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lectures:台形公式の誤差

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lectures:台形公式の誤差 [2022/11/19 01:33] – [3] kimilectures:台形公式の誤差 [2022/11/21 14:37] (現在) – [3] kimi
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 ====== 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。
-$$h=\frac{b-a}{N}$+
- +
-$x_0=a$、$x_N=b$ +
- +
- +
- +
-$$ +
-f(x)=f(x_k)+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n!}f^{(n)}(x_k)(x-x_k)^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^b f^{(n)}(x)\mathrm{d}x=f^{(n-1)}(b)-f^{(n-1)}(a)
 +\end{align}
 +と定義する。
  
 +$f(x)$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} \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\\ \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\\
-&=f(x_k)h+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(n+1)!}f^{(n)}(x_k)h^{n+1}+&=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} \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} \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\\ +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})
-&=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)+
 \end{align} \end{align}
 +===== 2 =====
  
-$$ +和をとる変数をそろえると、
-R_h(f)\equiv h\sum_{k=0}^{N-1}f(x_k) +
-$$ +
- +
-$$ +
-I(f)=R_h(f)+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{h^n}{(n+1)!}R_h(f^{(n)}) +
-$$ +
- +
-==== 2 ==== +
- +
-$$ +
-f(x)=f(x_{k+1})+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n!}f^{(n)}(x_{k+1})(x-x_{k+1})^n +
-$$ +
- +
-$$ +
-\int_{x_{k}}^{x_{k+1}}f(x)\mathrm{d}x=f(x_{k+1})h-\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(n+1)!}f^{(n)}(x_{k+1})(-h)^{n+1} +
-$$+
  
 \begin{align} \begin{align}
-I(f)&=h\sum_{k=0}^{N-1}f(x_{k+1})+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-h)^{n}}{(n+1)!}h\sum_{k=0}^{N-1}f^{(n)}(x_{k+1})\\ +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)\\ 
-&=h\sum_{k=1}^{N}f(x_{k})+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-h)^{n}}{(n+1)!}h\sum_{k=1}^{N}f^{(n)}(x_{k})\\ +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)
-&=h\sum_{k=0}^{N-1}f(x_{k})-hf(x_0)+hf(x_N)+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-h)^{n}}{(n+1)!}\left\{h\sum_{k=0}^{N-1}f^{(n)}(x_{k})-hf^{(n)}(x_0)+hf^{(n)}(x_N)\right\}+
 \end{align} \end{align}
  
- +二式の平均をとると、
 \begin{align} \begin{align}
-I(f)&=R_h(f)+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{h^n}{(n+1)!}R_h(f^{(n)})\\ +I_0&=\frac{h}{2}\left(\sum_{k=0}^{N-1}f(x_k)+\sum_{k=1}^{N}f(x_{k})\right)\\ 
-I(f)&=R_h(f)+h\left(f(b)-f(a)\right)+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-h)^n}{(n+1)!}\left\{R_h(f^{(n)})+h\left(f^{(n)}(b)-f^{(n)}(a)\right)\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} \end{align}
  
 +$n=2m-1$のとき、
 \begin{align} \begin{align}
-I(f)&=R_h(f)+\sum_{m=1}^{\infty}\frac{h^{2m-1}}{(2m)!}R_h(f^{(2m-1)})+\sum_{m=1}^{\infty}\frac{h^{2m}}{(2m+1)!}R_h(f^{(2m)})\\ +\sum_{k=0}^{N-1}f^{(n)}(x_k)+(-1)^{n}\sum_{k=1}^{N}f^{(n)}(x_k) 
-I(f)&=R_h(f)+h\left(f(b)-f(a)\right) +&=\sum_{k=0}^{N-1}f^{(2m-1)}(x_k)-\sum_{k=1}^{N}f^{(2m-1)}(x_k)\\ 
--\sum_{m=1}^{\infty}\frac{h^{2m-1}}{(2m)!}\left\{R_h(f^{(2m-1)})+h\left(f^{(2m-1)}(b)-f^{(2m-1)}(a)\right)\right\}\\ +&=f^{(2m-1)}(x_0)-f^{(2m-1)}(x_N) 
-&+\sum_{m=1}^{\infty}\frac{h^{2m}}{(2m+1)!}\left\{R_h(f^{(2m)})+h\left(f^{(2m)}(b)-f^{(2m)}(a)\right)\right\}\\+=-\left(f^{(2m-1)}(b)-f^{(2m-1)}(a)\right)\\ 
 +&=-\int_a^f^{(2m)}(x)\mathrm{d}x=-I_{2m}
 \end{align} \end{align}
  
 +$n=2m$のとき、
 \begin{align} \begin{align}
-I(f)&=R_h(f)+\frac{h}{2}\left(f(b)-f(a)\right) +\frac{h}{2}\left(\sum_{k=0}^{N-1}f^{(n)}(x_k)+(-1)^{n}\sum_{k=1}^{N}f^{(n)}(x_k)\right) 
--\sum_{m=1}^{\infty}\frac{h^{2m-1}}{(2m)!}\left\{\frac{h}{2}\left(f^{(2m-1)}(b)-f^{(2m-1)}(a)\right)\right\}\\ +&=\frac{h}{2}\left(\sum_{k=0}^{N-1}f^{(2m)}(x_k)+\sum_{k=1}^{N}f^{(2m)}(x_k)\right)\\ 
-&+\sum_{m=1}^{\infty}\frac{h^{2m}}{(2m+1)!}\left\{R_h(f^{(2m)})+\frac{h}{2}\left(f^{(2m)}(b)-f^{(2m)}(a)\right)\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}
  
