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龍貝格積分(遞推表)

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使用龍貝格積分法計算有限區間(a,b)的積分,並求得遞推表。
編製應用理查森外推的龍貝格遞推表,作為龍貝格積分的計算過程。
最後一個對角元素即為所求積分值的最佳解。

\(I={\large\int_a^{b}}f(x)dx=R_{\small n}^{\small\ k}+O((\frac{b-a}{2^n})^{\small 2k+2})\\ \hspace{10px} R_{\small 0}^{\small\ 0}\\ \hspace{10px} R_{\small 1}^{\small\ 0}\hspace{30px} R_{\small 1}^{\small\ 1}\\ \hspace{10px} \cdots\hspace{40px} \cdots\hspace{30px} \ddots \\ \hspace{10px} R_{\small n-1}^{\small\ 0}\hspace{15px} R_{\small n-1}^{\small\ 1}\hspace{15px} \cdots \hspace{10px} R_{\small n-1}^{\small\ n-1}\\ \hspace{10px} R_{\small n}^{\small\ 0}\hspace{30px} R_{\small n}^{\small\ 1}\hspace{30px} \cdots \hspace{10px} R_{\small n}^{\small\ n-1}\hspace{20px} R_{\small n}^{\small\ n}\\ \)
f(x)
a
,
b
最大步數 n最大分割數 N=2n
龍貝格積分會隨著 n 的增加而使積分值趨於收斂。
分割數將從 2、4、8、16、...、 N=2n,並以倍增方式增加進行計算。
當端點非解析時,可透過中點法則求得。例如 sin(x)/x, [0.π/2]
若為週期函數,則透過非線性變換求得。例如 (cos(64x))^2, [0,π]

\(\normalsize Romberg\ integration\\ (1)\ Trapezoidal\ rule\\ \hspace{10px} R_{\small 0}^{\small\ 0}= {\large\frac{h_0}{2}}\{f(a)+f(b)\}, \hspace{20px}h_0=b-a\\ \hspace{8px} R_{\small n}^{\small\ 0}= {\large\frac{R_{\small n-1}^{\small\ 0}}{2}}+h_n{\large \displaystyle \sum_{\tiny j=1}^{\small 2^{n-1}}}f(a+(2j-1)h_n)\\ \hspace{190px}h_n={\large\frac{b-a}{2^n}}\\ (2)\ Midpoint\ rule\\ \hspace{10px} R_{\small 0}^{\small\ 0}= h_0f(a+{\large\frac{h_0}{2}}),\hspace{20px}h_0=b-a\\ \hspace{10px} R_{\small n}^{\small\ 0}= h_n{\large \displaystyle \sum_{\tiny j=1}^{\small 2^n}}f(a+(j-\frac{1}{2})h_n), \hspace{15px}h_n={\large\frac{b-a}{2^n}}\\ (3)\ R_{\small n}^{\small\ k}= {\large\frac{4^{\small k} R_{\small n}^{\small\ k-1}-R_{\small n-1}^{\small\ k-1}}{4^{\small k}-1}}\\ (4)\ Relative\ Error\hspace{30px} \epsilon_{\small n}=\left|\frac{R_{\small n}^{\small\ n}-R_{\small n-1}^{\small\ n-1}}{R_{\small n}^{\small\ n}}\right|\\ Non-linear\ substitution\ in\ x\\ \hspace{25px} I={\large\int_a^{b}}f(x)dx\ ={\large\int_{\small-1}^{\small1}}f(x)\ \frac{b-a}{2}\ \frac{3(1-u^2)}{2}du\\ \hspace{100px}x=\frac{b-a}{2}t+\frac{b+a}{2},\hspace{20px}t=\frac{u}{2}(3-u^2)\)

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