Формула Симпсона

Вывод формулы Симпсона будем производить аналитически. Как и в предыдущем случае применяем интерполяционный многочлен Лагранжа, для интерполирования функции , на отрезке , при чём считаем, что нам известны значения . Тогда, очевидно, что многочлен Лагранжа имеет вид квадратичной функции:

(15)

Интегрируя (15) на отрезке будем иметь формулу:

(16)

используя свойство аддитивности интеграла, получаем:

(17)

где является четным числом ( - число делений отрезка ,т.е. число равных отрезков разбиения).

Формула (17)-называется формулой Симпсона.

Приняв обозначения , получаем привычный вид квадратурных формул:

а) Формула трапеций:

(18)

б) Формула парабол (Симпсона) (при )

(19)

ПРИМЕР. Вычислим методом прямоугольников, трапеций и Симпсона при n=2 и сравним погрешности вычислений (точный ответ равен 6.4).

В методе ПРЯМОУГОЛЬНИКОВ имеем: I»h(f(0+0.5h)+f(0+1.5h))=f(0.5)+f(1.5)=82/16.

При этом получаем погрешность 6.4 - 5.125 =1.275

В методе ТРАПЕЦИЙ имеем: I»h/2(f(0)+f(2))+h*f(0+h)=1/2*(0+16)+f(1)=8+1=9.

Погрешность получается равной 2.6.

В методе СИМПСОНА имеем: I»h/6(f(0)+f(2))+h/3*f(0+h)+2h/3*(f(0+0.5h)+f(0+1.5h)) =16/6+1/3+2/3(82/16)=3+41/12»6.417

Погрешность получается равной 6.417-6.4=0.017

На многих других примерах можно столь же наглядно убедиться, сколь велико преимущество метода Симпсона над методами прямоугольников и трапеций в смысле точности результата. В то же время организация вычислений весьма проста, что и обуславливает широкое применение на практике этого метода.

Теоретические оценки погрешности для представленных трех методов следующие:

для метода прямоугольников |r| £ M₂*(b-a)*h²/24;

для метода трапеций |r| £ M₂*(b-a)*h²/12;

для метода Симпсона |r| £ M₄*(b-a)*h⁴/180.

,где М₂ и М₄ –соответственно максимумы модуля второй и четвертой производных интегрируемой функции на отрезке интегрирования. Однако в реальных задачах, как правило, бывает затруднительно или совсем невозможно пользоваться этими формулами, поскольку значение максимумов производных трудно, а порой и невозможно вычислить или даже оценить.

Формула Симпсона. Предположим, что Интеграл приближенного заменяем площадью заштрихованной криволинейной трапеции, ограниченной сверху параболой, проходящей через точки де

Указанная парабола задается уравнением

в чем нетрудно убедиться, положив поочередно (ее можно также получить, построив интерполяционный многочлен второй степени и приводя подобные) Отсюда находи (проверить самостоятельно)

Таким образом, формула Симпсона, называемая также формулой парабол, имеет вид

(15)

Положим где -функция (4). Поскольку

то согласно формул Тейлора с остаточным членом в интегральной форме имеем

Отсюда получаем

(16)

т.к. остальные члены взаимно уничтожаются.

Поскольку то применяя к интегралу (16) теорему 1, а затем к полученному результату лемму, находим

(17)

где нектрые точки.

Принимая во внимание, что из (16), (17) приходим к формуле

(18) т.е. к формуле Симпсона с остаточным членом.

Рассмотрим квадратурные формулы прямоугольников (3), трапеций (7) и Симпсона (15) называются каноничными.

(33)

Пример. Исследовать погрешность квадратурных формул для интеграла

при .

Имеем

о

на

Согласно (31)-(33) получаем

Формулы прямоугольников трапеций в отдельности уступают при интегрировании гладких функций формуле Симпсона. Однако в паре они обладают ценным качеством, а именно, если не изменяет знака на то формулы (29) дают двусторонние приближения для интеграла (1), так как согласно (22), (24) их остаточные члены имеют противоположные знаки.

В рассмотренном примере Поэтому

В данной ситуации естественно положить

Тогда т.е. погрешность оценивается через самые приближенные значения интеграла.