 +$$
 +I_0=T_{0}
 +-\sum_{m=1}^{\infty}\frac{h^{2m-1}}{(2m)!}\frac{h}{2}I_{2m}
 ++\sum_{m=1}^{\infty}\frac{h^{2m}}{(2m+1)!}T_{2m}
 +$$
  
-==== 3 ====+===== 3 =====
 \begin{align} \begin{align}
-T_h(f)&\equiv R_h(f)+\frac{h}{2}\left(f(b)-f(a)\right)\\ +I_0&=T_{0} 
-I(f^{(n)})&=f^{(n-1)}(b)-f^{(n-1)}(a)+-\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} \end{align}
  
-$$ 
-I(f)=T_h(f) 
--\sum_{m=1}^{\infty}\frac{h^{2m}}{(2m)!}\frac{1}{2}I(f^{(2m)}) 
-+\sum_{m=1}^{\infty}\frac{h^{2m}}{(2m+1)!}T_h(f^{(2m)})\\ 
-$$ 
  
 \begin{align} \begin{align}
-I(f)=T_h(f) +I_0&=T_{0} 
--\frac{h^{2}}{2!}\frac{1}{2}I(f^{(2)})+\frac{h^{2}}{3!}T_h(f^{(2)}) +-\frac{h^{2}}{2(2!)}I_{2}+\frac{h^{2}}{3!}T_{2} 
--\frac{h^{4}}{4!}\frac{1}{2}I(f^{(4)})+\frac{h^{4}}{5!}T_h(f^{(4)}+-\frac{h^{4}}{2(4!)}I_{4}+\frac{h^{4}}{5!}T_{4
--\frac{h^{6}}{6!}\frac{1}{2}I(f^{(6)})+\frac{h^{4}}{7!}T_h(f^{(6)})\\+-\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^{2}}{2(2!)}I_{6}-\frac{h^{2}}{3!}T_{6} 
 ++\cdots\
 +T_{6}&=I_{6}
 +\cdots +\cdots
--\frac{h^{2m}}{(2m)!}\frac{1}{2}I(f^{(2m)}) +\end{align}
-+\frac{h^{2m}}{(2m+1)!}T_h(f^{(2m)})+\cdots\\ +
-0=\frac{h^{2}}{3!}I(f^{(2)})-\frac{h^{2}}{3!}T_h(f^{(2)}) +
-+\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^{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&\\+
  
 +
 +\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}}{12}I_{2}
 ++\frac{h^{4}}{48}I_{4}
 +-\frac{7h^{4}}{360}\left(I_{4}
 ++\frac{h^{2}}{2(2!)}I_{6}-\frac{h^{2}}{3!}T_{6}
 ++\cdots\right)\\
 +&+\frac{h^{6}}{360}I_{6}
 +-\frac{6h^{6}}{7!}T_{6}
 +-\cdots\\
 +&=T_{0}
 +-\frac{h^{2}}{12}I_{2}
 ++\frac{h^{4}}{720}I_{4}
 +-\frac{h^{6}}{480}I_{6}+\frac{31h^{6}}{15120}T_{6}
 ++\cdots\\
 +&=T_{0}
 +-\frac{h^{2}}{12}I_{2}
 ++\frac{h^{4}}{720}I_{4}
 +-\frac{h^{6}}{480}I_{6}+\frac{31h^{6}}{15120}\left(I_{6}+\cdots\right)
 ++\cdots\\
 +&=T_{0}
 +-\frac{h^{2}}{12}I_{2}
 ++\frac{h^{4}}{720}I_{4}
 +-\frac{h^{6}}{30240}I_{6}+o(h^8)
 \end{align} \end{align}
 +
 \begin{align} \begin{align}
-I(f)=T_h(f) +h\left(\frac{f(a)}{2}+\sum_{k=1}^{N-1}f(x_{k})+\frac{f(b)}{2}\right)&=\int_a^b f(x)\mathrm{d}x 
--\frac{h^{2}}{2!}\frac{1}{6}I(f^{(2)}) ++\frac{h^{2}}{12}\left(f'(b)-f'(a)\right)\\ 
-+\frac{h^{4}}{4!}\frac{1}{2}I(f^{(4)}+&-\frac{h^{4}}{720}\left(f^{(3)}(b)-f^{(3)}(a)\right) 
-+\frac{h^{4}}{3!}(\frac{1}{20}-\frac{1}{6})T_h(f^{(4)}) ++\frac{h^{6}}{30240}\left(f^{(5)}(b)-f^{(5)}(a)\right)+o(h^8)
-+\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.1668789209.txt.gz · 最終更新: 2022/11/19 01:33 by kimi

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