Newton-Cotes-Formel für n = 2
Eine Newton-Cotes-Formel (nach Isaac Newton und Roger Cotes ) ist eine numerische Quadraturformel zur näherungsweisen Berechnung von Integralen . Diesen Formeln liegt die Idee zu Grunde, die zu integrierende Funktion durch ein Polynom zu interpolieren und dieses als Näherung exakt zu integrieren. Die Stützstellen der Interpolation werden dabei äquidistant gewählt.
Herleitung
Für das zu integrierende Interpolationspolynom
p
n
(
x
)
{\displaystyle p_{n}(x)}
vom Grad
n
{\displaystyle n}
werden die Stützstellen
a
≤
x
0
<
x
1
<
⋯
<
x
n
≤
b
{\displaystyle a\leq x_{0}<x_{1}<\dotsb <x_{n}\leq b}
äquidistant mit dem konstanten Abstand
h
=
x
i
+
1
−
x
i
{\displaystyle h=x_{i+1}-x_{i}}
so gewählt, dass sie symmetrisch zur Intervallmitte
a
+
b
2
{\displaystyle {\tfrac {a+b}{2}}}
des Integrationsintervalls
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
liegen. Somit gilt
x
n
−
i
=
a
+
b
−
x
i
{\displaystyle x_{n-i}=a+b-x_{i}}
.
Mit
x
0
=
a
{\displaystyle x_{0}=a}
(und somit
x
n
=
b
{\displaystyle x_{n}=b}
) erhält man
n
{\displaystyle n}
Intervalle der Länge
h
{\displaystyle h}
und somit
h
=
b
−
a
n
{\displaystyle h={\tfrac {b-a}{n}}}
und
x
i
=
a
+
i
⋅
h
{\displaystyle x_{i}=a+i\cdot h}
. Diese Formeln werden abgeschlossene Newton-Cotes-Formeln genannt.
Mit
x
0
≠
a
{\displaystyle x_{0}\neq a}
(und somit
x
n
≠
b
{\displaystyle x_{n}\neq b}
) erhält man offene Quadratur-Formeln:
Wählt man
x
0
=
a
+
h
{\displaystyle x_{0}=a+h}
(und somit
x
n
=
b
−
h
{\displaystyle x_{n}=b-h}
), erhält man
n
+
2
{\displaystyle n+2}
Intervalle der Länge
h
{\displaystyle h}
und somit
h
=
b
−
a
n
+
2
{\displaystyle h={\tfrac {b-a}{n+2}}}
und
x
i
=
a
+
(
1
+
i
)
⋅
h
{\displaystyle x_{i}=a+(1+i)\cdot h}
. Diese Formeln werden offene Newton-Cotes-Formeln genannt.
Wählt man
x
0
=
a
+
h
2
{\displaystyle x_{0}=a+{\tfrac {h}{2}}}
(und somit
x
n
=
b
−
h
2
{\displaystyle x_{n}=b-{\tfrac {h}{2}}}
), erhält man
n
+
1
{\displaystyle n+1}
Intervalle der Länge
h
{\displaystyle h}
und somit
h
=
b
−
a
n
+
1
{\displaystyle h={\tfrac {b-a}{n+1}}}
und
x
i
=
a
+
(
1
2
+
i
)
⋅
h
{\displaystyle x_{i}=a+\left({\tfrac {1}{2}}+i\right)\cdot h}
. Diese Formeln werden Maclaurin -Formeln genannt.
Zur numerischen Integration von
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
{\displaystyle \int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx}
wird das Interpolationspolynom
p
n
(
x
)
{\displaystyle p_{n}(x)}
der Funktion
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
zu den gegebenen Stützstellen herangezogen. Für dieses gilt:
p
n
(
x
)
=
∑
i
=
0
n
f
(
x
i
)
l
i
(
x
)
{\displaystyle p_{n}(x)=\sum _{i=0}^{n}f(x_{i})l_{i}(x)}
,
wobei
l
i
{\displaystyle l_{i}}
die Lagrange-Basispolynome sind. Daraus folgt:
∫
a
b
p
n
(
x
)
d
x
=
(
b
−
a
)
∑
i
=
0
n
f
(
x
i
)
1
b
−
a
∫
a
b
l
i
(
x
)
d
x
{\displaystyle \int \limits _{a}^{b}p_{n}(x)\,dx=(b-a)\sum _{i=0}^{n}f(x_{i}){\frac {1}{b-a}}\int \limits _{a}^{b}l_{i}(x)\,dx}
.
