數值積分與數值微分

數值求積(numerical quadrature)

手算曲線下的精確面積意味著求反導函數——而對大多數函數,乾淨的反導函數根本不存在(試試把 e^(-x^2) 或 sin(x)/x 寫成封閉形式積分)。求積是實用的答案:與其用符號解出積分,不如從有限個函數值「估計」它的面積,就像你或許會藉著在幾個橫斷面量寬度來估計一個池塘的面積。

每個求積法則都是同一個樣子:它把 f 從 a 到 b 的定積分,近似成函數值的加權和 w_1 f(x_1) + w_2 f(x_2) + ... + w_n f(x_n)。點 x_i 稱為節點,數字 w_i 稱為權重,整門手藝就在於把它們選好。最簡單的法則在等距節點上取樣,再用低次多項式穿過樣本:梯形法則用直線連接各點並把梯形面積相加;辛普森法則則配上拋物線。更聰明的法則(高斯求積)讓節點得以不等距,並把它們擺在最佳位置。要控制精度,就把 [a, b] 切成許多小片,在每片上套用一個基本法則——這就是複合法則。

凡是應用數學要算積分之處,求積無所不在:機率中的期望值、面積與體積、微分方程的右端項、訊號能量、金融定價。誠實的說法是:結果永遠是帶有可量化誤差項的近似;目標是受控、被理解的誤差,而非精確。有兩個主題反覆出現:光滑的被積函數能讓高階法則收斂得快得驚人,而奇異點或折角則需要特別處理或自適應細化;在高維度,一般求積會受維度災難所苦,這最終逼人改用蒙地卡羅方法。

估計 f(x) = 1/(1 + x^2) 從 0 到 1 的積分(真值 pi/4 = 0.785398)。在兩端點取樣並套用梯形法則得 (1/2)(f(0) + f(1)) = (1/2)(1 + 0.5) = 0.75。辛普森法則加上中點,得 (1/6)(f(0) + 4 f(0.5) + f(1)) = 0.78333——只多一個取樣就近了許多。

定積分化為函數取樣的加權和。

求積積的是一個你能在任意點求值的函數;它不同於把零散資料相加或解 ODE。一個權重總和為 b - a 的法則能精確積出常數,這是基本的健全性檢查——但對真實被積函數的精度,取決於法則的多項式次數與被積函數的光滑度。

又称
numerical integrationmechanical quadrature數值積分求積