精度#

nn 点高斯型求积公式中,共有

  • nn 个节点 x1,…,xnx_1,\ldots,x_n;
  • nn 个权重 A1,…,AnA_1,\ldots,A_n。

总计 2n2n 个待定参数。

若要求公式对

1,x,x2,…,xm1,x,x^2,\ldots,x^m

均精确成立,则需要满足 m+1m+1 个条件。达到极限时

m+1=2n,m+1=2n,

因此

mmax⁡=2n−1.\boxed{m_{\max}=2n-1}.

即 nn 点高斯型求积公式的最高代数精度为 2n−12n-1。

  • 1 个高斯点最高可达到 1 次代数精度;
  • 2 个高斯点最高可达到 3 次代数精度;
  • 3 个高斯点最高可达到 5 次代数精度。

若要精确积分四次多项式,至少需要 3 个高斯点。

老师说明:考试不要求从高斯方程组严格证明 2n−12n-1,但应理解“函数求值次数少、代数精度高”的意义。

矩条件与高斯方程组#

定义权函数的矩

μj=∫abρ(x)xj dx.\mu_j=\int_a^b\rho(x)x^j\,\mathrm dx.

要求公式对 xjx^j 精确,得到

∑k=1nAkxkj=μj,j=0,1,…,2n−1.\sum_{k=1}^{n}A_kx_k^j=\mu_j, \qquad j=0,1,\ldots,2n-1.

展开为

{A1+A2+⋯+An=μ0,A1x1+A2x2+⋯+Anxn=μ1,⋮A1x12n−1+A2x22n−1+⋯+Anxn2n−1=μ2n−1.\begin{cases} A_1+A_2+\cdots+A_n=\mu_0,\\ A_1x_1+A_2x_2+\cdots+A_nx_n=\mu_1,\\ \qquad\vdots\\ A_1x_1^{2n-1}+A_2x_2^{2n-1}+\cdots+A_nx_n^{2n-1}=\mu_{2n-1}. \end{cases}

这是关于 AkA_k 和 xkx_k 的非线性方程组,课堂称其为高斯方程组。

直接求解小规模高斯方程组可行,但一般情况下计算复杂。正交多项式提供了更清晰的构造方法。

正交多项式为什么会出现#

令

ωn(x)=∏k=1n(x−xk).\omega_n(x)=\prod_{k=1}^{n}(x-x_k).

任意 p2n−1(x)∈P2n−1p_{2n-1}(x)\in P_{2n-1} 均可通过多项式除法唯一表示成

p2n−1(x)=ωn(x)qn−1(x)+rn−1(x),p_{2n-1}(x) =\omega_n(x)q_{n-1}(x)+r_{n-1}(x),

其中

qn−1,rn−1∈Pn−1.q_{n-1},r_{n-1}\in P_{n-1}.

于是

∫abρ(x)p2n−1(x) dx=∫abρ(x)ωn(x)qn−1(x) dx+∫abρ(x)rn−1(x) dx.\int_a^b\rho(x)p_{2n-1}(x)\,\mathrm dx = \int_a^b\rho(x)\omega_n(x)q_{n-1}(x)\,\mathrm dx + \int_a^b\rho(x)r_{n-1}(x)\,\mathrm dx.

若选择 ωn\omega_n 满足

∫abρ(x)ωn(x)q(x) dx=0,∀q∈Pn−1,\int_a^b\rho(x)\omega_n(x)q(x)\,\mathrm dx=0, \qquad \forall q\in P_{n-1},

则第一项完全消失。

这意味着 ωn\omega_n 应当取为关于权函数 ρ(x)\rho(x) 的 nn 次正交多项式。

剩余的 rn−1(x)r_{n-1}(x) 只有 n−1n-1 次,使用 nn 个节点作插值型求积即可精确积分。

图片占位:插入 lesson13 手写 PPT 中“p2n−1=ωnqn−1+rn−1p_{2n-1}=\omega_nq_{n-1}+r_{n-1},利用正交性消去第一项”的推导图。

高斯节点#

设 ωn(x)\omega_n(x) 是对应权函数和区间上的 nn 次正交多项式。高斯节点取为它的全部零点:

ωn(xk)=0,k=1,2,…,n.\omega_n(x_k)=0, \qquad k=1,2,\ldots,n.