Definition
Für die Newton-Cotes-Formel folgt dann:
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
≈
∫
a
b
p
n
(
x
)
d
x
=
(
b
−
a
)
∑
i
=
0
n
w
i
f
(
x
i
)
{\displaystyle \int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx\approx \int \limits _{a}^{b}p_{n}(x)\,dx=(b-a)\sum _{i=0}^{n}w_{i}f(x_{i})}
mit den Gewichten
w
i
=
1
b
−
a
∫
a
b
l
i
(
x
)
d
x
{\displaystyle w_{i}={\frac {1}{b-a}}\int \limits _{a}^{b}l_{i}(x)\,dx}
Die Gewichte sind symmetrisch, das heißt
w
n
−
i
=
w
i
{\displaystyle w_{n-i}=w_{i}}
.
l
i
(
x
)
=
∏
0
≤
j
≤
n
j
≠
i
x
−
x
j
x
i
−
x
j
=
(
x
−
x
0
)
⋯
(
x
−
x
i
−
1
)
(
x
−
x
i
+
1
)
⋯
(
x
−
x
n
)
(
x
i
−
x
0
)
⋯
(
x
i
−
x
i
−
1
)
(
x
i
−
x
i
+
1
)
⋯
(
x
i
−
x
n
)
{\displaystyle l_{i}(x)=\prod _{\begin{smallmatrix}0\leq j\leq n\\j\neq i\end{smallmatrix}}{\frac {x-x_{j}}{x_{i}-x_{j}}}={\frac {(x-x_{0})\dotsm (x-x_{i-1})(x-x_{i+1})\dotsm (x-x_{n})}{(x_{i}-x_{0})\dotsm (x_{i}-x_{i-1})(x_{i}-x_{i+1})\dotsm (x_{i}-x_{n})}}}
Wegen der speziellen Wahl der Stützstellen integrieren die Quadraturformeln bei ungeradem
n
{\displaystyle n}
Polynome bis zum Grad
n
{\displaystyle n}
, bei geradem
n
{\displaystyle n}
sogar bis zum Grad
n
+
1
{\displaystyle n+1}
exakt. Somit sind Quadraturformeln mit geradem
n
{\displaystyle n}
(also einer ungeraden Anzahl an Stützstellen) denen mit ungeradem
n
{\displaystyle n}
vorzuziehen. Diese Eigenschaft nennt man auch den Genauigkeitsgrad der Quadraturformel.
Speziell gilt für
f
(
x
)
=
1
{\displaystyle f(x)=1}
, dass
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
=
∫
a
b
1
d
x
=
b
−
a
=
(
b
−
a
)
∑
i
=
0
n
w
i
⋅
1
=
(
b
−
a
)
∑
i
=
0
n
w
i
{\displaystyle \int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx=\int \limits _{a}^{b}1\,dx=b-a=(b-a)\sum _{i=0}^{n}w_{i}\cdot 1=(b-a)\sum _{i=0}^{n}w_{i}}
und somit
∑
i
=
0
n
w
i
=
1
{\displaystyle \sum _{i=0}^{n}w_{i}=1}
.
Falls
∑
i
=
0
n
|
w
i
|
>
∑
i
=
0
n
w
i
=
1
{\displaystyle \sum _{i=0}^{n}|w_{i}|>\sum _{i=0}^{n}w_{i}=1}
, was bei Gewichten mit verschiedenen Vorzeichen der Fall ist, besteht die Gefahr, dass sich die Rundungsfehler aufschaukeln oder Auslöschung eintritt. Daher sind aus numerischen Gründen Quadraturformeln mit positiven Gewichten zu bevorzugen. Da für großes
n
{\displaystyle n}
das Interpolationspolynom
p
n
(
x
)
{\displaystyle p_{n}(x)}
unbrauchbar ist, sind ebenso Quadraturformeln mit großem
n
{\displaystyle n}
nicht empfehlenswert. Will man bessere Näherungen erreichen, so empfiehlt sich die Verwendung von summierten Quadraturformeln.
