辛普森積分法

辛普森法則()是一種數值積分方法,是牛顿-柯特斯公式的特殊形式,以五次曲線逼近的方式取代矩形或梯形積分公式,以求得定積分的數值近似解。最基本的近似,稱為辛普森1/3法,其近似公式如下:

: \int_{a}^{b} f(x) \, dx \approx \frac{b-a}{6}\left[f(a) + 4f\left(\frac{a+b}{2}\right)+f(b)\right]

辛普森3/8法在積分範圍內多一個要求值的點,誤差範圍比較小,而且不會增加誤差的階數。

該方法由英國數學家所創立。

簡化公式
V=\frac{h (a+4b+c)}{6}

  • h是立体(常指擬柱體)的高度
  • a是下底面积
  • b是中间截面面积(在一半高度上的截面面积)
  • c是上底面积

; 棱柱和圆柱(a=b=c)
V=\frac{h (a+4b+c)}{6}=\frac{h \cdot 6a}{6}=ha(棱柱和圆柱的体积=底面积*高)

; 棱锥和圆锥(a=4b,c=0)
V=\frac{h(a+4b+c)}{6}=\frac{h(a+\frac{4a}{4}+0)}{6}=\frac{ah}{3}

(棱锥和圆锥的面积=等底、等高的圆柱、棱柱体积的1/3)

; 圆台
V=\frac{h(a+4b+c)}{6}=\frac{\pi h(R^2+Rr+r^2)}{3}

; 球体
V=\frac{h(a+4b+c)}{6}=\frac{2R(0+4\pi R^2+0)}{6}=\frac{4\pi R^3}{3}

公式还可以用于计算平面形面积例如:平行四边形、梯形、三角形……

; 平行四边形(正方形、矩形等)
S=\frac{h(a+4b+c)}{6}=ah

(平行四边形的面积等于底乘高)

; 梯形
S=\frac{h(a+4b+c)}{6}=\frac{h(a+c)}{2}

; 三角形
S=\frac{h(a+4b+c)}{6}=\frac{ah}{2}
辛普森3/8法
辛普森3/8法是辛普森提出的另一個數值積分方法,是以三次內插為基礎,公式如下:

\begin{align}
\int_a^b f(x)\, dx
&\approx \frac{b - a}{8} \left[f(a) + 3f\left(\frac{2a + b}{3}\right) + 3f\left(\frac{a + 2b}{3}\right) + f(b)\right]\\
&= \frac{3}{8} h\left[f(a) + 3f\left(a + h\right) + 3f\left(a + 2h\right) + f(b)\right],
\end{align}

其中h = (b - a)/3是間隔長度。

此方法的誤差為
-\frac{3}{80} h^5f^{(4)}(\xi) = -\frac{(b - a)^5}{6480} f^{(4)}(\xi),
其中\xi是a和b之間的某數值。因此,辛普森3/8法的準確度約是辛普森1/3法的二倍,但是也多計算一次

参见

  • 梯形公式
  • 牛顿-寇次公式
  • 数值积分

參考資料
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