SST Lab Dokuwiki Header header picture

ユーザ用ツール

サイト用ツール


lectures:台形公式の誤差

差分

このページの2つのバージョン間の差分を表示します。

この比較画面へのリンク

両方とも前のリビジョン前のリビジョン
次のリビジョン
前のリビジョン
次のリビジョン両方とも次のリビジョン
lectures:台形公式の誤差 [2022/11/18 23:15] – [3] kimilectures:台形公式の誤差 [2022/11/21 12:36] – [2] kimi
行 1: 行 1:
 ====== 台形公式の誤差 ====== ====== 台形公式の誤差 ======
 ===== 1 ===== ===== 1 =====
-$$x_k = a + hk$$+区間$[a,\,b]$を$N$分割した標本点を$x_k = a + hk$とおく、ただし、$h$は分割幅で 
 +$h=\frac{b-a}{N}$。ここで、$x_0=a$、$x_N=b$であることに注意。
  
-$$h=\frac{b-a}{N}$$+また、 
 +\begin{align} 
 +I_0&\equiv\int_a^b f(x)\mathrm{d}x=\sum_{k=0}^{N-1}\int_{x_{k}}^{x_{k+1}}f(x)\mathrm{d}x\\ 
 +I_n&\equiv\int_a^f^{(n)}(x)\mathrm{d}x=f^{(n-1)}(b)-f^{(n-1)}(a) 
 +\end{align} 
 +と定義する。
  
-$x_0=a$、$x_N=b$+$f(x)$を$x=x_k$の周りでテーラー展開したものを$[{x_{k}},\,{x_{k+1}}]$で積分し和をとると、 
 +\begin{align} 
 +f(x)&=f(x_k)+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n!}f^{(n)}(x_k)(x-x_k)^n\\ 
 +\int_{x_{k}}^{x_{k+1}}f(x)\mathrm{d}x&=f(x_k)\left({x_{k}}-{x_{k+1}}\right)+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n!}f^{(n)}(x_k)\int_{x_{k}}^{x_{k+1}}(x-x_k)^n\mathrm{d}x\\ 
 +&=hf(x_k)+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{h^{n+1}}{(n+1)!}f^{(n)}(x_k)\\ 
 +I_0&=h\sum_{k=0}^{N-1}f(x_k)+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{h^{n+1}}{(n+1)!}\sum_{k=0}^{N-1}f^{(n)}(x_k) 
 +\end{align} 
 +同様に$f(x)$を$x=x_{k+1}$の周りでテーラー展開したものを$[{x_{k}},\,{x_{k+1}}]$で積分し、和をとると、
  
 +\begin{align}
 +I_0&=h\sum_{k=0}^{N-1}f(x_{k+1})-\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-h)^{n+1}}{(n+1)!}\sum_{k=0}^{N-1}f^{(n)}(x_{k+1})
 +\end{align}
 +===== 2 =====
  
 +和をとる変数をそろえると、
  
-$$ +\begin{align} 
-f(x)=f(x_k)+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n!}f^{(n)}(x_k)(x-x_k)^n +I_0&=h\sum_{k=0}^{N-1}f(x_k)+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{h^n}{(n+1)!}\left(h\sum_{k=0}^{N-1}f^{(n)}(x_k)\right)\\ 
-$$+I_0&=h\sum_{k=1}^{N}f(x_{k})+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{h^n}{(n+1)!}\left((-1)^{n}h\sum_{k=1}^{N}f^{(n)}(x_{k})\right) 
 +\end{align}
  
 +二式の平均をとると、
 +\begin{align}
 +I_0&=\frac{h}{2}\left(\sum_{k=0}^{N-1}f(x_k)+\sum_{k=1}^{N}f(x_{k})\right)\\
 +&+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{h^n}{(n+1)!}\frac{h}{2}\left(\sum_{k=0}^{N-1}f^{(n)}(x_k)+(-1)^{n}\sum_{k=1}^{N}f^{(n)}(x_k)\right)
 +\end{align}
  
 +$n=2m-1$のとき、
 \begin{align} \begin{align}
-\int_{x_{k}}^{x_{k+1}}f(x)\mathrm{d}x&=f(x_k)\left({x_{k}}-{x_{k+1}}\right)+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n!}f^{(n)}(x_k)\int_{x_{k}}^{x_{k+1}}(x-x_k)^n\mathrm{d}x\\ +\sum_{k=0}^{N-1}f^{(n)}(x_k)+(-1)^{n}\sum_{k=1}^{N}f^{(n)}(x_k) 
-&=f(x_k)h+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(n+1)!}f^{(n)}(x_k)h^{n+1}+&=\sum_{k=0}^{N-1}f^{(2m-1)}(x_k)-\sum_{k=1}^{N}f^{(2m-1)}(x_k)\\ 
 +&=f^{(2m-1)}(x_0)-f^{(2m-1)}(x_N) 
 +=-\left(f^{(2m-1)}(b)-f^{(2m-1)}(a)\right)\\ 
 +&=-\int_a^b f^{(2m)}(x)\mathrm{d}x=-I_{2m}
 \end{align} \end{align}
  