E
(
f
)
=
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
−
∫
a
b
p
n
(
x
)
d
x
{\displaystyle E(f)=\int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx-\int \limits _{a}^{b}p_{n}(x)\,dx}
ist der Fehler (Verfahrensfehler), der bei der Anwendung der Quadraturformel gemacht wird. Dieser hat bei der speziellen Wahl der Stützstellen für
(
p
+
1
)
{\displaystyle (p+1)}
-mal auf
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
stetig differenzierbar reellwertige Funktionen
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
immer die Form
E
(
f
)
=
K
⋅
f
(
p
+
1
)
(
ξ
)
{\displaystyle E(f)=K\cdot f^{(p+1)}(\xi )}
,
wobei
K
{\displaystyle K}
eine von
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
unabhängige Konstante und
ξ
∈
[
a
,
b
]
{\displaystyle \xi \in [a,b]}
ein nur in Ausnahmefällen bekannter Zwischenwert ist. Wäre er generell bekannt, könnte man
E
(
f
)
{\displaystyle E(f)}
und somit auch das Integral exakt ausrechnen, im Widerspruch zu der Tatsache, dass es unendlich viele Integrale gibt, die man nicht exakt berechnen kann. Der Fehler ist Null für alle Funktionen, deren
(
p
+
1
)
{\displaystyle (p+1)}
-te Ableitung Null ist, also für alle Polynome vom Grad kleiner/gleich
p
{\displaystyle p}
. Somit ist
p
{\displaystyle p}
der Genauigkeitsgrad der Quadraturformel. Der Wert
p
+
1
{\displaystyle p+1}
wird auch als (polynomiale) Ordnung der Quadraturformel bezeichnet.
Mit Hilfe des Verfahrensfehlers erhält man die Fehlerabschätzung:
|
E
(
f
)
|
≤
|
K
|
⋅
max
a
≤
ξ
≤
b
|
f
(
p
+
1
)
(
ξ
)
|
{\displaystyle |E(f)|\leq |K|\cdot \max _{a\leq \xi \leq b}\left|f^{(p+1)}(\xi )\right|}
.
Der exakte Fehler ist immer kleiner/gleich als diese Fehlerabschätzung, wie auch die unten angegebenen Beispiele zeigen.
Die angegebenen Stützstellen
t
i
{\displaystyle t_{i}}
gelten für das Integrationsintervall
[
0
,
1
]
{\displaystyle [0,1]}
:
t
0
=
0
,
t
i
=
i
n
,
t
n
=
1
{\displaystyle t_{0}=0,t_{i}={\frac {i}{n}},t_{n}=1}
. Für ein allgemeines Intervall
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
sind die Stützstellen
x
i
=
a
+
t
i
⋅
(
b
−
a
)
{\displaystyle x_{i}=a+t_{i}\cdot (b-a)}
.
