高斯-勒讓德求積(Gauss-Legendre quadrature)
/ GOWSS luh-ZHAHND-ruh /
高斯求積是一個通用配方;高斯-勒讓德是它最常見的具體實現——用於有限區間上一般、無權重積分的版本。當人們說「高斯求積」時,多半指的就是它,而它也是埋在有限元素求解器與科學程式庫裡的積分引擎。
它針對 f 在 [-1, 1] 上的單純積分(任何有限的 [a, b] 都能由簡單的線性變數代換映到 [-1, 1])。那 n 個節點是勒讓德多項式 P_n 的 n 個根——P_n 是 [-1, 1] 上常數權重的正交多項式;對應的權重來自一個含 P_n' 的封閉公式。結果繼承高斯的保證:n 點高斯-勒讓德法則把每個次數至多 2n - 1 的多項式精確積出。節點對 0 對稱,並輕微地往兩端聚集。實務上,節點與權重只需一次預先算好(經典上用 Golub-Welsch 特徵值演算法,從一個小的對稱三對角矩陣讀出),之後同階的每個積分都重複使用。
高斯-勒讓德是有界區間上光滑函數的預設高精度求積,當 f 解析時收斂呈指數般快。與一般高斯求積相同的誠實限制適用:那驚人的精度假設光滑性,所以奇異點或折角需要另一種工具;經典節點非巢狀,所以增加 n 時無法便宜地重用既有計算(這促成了高斯-Kronrod 擴充與巢狀的 Clenshaw-Curtis 法則);並且記住,仿射重映入帶來一個雅可比因子 (b - a)/2,在一般 [a, b] 上積分時切勿遺漏。
在 [0, pi/2] 上積 cos(x)(真值 1)。用 x = (pi/4)(t + 1) 映到 [-1, 1],雅可比為 pi/4。3 點高斯-勒讓德法則(節點 0、+-0.7746,權重 8/9、5/9、5/9)給出 0.99999920——只用三次函數計算就得六個正確位數。
以勒讓德的根為節點:對光滑函數有指數般的精度。
兩個陷阱:把一般區間重映到 [-1, 1] 時忘了 (b - a)/2 的雅可比;以及在不光滑的被積函數上期待指數收斂,而那裡它根本不成立。對帶權被積函數或無限範圍,請改用對應的家族(切比雪夫、埃爾米特、拉蓋爾),而非硬套勒讓德。