數值積分與數值微分

Clenshaw-Curtis 求積(Clenshaw-Curtis quadrature)

/ KLEN-shaw KER-tis /

高斯-勒讓德求積精度極佳,但它的節點很彆扭:無理且非巢狀,所以把解析度加倍就得丟掉先前所有的函數值。Clenshaw-Curtis 求積以一點點巔峰精度,換來兩個重大的實務勝利——節點可輕鬆算出、能漂亮地巢狀,而求值還能搭上快速傅立葉轉換的便車。

想法是:不取勒讓德的根,而在切比雪夫點取樣,也就是半圓上等距點往 x 軸的投影,x_k = cos(k pi / n)。它們往兩端聚集(這馴服了龍格現象),而關鍵在於 n 點集包含於 2n 點集,所以細化會「重用」先前每一個計算。要積分,你把 f 展成切比雪夫多項式級數,再逐項把該級數積分;這些權重可由離散餘弦轉換(FFT 的近親)在 O(n log n) 時間內算出。此法則對次數至多 n 的多項式精確——只有 n 點高斯法則約一半的次數——但在真實的光滑函數上,兩者收斂得幾乎一樣快。

Clenshaw-Curtis 是自動、自適應積分器(以及高維稀疏網格求積)的愛用法則,正因為它巢狀的切比雪夫節點讓你細化時能重用計算,並藉著比較相鄰層級來便宜地估計誤差。與高斯的誠實比較很微妙:在最壞情況的多項式次數上高斯贏一倍,但對典型的解析被積函數,實際達到的精度極為接近,而 Clenshaw-Curtis 的巢狀與 FFT 速度常使它成為更方便的選擇。和所有以多項式為基礎的法則一樣,它仍假設被積函數相當光滑。

在 [-1, 1] 上,3 點 Clenshaw-Curtis 法則用節點 cos(0) = 1、cos(pi/2) = 0、cos(pi) = -1,權重 1/3、4/3、1/3——這恰好是這些點上的複合辛普森。加倍到 5 點時,三個舊節點(1、0、-1)全部保留,只新增 +-0.707,所以先前的函數值一個都不浪費。

切比雪夫節點巢狀,細化時重用每個舊樣本。

雖然它正式的多項式次數(約 n)是高斯(約 2n)的一半,但在光滑的真實被積函數上,兩者收斂得幾乎一樣快——課本的次數比較誇大了高斯的實務優勢。Clenshaw-Curtis 在巢狀與基於 FFT 的 O(n log n) 設置上勝出。

又稱
Clenshaw-Curtis ruleFejer-type quadrature切比雪夫節點求積