n
{\displaystyle n}
Name
Stützstellen
t
i
{\displaystyle t_{i}}
Gewichte
w
i
{\displaystyle w_{i}}
E
(
f
)
{\displaystyle E(f)}
1
Trapezregel Sehnentrapezregel
0
1
{\displaystyle 0\quad 1}
1
2
1
2
{\displaystyle {\frac {1}{2}}\quad {\frac {1}{2}}}
−
(
b
−
a
)
3
12
f
″
(
ξ
)
{\displaystyle -{\frac {(b-a)^{3}}{12}}f''(\xi )}
2
Simpson-Regel Keplersche Fassregel
0
1
2
1
{\displaystyle 0\quad {\frac {1}{2}}\quad 1}
1
6
4
6
1
6
{\displaystyle {\frac {1}{6}}\quad {\frac {4}{6}}\quad {\frac {1}{6}}}
−
(
b
−
a
2
)
5
90
f
(
4
)
(
ξ
)
{\displaystyle -{\frac {\left({\frac {b-a}{2}}\right)^{5}}{90}}f^{(4)}(\xi )}
3
3/8-Regel Pulcherrima
0
1
3
2
3
1
{\displaystyle 0\quad {\frac {1}{3}}\quad {\frac {2}{3}}\quad 1}
1
8
3
8
3
8
1
8
{\displaystyle {\frac {1}{8}}\quad {\frac {3}{8}}\quad {\frac {3}{8}}\quad {\frac {1}{8}}}
−
3
(
b
−
a
3
)
5
80
f
(
4
)
(
ξ
)
{\displaystyle -{\frac {3\left({\frac {b-a}{3}}\right)^{5}}{80}}f^{(4)}(\xi )}
4
Milne -Regel Boole -Regel
0
1
4
2
4
3
4
1
{\displaystyle 0\quad {\frac {1}{4}}\quad {\frac {2}{4}}\quad {\frac {3}{4}}\quad 1}
7
90
32
90
12
90
32
90
7
90
{\displaystyle {\frac {7}{90}}\quad {\frac {32}{90}}\quad {\frac {12}{90}}\quad {\frac {32}{90}}\quad {\frac {7}{90}}}
−
8
(
b
−
a
4
)
7
945
f
(
6
)
(
ξ
)
{\displaystyle -{\frac {8\left({\frac {b-a}{4}}\right)^{7}}{945}}f^{(6)}(\xi )}
5
6-Punkt-Regel
0
1
5
2
5
3
5
4
5
1
{\displaystyle 0\quad {\frac {1}{5}}\quad {\frac {2}{5}}\quad {\frac {3}{5}}\quad {\frac {4}{5}}\quad 1}
19
288
75
288
50
288
50
288
75
288
19
288
{\displaystyle {\frac {19}{288}}\quad {\frac {75}{288}}\quad {\frac {50}{288}}\quad {\frac {50}{288}}\quad {\frac {75}{288}}\quad {\frac {19}{288}}}
−
275
(
b
−
a
5
)
7
12
096
f
(
6
)
(
ξ
)
{\displaystyle -{\frac {275\left({\frac {b-a}{5}}\right)^{7}}{12\,096}}f^{(6)}(\xi )}
6
Weddle-Regel (nach Thomas Weddle , 1817–1853)[ 1]
0
1
6
2
6
3
6
4
6
5
6
1
{\displaystyle 0\quad {\frac {1}{6}}\quad {\frac {2}{6}}\quad {\frac {3}{6}}\quad {\frac {4}{6}}\quad {\frac {5}{6}}\quad 1}
41
840
216
840
27
840
272
840
27
840
216
840
41
840
{\displaystyle {\frac {41}{840}}\quad {\frac {216}{840}}\quad {\frac {27}{840}}\quad {\frac {272}{840}}\quad {\frac {27}{840}}\quad {\frac {216}{840}}\quad {\frac {41}{840}}}
−
9
(
b
−
a
6
)
9
1400
f
(
8
)
(
ξ
)
{\displaystyle -{\frac {9\left({\frac {b-a}{6}}\right)^{9}}{1400}}f^{(8)}(\xi )}
Die gekürzten Werte aller Gewichte bis
n
=
10
{\displaystyle n=10}
betragen:[ 2]
n=1: {1/2, 1/2}
n=2: {1/6, 2/3, 1/6}
n=3: {1/8, 3/8, 3/8, 1/8}
n=4: {7/90, 16/45, 2/15, 16/45, 7/90}
n=5: {19/288, 25/96, 25/144, 25/144, 25/96, 19/288}
n=6: {41/840, 9/35, 9/280, 34/105, 9/280, 9/35, 41/840}
n=7: {751/17280, 3577/17280, 49/640, 2989/17280, 2989/17280, 49/640, 3577/17280, 751/17280}
n=8: {989/28350, 2944/14175, -464/14175, 5248/14175, -454/2835, 5248/14175, -464/14175, 2944/14175, 989/28350}
