انتگرال‌گیری رامبرگ

انتگرال‌گیری

برای سرعت و دقت بخشیدن به روش‌هایی مانند روش ذوزنقه‌ای از روش رومبرگ استفاده می‌شود. قرار می‌دهیم:

I=∫abf(x)dxI = \int_{a}^{b} f(x) dx

فرض کنیم ff به اندازه‌ی کافی مشتق‌پذیر باشد در این صورت برای روش ذوزنقه‌ای داریم:

I=T(h)+α2h2+α4h4+α6h6+⋯I = T(h) + \alpha_2 h^2 + \alpha_4 h^4 + \alpha_6 h^6 + \cdots

که T(h)T(h) تقریب به دست آمده از روش ذوزنقه‌ای مرکب با طول گام hh است و αi\alpha_i ها مستقل از hh و متناسب با مشتق ff از مرتبه‌های زوج هستند. اگر در روش ذوزنقه‌ای محاسبه را با طول گام h2\frac{h}{2} انجام دهیم، در رابطه‌ی قبل خواهیم داشت:

I=T(h2)+α2(h2)2+α4(h2)4+⋯I = T\left(\frac{h}{2}\right) + \alpha_2 \left(\frac{h}{2}\right)^2 + \alpha_4 \left(\frac{h}{2}\right)^4 + \cdots

)۱۶)

با حذف α2\alpha_2 از روابط قبل به رابطه‌ی زیر می‌رسیم:

I=4I−I3=4T(h2)−T(h)3−α4h424+⋯I = \frac{4 I - I}{3} = \frac{4 T\left(\frac{h}{2}\right) - T(h)}{3} - \alpha_4 \frac{h^4}{2^4} + \cdots

این بدان معنی است که T(h)T(h) تقریب برای II است با خطای متناسب با h2h^2 که اگر چندجمله‌ای‌های از درجه‌ی حداکثر ۳ دقیق است. پس با استفاده‌ی مکرر از این قاعده می‌توان خطا را در هر مرحله کاهش داد. با قرار دادن مقادیر تقریب Ti(k)T_i^{(k)} به دست آمده از روش ذوزنقه‌ای با طول گام h=b−a2kh = \frac{b - a}{2^k} برای k=۱,۲,۳,…k = ۱, ۲, ۳, \ldots به تقریب Ti(k)T_i^{(k)} در مرحله‌ی kkام را به صورت زیر به دست می‌آوریم:

Ti(k)=4kTi+1)k−1)−Ti)k−1)4k−1,i=۰,۱,۲,…T_i^{(k)} = \frac{4^k T_{i+1}^{)k-1)} - T_i^{)k-1)}}{4^k - 1}, \quad i = ۰, ۱, ۲, \ldots

پس

Ti(۰)Ti(۱)=4Ti+1(۰)−Ti(۰)4−۱Ti(۲)=42Ti+1(۱)−Ti(۱)42−۱⋮Ti(k)=4kTi+1(k−1)−Ti(k−1)4k−۱T_i^{(۰)} \\ T_i^{(۱)} = \frac{4 T_{i+1}^{(۰)} - T_i^{(۰)}}{4 - ۱} \\ T_i^{(۲)} = \frac{4^2 T_{i+1}^{(۱)} - T_i^{(۱)}}{4^2 - ۱} \\ \vdots \\ T_i^{(k)} = \frac{4^k T_{i+1}^{(k-1)} - T_i^{(k-1)}}{4^k - ۱}

در جدول فوق Ti(k)T_i^{(k)} در ستون kkام قرار دارد و خطای آن متناسب با h2k+2h^{2k+2} است که برای چندجمله‌ای‌های کوچکتر و یا مساوی 2k+۱2k+۱ دقیق است.

روش‌های مرتبط