正交多项式的零点具有以下性质:

  • 全部为实数;
  • 全部为单根;
  • 全部位于积分区间内部。

因此高斯求积点可以稳定地取为这 nn 个零点。

TIP

高斯节点的核心记忆:

节点 = 对应 nn 次正交多项式的全部零点。

高斯求积系数#

确定节点后,对 rn−1(x)r_{n-1}(x) 使用 Lagrange 插值。相应基函数可写成

lk(x)=ωn(x)(x−xk)ωn′(xk).l_k(x) =\frac{\omega_n(x)}{(x-x_k)\omega_n'(x_k)}.

因此高斯权重为

Ak=∫abρ(x)lk(x) dx=∫abρ(x)ωn(x)(x−xk)ωn′(xk) dx.A_k =\int_a^b\rho(x)l_k(x)\,\mathrm dx =\int_a^b \rho(x) \frac{\omega_n(x)}{(x-x_k)\omega_n'(x_k)} \,\mathrm dx.

实际计算中,节点和权重通常直接查表,无需现场推导。

Gauss-Legendre 求积公式#

最常用的情形为

[a,b]=[−1,1],ρ(x)=1.[a,b]=[-1,1], \qquad \rho(x)=1.

对应的正交多项式为 Legendre 多项式,所得公式称为 Gauss-Legendre 求积公式:

∫−11f(x) dx≈∑k=1nAkf(xk).\int_{-1}^{1}f(x)\,\mathrm dx \approx \sum_{k=1}^{n}A_kf(x_k).

常用低阶节点和权重如下。

1 点公式#

x1=0,A1=2.x_1=0, \qquad A_1=2.

因此

∫−11f(x) dx≈2f(0).\int_{-1}^{1}f(x)\,\mathrm dx \approx 2f(0).

2 点公式#

x1,2=±13,A1=A2=1.x_{1,2}=\pm\frac{1}{\sqrt3}, \qquad A_1=A_2=1.

因此

∫−11f(x) dx≈f(−13)+f(13).\int_{-1}^{1}f(x)\,\mathrm dx \approx f\left(-\frac1{\sqrt3}\right) +f\left(\frac1{\sqrt3}\right).

3 点公式#

x1=−35,x2=0,x3=35,x_1=-\sqrt{\frac35}, \qquad x_2=0, \qquad x_3=\sqrt{\frac35},A1=A3=59,A2=89.A_1=A_3=\frac59, \qquad A_2=\frac89.

因此

∫−11f(x) dx≈59f(−35)+89f(0)+59f(35).\int_{-1}^{1}f(x)\,\mathrm dx \approx \frac59f\left(-\sqrt{\frac35}\right) +\frac89f(0) +\frac59f\left(\sqrt{\frac35}\right).
NOTE

考试会提供类似教材表 7.4 的高斯积分表。重点在于识别积分类型、选择点数、正确查表和完成区间变换。

区间变换#

高斯表通常针对标准区间 [−1,1][-1,1]。对于一般区间 [a,b][a,b],令

x=a+b2+b−a2t,−1≤t≤1.x=\frac{a+b}{2}+\frac{b-a}{2}t, \qquad -1\le t\le1.

则

dx=b−a2 dt.\mathrm dx=\frac{b-a}{2}\,\mathrm dt.

因此

∫abf(x) dx=b−a2∫−11f(a+b2+b−a2t) dt.\int_a^b f(x)\,\mathrm dx = \frac{b-a}{2} \int_{-1}^{1} f\left( \frac{a+b}{2}+\frac{b-a}{2}t \right)\,\mathrm dt.

