數值積分與數值微分

處理奇異積分(handling singular integrals)

標準求積法則默默假設被積函數是有限區間上光滑、有界的函數。真實積分常違反這點:被積函數可能在端點爆掉(如 0 處的 1/sqrt(x))、有無限陡的斜率,或範圍本身延伸到無窮(如從 0 到無窮的積分)。把這類積分丟進普通法則會得到緩慢、不準,甚至全然荒謬的答案。處理奇異積分就是馴服它們的一整套技巧。

有幾種策略,常常合用。第一,「變數代換」可以吸收奇異性:代換 x = t^2 把 1/sqrt(x) 的積分變成 t 的光滑被積函數;而著名的 tanh-sinh(雙指數)變換把有限區間映射成讓端點奇異性被壓平,使簡單法則收斂得快得驚人。第二,「相減」:若你解析地知道奇異部分,就手算把它積掉,只對光滑的餘式套用求積。第三,「特殊法則」:高斯-雅可比求積把端點奇異性 x^a (1-x)^b 直接內建進權函數,使節點與權重精確地處理它;高斯-拉蓋爾/高斯-埃爾米特則處理無限範圍上的權重 e^(-x) 與 e^(-x^2)。對無限範圍,你也可以代換,例如 x = t/(1 - t),把無窮折回有限區間。

懂不懂處理奇異性,決定了一個求積常式回傳可信的數字,還是回傳垃圾或永不收斂。要分清楚的誠實區別是:「可積」奇異性(即使被積函數無界、積分仍有限,如 0 附近的 1/sqrt(x))可由這些方法處理;「不可積」者(積分真的發散)則無法靠任何求積拯救——再多的巧思也積不出無窮。而把奇異被積函數丟給天真的自適應常式卻不告訴它奇異點所在,往往會在壞點附近觸發無止境的細分,燒掉一堆計算卻幾乎不收斂。

在 [0, 1] 上積 1/sqrt(x)(真值 2)。普通梯形法則會失敗,因為 f 在 0 處無窮。代換 x = t^2、dx = 2t dt:積分變成從 0 到 1 的 (1/t)(2t dt) = 2 dt,一個完全光滑的常數被積函數,精確給出 2。奇異性已被變換掉。

一個變數代換可以把端點奇異性完全吸收掉。

區分可積與不可積奇異性:求積技巧能拯救「被積函數無界但積分有限」的情形,但沒有任何方法能讓真正發散的積分收斂。也千萬別把奇異被積函數盲目丟給天真的自適應常式——除非你先變換它或用感知奇異點的法則,否則它會在奇異點附近無止境細分。

又稱
integrable singularitiesinfinite-range integralsweakly singular integrals奇異積分處理無窮區間積分