數值積分與數值微分

龍貝格積分(Romberg integration)

/ ROMM-berg /

梯形法則很樸實——只有二階——但它藏著一份禮物:當你反覆把步長減半,它的誤差會以極其規律、可預測的模式收縮(只含 h 的偶次方)。龍貝格積分開採這份規律。它在好幾個步長下跑便宜的梯形法則,再用理查森外推有系統地一項接一項消去誤差,從二階爬到四階、六階乃至更高——免費把一個弱法則變成強法則。

建一張三角形的表。第一欄 R(k, 0) 是用 2^k 條的複合梯形估計(所以每一列把步長減半)。因為梯形誤差純以偶次方 h^2, h^4, h^6, ... 展開,一次理查森步驟就消去 h^2 項:R(k, 1) = R(k, 0) + (R(k, 0) - R(k-1, 0)) / (4^1 - 1),而值得注意的是,這一欄恰好等於複合辛普森法則。下一欄消去 h^4,給出六階法則(布爾),而一般地 R(k, j) = R(k, j-1) + (R(k, j-1) - R(k-1, j-1)) / (4^j - 1)。對角線項 R(k, k) 是最珍貴、最高階的估計;對光滑被積函數,它們收斂得快得驚人,常只用屈指可數的幾次梯形計算就達到完整的雙精度。

龍貝格是把理查森外推用於積分的課本典範,也是對光滑一維積分真正實用的方法。它的威力完全來自那個偶次方誤差展開(歐拉-麥克勞林公式為光滑函數保證了它)。誠實的提醒因此正是那個假設:若被積函數有奇異點、折角,或高階導數無界,偶次方展開就失效,外推會消去錯誤的項,那著名的對角線加速隨之蒸發——對這類被積函數,自適應或處理奇異點的方法才是對的工具。

在 [0, 1] 上積 4/(1 + x^2)(真值 pi = 3.14159265)。梯形用 1、2、4 條得 R(0,0)=3.0、R(1,0)=3.1、R(2,0)=3.131。外推:R(1,1)=(4*3.1 - 3.0)/3=3.1333、R(2,1)=3.14157,再 R(2,2)=(16*3.14157 - 3.1333)/15=3.141585——從微小的輸入已得五個正確位數。

一張三角形表:每一欄消去下一個偶次方誤差。

龍貝格的快速收斂仰賴歐拉-麥克勞林的偶次方誤差展開,而它只對光滑被積函數成立。在奇異或不光滑的被積函數上,對角線會停滯;在信任這張表之前,先把奇異點變換掉,或改用自適應求積。

又称
Romberg's methodRichardson extrapolation of the trapezoidal rule龍貝格法