n=9: {2857/89600, 15741/89600, 27/2240, 1209/5600, 2889/44800, 2889/44800, 1209/5600, 27/2240, 15741/89600, 2857/89600}
n=10: {16067/598752 , 26575/149688 , -16175/199584 , 5675/12474 , -4825/11088 , 17807/24948 , -4825/11088 , 5675/12474 , -16175/199584 , 26575/149688 , 16067/598752}
Für
n
=
8
{\displaystyle n=8}
gilt
w
i
<
0
{\displaystyle w_{i}<0}
für
i
=
2
,
4
,
6
{\displaystyle i=2,4,6}
und
∑
i
=
0
n
|
w
i
|
=
1
,
45
…
{\displaystyle \textstyle \sum _{i=0}^{n}|w_{i}|=1{,}45\dotso }
Für
n
=
10
{\displaystyle n=10}
gilt
∑
i
=
0
n
|
w
i
|
=
3,064
79477312810646143979477312810
…
{\displaystyle \sum _{i=0}^{n}|w_{i}|=3{,}06479477312810646143979477312810\dotso }
Beispiel:
∫
1
3
1
x
d
x
=
ln
(
3
)
−
ln
(
1
)
=
ln
(
3
)
=
1,098
61
23
…
{\displaystyle \int \limits _{1}^{3}{\frac {1}{x}}\,dx=\ln(3)-\ln(1)=\ln(3)=1{,}09861\,23\dotso }
Näherung mit Simpson-Regel (
n
=
2
{\displaystyle n=2}
). Es gilt
h
=
b
−
a
n
=
2
2
=
1
{\displaystyle h={\frac {b-a}{n}}={\frac {2}{2}}=1}
und
x
0
=
a
=
1
{\displaystyle x_{0}=a=1}
.
∫
1
3
p
2
(
x
)
d
x
=
2
⋅
(
1
6
f
(
1
)
+
4
6
f
(
2
)
+
1
6
f
(
3
)
)
=
2
⋅
(
1
6
⋅
1
+
4
6
⋅
1
2
+
1
6
⋅
1
3
)
=
10
9
=
1
,
1
¯
{\displaystyle \int \limits _{1}^{3}p_{2}(x)\,dx=2\cdot \left({\frac {1}{6}}f(1)+{\frac {4}{6}}f(2)+{\frac {1}{6}}f(3)\right)=2\cdot \left({\frac {1}{6}}\cdot 1+{\frac {4}{6}}\cdot {\frac {1}{2}}+{\frac {1}{6}}\cdot {\frac {1}{3}}\right)={\frac {10}{9}}=1{,}{\overline {1}}}
Verfahrensfehler: Mit
f
(
4
)
(
ξ
)
=
4
!
ξ
5
{\displaystyle f^{(4)}(\xi )={\frac {4!}{\xi ^{5}}}}
erhält man
E
(
f
)
=
−
1
90
⋅
(
2
2
)
5
⋅
4
!
ξ
5
=
−
4
15
⋅
1
ξ
5
{\displaystyle E(f)=-{\frac {1}{90}}\cdot \left({\frac {2}{2}}\right)^{5}\cdot {\frac {4!}{\xi ^{5}}}=-{\frac {4}{15}}\cdot {\frac {1}{\xi ^{5}}}}
mit
ξ
∈
[
1
,
3
]
{\displaystyle \xi \in [1,3]}
Fehlerabschätzung:
|
E
(
f
)
|
≤
4
15
⋅
max
1
≤
ξ
≤
3
|
1
ξ
5
|
=
4
15
⋅
1
1
=
0
,
2
6
¯
{\displaystyle |E(f)|\leq {\frac {4}{15}}\cdot \max _{1\leq \xi \leq 3}\left|{\frac {1}{\xi ^{5}}}\right|={\frac {4}{15}}\cdot {\frac {1}{1}}=0{,}2{\overline {6}}}
Exakter Fehler:
|
E
(
f
)
|
=
|
∫
1
3
1
x
d
x
−
∫
1
3
p
2
(
x
)
d
x
|
=
|
1,098
61
23
…
−
1
,
1
¯
|
=
0,012
49
88
…
<
0
,
2
6
¯
{\displaystyle |E(f)|=\left|\int \limits _{1}^{3}{\frac {1}{x}}\,dx-\int \limits _{1}^{3}p_{2}(x)\,dx\right|=\left|1{,}09861\,23\dotso -1{,}{\overline {1}}\right|=0{,}01249\,88\dotso <0{,}2{\overline {6}}}
Die Stützstellen
t
i
{\displaystyle t_{i}}
gelten für das Integrationsintervall
[
0
,
1
]
{\displaystyle [0,1]}
:
t
0
=
1
n
+
2
,
t
i
=
i
+
1
n
+
2
,
t
n
=
n
+
1
n
+
2
{\displaystyle t_{0}={\tfrac {1}{n+2}},t_{i}={\tfrac {i+1}{n+2}},t_{n}={\tfrac {n+1}{n+2}}}
. Für ein allgemeines Intervall
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
sind die Stützstellen
x
i
=
a
+
t
i
⋅
(
b
−
a
)
{\displaystyle x_{i}=a+t_{i}\cdot (b-a)}
.