使用 nn 点 Gauss-Legendre 公式:

∫abf(x) dx≈b−a2∑k=1nAkf(a+b2+b−a2tk)\boxed{ \int_a^b f(x)\,\mathrm dx \approx \frac{b-a}{2} \sum_{k=1}^{n}A_k f\left( \frac{a+b}{2}+\frac{b-a}{2}t_k \right) }

其中 tk,Akt_k,A_k 从 [−1,1][-1,1] 的 Gauss-Legendre 表中查得。

课堂所说的 [0,2][0,2] 区间变换

令

x=1+t,dx=dt.x=1+t, \qquad \mathrm dx=\mathrm dt.

则

∫02f(x) dx=∫−11f(1+t) dt.\int_0^2 f(x)\,\mathrm dx = \int_{-1}^{1}f(1+t)\,\mathrm dt.

若使用 nn 点 Gauss-Legendre 公式,只需查出 tk,Akt_k,A_k,再计算

∑k=1nAkf(1+tk).\sum_{k=1}^{n}A_kf(1+t_k).

查表题的标准流程#

类似教材例 7.10、例 7.11 的题型按以下步骤完成:

  1. 识别积分区间和权函数:判断采用哪一类高斯公式;

  2. 确定点数 nn:由题目指定,或根据目标代数精度选择;

  3. 变换到标准区间:常见为 [a,b]→[−1,1][a,b]\to[-1,1];

  4. 查表读取节点和权重:记录 tk,Akt_k,A_k;

  5. 把节点映射回原变量:

    xk=a+b2+b−a2tk;x_k=\frac{a+b}{2}+\frac{b-a}{2}t_k;
  6. 代入求和:

    I(f)≈b−a2∑k=1nAkf(xk).I(f)\approx\frac{b-a}{2}\sum_{k=1}^{n}A_kf(x_k).
WARNING

老师明确说明:类似例 7.10、例 7.11 的高斯积分查表与区间变换题会作为大题出现。节点、权重无需手算,使用方法必须掌握。


本章方法的关系#

数值微分和数值积分都建立在函数近似之上:

离散函数值
↓
构造局部或整体近似
├─ 差商 / Taylor 展开 → 数值微分
└─ 插值多项式 → 数值积分

数值积分内部又形成以下层次:

插值型求积公式
├─ 节点固定为等距节点
│ → Newton-Cotes
│ → 梯形 / Simpson
│ → 区间细分后得到复化公式
│
└─ 节点与权重同时优化
→ 高斯型求积
→ n 个点达到 2n-1 次代数精度

两条核心权衡:

  • 数值微分:截断误差与舍入误差之间的平衡;
  • 数值积分:函数求值次数、稳定性与代数精度之间的平衡。

复习要点#

必须理解#

  • 三种差商公式如何由 Taylor 展开得到;
  • 中心差商为何比单边差商高一阶;
  • hh 过小时舍入误差为何被放大;
  • 插值型求积公式中节点和权重分别代表什么;
  • 梯形公式与 Simpson 公式的来源;
  • 代数精度的定义和判断方法;
  • 复化求积为何比直接提高插值次数更稳定;
  • 高斯公式为何能用 nn 个点达到 2n−12n-1 次代数精度;
  • 高斯节点与正交多项式零点之间的关系。

必须会算#

  • 向前、向后、中心差商;
  • 梯形公式和 Simpson 公式;
  • 复化梯形与复化 Simpson 公式;
  • 通过检验 1,x,x2,…1,x,x^2,\ldots 判断代数精度;
  • 根据目标多项式次数确定高斯点数;
  • 使用高斯积分表;
  • 将一般区间线性变换到 [−1,1][-1,1];
  • 将节点映射回原区间并完成加权求和。

无需重点准备#

  • 插值型数值求导的一般公式;
  • 样条函数求导;
  • 逐次分半求积算法;
  • Richardson 外推的详细推导;
  • Romberg 求积表;
  • 高斯节点和权重的手工高阶求解;
  • 各误差定理的严格证明。
Chapter7:数值微分与数值积分
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作者
Sleepyfish
发布于
2026-06-14
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0