 +$n=2m$のとき、
 \begin{align} \begin{align}
-I(f)\equiv \int_a^b f(x)\mathrm{d}x&=\sum_{k=0}^{N-1}\int_{x_{k}}^{x_{k+1}}f(x)\mathrm{d}x\+\frac{h}{2}\left(\sum_{k=0}^{N-1}f^{(n)}(x_k)+(-1)^{n}\sum_{k=1}^{N}f^{(n)}(x_k)\right) 
-&=h\sum_{k=0}^{N-1}f(x_k)+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{h^n}{(n+1)!}h\sum_{k=0}^{N-1}f^{(n)}(x_k)+&=\frac{h}{2}\left(\sum_{k=0}^{N-1}f^{(2m)}(x_k)+\sum_{k=1}^{N}f^{(2m)}(x_k)\right)\\ 
 +&=\frac{h}{2}\left(f^{(2m)}(x_0)+2\sum_{k=1}^{N-1}f^{(2m)}(x_k)+f^{(2m)}(x_N)\right)\\ 
 +&=h\left(\frac{f^{(2m)}(a)}{2}+\sum_{k=1}^{N-1}f^{(2m)}(x_k)+\frac{f^{(2m)}(b)}{2}\right)\\ 
 +&\equiv T_{2m}
 \end{align} \end{align}
  
 $$ $$
-R_h(f)\equiv h\sum_{k=0}^{N-1}f(x_k)+I_0=T_{0} 
 +-\sum_{m=1}^{\infty}\frac{h^{2m-1}}{(2m)!}\frac{h}{2}I_{2m} 
 ++\sum_{m=1}^{\infty}\frac{h^{2m}}{(2m+1)!}T_{2m}
 $$ $$
 +
 +===== 3 =====
 +\begin{align}
 +I_0&=T_{0}
 +-\sum_{m=1}^{\infty}\frac{h^{2m}}{2(2m)!}I_{2m}
 ++\sum_{m=1}^{\infty}\frac{h^{2m}}{(2m+1)!}T_{2m}\\
 +I_{2\ell}&=T_{2\ell}
 +-\sum_{m=1}^{\infty}\frac{h^{2m}}{2(2m)!}I_{2(m+\ell)}
 ++\sum_{m=1}^{\infty}\frac{h^{2m}}{(2m+1)!}T_{2(m+\ell)}\\
 +T_{2\ell}&=I_{2\ell}
 ++\sum_{m=1}^{\infty}\frac{h^{2m}}{2(2m)!}I_{2(m+\ell)}
 +-\sum_{m=1}^{\infty}\frac{h^{2m}}{(2m+1)!}T_{2(m+\ell)}
 +\end{align}
 +
 +
 +\begin{align}
 +I_0&=T_{0}
 +-\frac{h^{2}}{2(2!)}I_{2}+\frac{h^{2}}{3!}T_{2}
 +-\frac{h^{4}}{2(4!)}I_{4}+\frac{h^{4}}{5!}T_{4}
 +-\frac{h^{6}}{2(6!)}I_{6}+\frac{h^{6}}{7!}T_{6}
 +-\cdots\\
 +T_{2}&=I_{2}
 ++\frac{h^{2}}{2(2!)}I_{4}-\frac{h^{2}}{3!}T_{4}
 ++\frac{h^{4}}{2(4!)}I_{6}-\frac{h^{4}}{5!}T_{6}
 ++\cdots\\
 +T_{4}&=I_{4}
 ++\frac{h^{4}}{2(2!)}I_{6}-\frac{h^{2}}{3!}T_{6}
 ++\cdots
 +\end{align}
 +
 +$\left(\right)$
 +
 +\begin{align}
 +I_0&=T_{0}
 +-\frac{h^{2}}{2(2!)}I_{2}
 ++\frac{h^{2}}{3!}\left(
 +I_{2}
 ++\frac{h^{2}}{2(2!)}I_{4}-\frac{h^{2}}{3!}T_{4}
 ++\frac{h^{4}}{2(4!)}I_{6}-\frac{h^{4}}{5!}T_{6}
 ++\cdots\right)\\
 +&-\frac{h^{4}}{2(4!)}I_{4}+\frac{h^{4}}{5!}T_{4}
 +-\frac{h^{6}}{2(6!)}I_{6}+\frac{h^{6}}{7!}T_{6}
 +-\cdots\\
 +&=T_{0}
 +-\frac{h^{2}}{12}I_{2}
 ++\frac{h^{4}}{48}I_{4}
 +-\frac{7h^{4}}{360}T_{4}
 ++\frac{h^{6}}{360}I_{6}
 +-\frac{6h^{6}}{7!}T_{6}
 +-\cdots\\
 +&=T_{0}
 +-\frac{h^{2}}{2(2!)}I_{2}
 +\frac{h^{2}}{3!}I_{2}
 ++\frac{h^{2}}{3!}\frac{h^{2}}{2(2!)}I_{4}-\frac{h^{2}}{3!}\frac{h^{2}}{3!}T_{4}
 ++\frac{h^{2}}{3!}\frac{h^{4}}{2(4!)}I_{6}-\frac{h^{2}}{3!}\frac{h^{4}}{5!}T_{6}
 +\\
 +&-\frac{h^{4}}{2(4!)}I_{4}+\frac{h^{4}}{5!}T_{4}
 +-\frac{h^{6}}{2(6!)}I_{6}+\frac{h^{6}}{7!}T_{6}
 +-\cdots
 +
 +\end{align}
  