n
{\displaystyle n}
Name
Stützstellen
t
i
{\displaystyle t_{i}}
Gewichte
w
i
{\displaystyle w_{i}}
E
(
f
)
{\displaystyle E(f)}
0
Rechteckregel Mittelpunktsregel Tangententrapezregel
1
2
{\displaystyle {\frac {1}{2}}}
1
{\displaystyle 1\quad }
(
b
−
a
)
3
24
f
″
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {(b-a)^{3}}{24}}f''(\xi )}
1
1
3
2
3
{\displaystyle {\frac {1}{3}}\quad {\frac {2}{3}}}
1
2
1
2
{\displaystyle {\frac {1}{2}}\quad {\frac {1}{2}}}
3
(
b
−
a
3
)
3
4
f
″
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {3\left({\frac {b-a}{3}}\right)^{3}}{4}}f''(\xi )}
2
1
4
2
4
3
4
{\displaystyle {\frac {1}{4}}\quad {\frac {2}{4}}\quad {\frac {3}{4}}}
2
3
−
1
3
2
3
{\displaystyle {\frac {2}{3}}\quad -{\frac {1}{3}}\quad {\frac {2}{3}}}
14
(
b
−
a
4
)
5
45
f
(
4
)
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {14\left({\frac {b-a}{4}}\right)^{5}}{45}}f^{(4)}(\xi )}
3
1
5
2
5
3
5
4
5
{\displaystyle {\frac {1}{5}}\quad {\frac {2}{5}}\quad {\frac {3}{5}}\quad {\frac {4}{5}}}
11
24
1
24
1
24
11
24
{\displaystyle {\frac {11}{24}}\quad {\frac {1}{24}}\quad {\frac {1}{24}}\quad {\frac {11}{24}}}
95
(
b
−
a
5
)
5
144
f
(
4
)
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {95\left({\frac {b-a}{5}}\right)^{5}}{144}}f^{(4)}(\xi )}
4
1
6
2
6
3
6
4
6
5
6
{\displaystyle {\frac {1}{6}}\quad {\frac {2}{6}}\quad {\frac {3}{6}}\quad {\frac {4}{6}}\quad {\frac {5}{6}}}
11
20
−
14
20
26
20
−
14
20
11
20
{\displaystyle {\frac {11}{20}}\quad -{\frac {14}{20}}\quad {\frac {26}{20}}\quad -{\frac {14}{20}}\quad {\frac {11}{20}}}
41
(
b
−
a
6
)
7
140
f
(
6
)
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {41\left({\frac {b-a}{6}}\right)^{7}}{140}}f^{(6)}(\xi )}
5
1
7
2
7
3
7
4
7
5
7
6
7
{\displaystyle {\frac {1}{7}}\quad {\frac {2}{7}}\quad {\frac {3}{7}}\quad {\frac {4}{7}}\quad {\frac {5}{7}}\quad {\frac {6}{7}}}
611
1440
−
453
1440
562
1440
562
1440
−
453
1440
611
1440
{\displaystyle {\frac {611}{1440}}\quad -{\frac {453}{1440}}\quad {\frac {562}{1440}}\quad {\frac {562}{1440}}\quad -{\frac {453}{1440}}\quad {\frac {611}{1440}}}
5257
(
b
−
a
7
)
7
8640
f
(
6
)
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {5257\left({\frac {b-a}{7}}\right)^{7}}{8640}}f^{(6)}(\xi )}