 $$ $$
-I(f)=R_h(f)+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{h^n}{(n+1)!}R_h(f^{(n)})+T_{2\ell}=I_{2\ell} 
 ++\sum_{m=1}^{\infty}\frac{h^{2m}}{2(2m)!}I_{2(m+\ell)}-\sum_{m=1}^{\infty}\frac{h^{2m}}{(2m+1)!}T_{2(m+\ell)}
 $$ $$
- 
 ==== 2 ==== ==== 2 ====
  
行 90: 行 185:
 -\frac{h^{2m}}{(2m)!}\frac{1}{2}I(f^{(2m)}) -\frac{h^{2m}}{(2m)!}\frac{1}{2}I(f^{(2m)})
 +\frac{h^{2m}}{(2m+1)!}T_h(f^{(2m)})+\cdots\\ +\frac{h^{2m}}{(2m+1)!}T_h(f^{(2m)})+\cdots\\
-I(f^{(2)})=T_h(f^{(2)}) +0=\frac{h^{2}}{3!}I(f^{(2)})-\frac{h^{2}}{3!}T_h(f^{(2)}) 
--\frac{h^{2}}{2!}\frac{1}{2}I(f^{(4)})+\frac{h^{2}}{3!}T_h(f^{(4)}) ++\frac{h^{2}}{3!}\frac{h^{2}}{2!}\frac{1}{2}I(f^{(4)})-\frac{h^{2}}{3!}\frac{h^{2}}{3!}T_h(f^{(4)}) 
--\frac{h^{4}}{4!}\frac{1}{2}I(f^{(6)})+\frac{h^{4}}{5!}T_h(f^{(6)})+\cdots&\\++\frac{h^{2}}{3!}\frac{h^{4}}{4!}\frac{1}{2}I(f^{(6)})-\frac{h^{2}}{3!}\frac{h^{4}}{5!}T_h(f^{(6)})+\cdots&\\ 
 +0=\frac{h^{2}}{3!}I(f^{(2)})-\frac{h^{2}}{3!}T_h(f^{(2)}) 
 ++\frac{h^{4}}{4!}I(f^{(4)})-\frac{h^{4}}{3!^2}T_h(f^{(4)}) 
 ++\frac{h^{6}}{3!4!2}I(f^{(6)})-\frac{h^{6}}{3!5!}T_h(f^{(6)})+\cdots&\\
  
 +\end{align}
 +\begin{align}
 +I(f)=T_h(f)
 +-\frac{h^{2}}{2!}\frac{1}{6}I(f^{(2)})
 ++\frac{h^{4}}{4!}\frac{1}{2}I(f^{(4)})
 ++\frac{h^{4}}{3!}(\frac{1}{20}-\frac{1}{6})T_h(f^{(4)})
 ++\frac{h^{6}}{3!4!2}I(f^{(6)})-\frac{h^{6}}{6!}\frac{1}{2}I(f^{(6)})
 ++\frac{h^{4}}{7!}T_h(f^{(6)})-\frac{h^{6}}{3!5!}T_h(f^{(6)})+\cdots\\
 ++\cdots
 +-\frac{h^{2m}}{(2m)!}\frac{1}{2}I(f^{(2m)})
 ++\frac{h^{2m}}{(2m+1)!}T_h(f^{(2m)})+\cdots\\
 \end{align} \end{align}
  
lectures/台形公式の誤差.txt · 最終更新: 2022/11/21 14:37 by kimi

Donate Powered by PHP Valid HTML5 Valid CSS Driven by DokuWiki