6
1
8
2
8
3
8
4
8
5
8
6
8
7
8
{\displaystyle {\frac {1}{8}}\quad {\frac {2}{8}}\quad {\frac {3}{8}}\quad {\frac {4}{8}}\quad {\frac {5}{8}}\quad {\frac {6}{8}}\quad {\frac {7}{8}}}
460
945
−
954
945
2196
945
−
2459
945
2196
945
−
954
945
460
945
{\displaystyle {\frac {460}{945}}\quad -{\frac {954}{945}}\quad {\frac {2196}{945}}\quad -{\frac {2459}{945}}\quad {\frac {2196}{945}}\quad -{\frac {954}{945}}\quad {\frac {460}{945}}}
3956
(
b
−
a
8
)
9
14
175
f
(
8
)
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {3956\left({\frac {b-a}{8}}\right)^{9}}{14\,175}}f^{(8)}(\xi )}
Für
n
=
5
{\displaystyle n=5}
gilt
∑
i
=
0
n
|
w
i
|
=
3252
1440
=
2,258
33
3
…
{\displaystyle \textstyle \sum _{i=0}^{n}|w_{i}|={\frac {3252}{1440}}=2{,}25833\,3\dotso }
Für
n
=
6
{\displaystyle n=6}
gilt
∑
i
=
0
n
|
w
i
|
=
9679
945
=
10
,
24
…
{\displaystyle \textstyle \sum _{i=0}^{n}|w_{i}|={\frac {9679}{945}}=10{,}24\dotso }
Von diesen Formeln ist nur die Rechteckregel empfehlenswert. Die Formel für
n
=
1
{\displaystyle n=1}
hat bei höherem Aufwand die gleiche Ordnung wie die Rechteckregel, die höheren Formeln haben negative Gewichte.
Beispiel:
∫
1
3
1
x
d
x
=
ln
(
3
)
−
ln
(
1
)
=
ln
(
3
)
=
1,098
61
23
…
{\displaystyle \int \limits _{1}^{3}{\frac {1}{x}}\,dx=\ln(3)-\ln(1)=\ln(3)=1{,}09861\,23\dotso }
Näherung mit der Formel für
n
=
2
{\displaystyle n=2}
. Es gilt
h
=
b
−
a
n
+
2
=
2
4
=
1
2
{\displaystyle h={\frac {b-a}{n+2}}={\frac {2}{4}}={\frac {1}{2}}}
und
x
0
=
a
+
h
=
3
2
{\displaystyle x_{0}=a+h={\frac {3}{2}}}
.
∫
1
3
p
2
(
x
)
d
x
=
2
⋅
(
2
3
f
(
3
2
)
−
1
3
f
(
4
2
)
+
2
3
f
(
5
2
)
)
=
2
⋅
(
2
3
⋅
2
3
−
1
3
⋅
2
4
+
2
3
⋅
2
5
)
=
49
45
=
1
,
0
8
¯
{\displaystyle \int \limits _{1}^{3}p_{2}(x)\,dx=2\cdot \left({\frac {2}{3}}f\!\left({\frac {3}{2}}\right)-{\frac {1}{3}}f\!\left({\frac {4}{2}}\right)+{\frac {2}{3}}f\!\left({\frac {5}{2}}\right)\right)=2\cdot \left({\frac {2}{3}}\cdot {\frac {2}{3}}-{\frac {1}{3}}\cdot {\frac {2}{4}}+{\frac {2}{3}}\cdot {\frac {2}{5}}\right)={\frac {49}{45}}=1{,}0{\overline {8}}}
.
Verfahrensfehler: Mit
f
(
4
)
(
ξ
)
=
4
!
ξ
5
{\displaystyle f^{(4)}(\xi )={\frac {4!}{\xi ^{5}}}}
erhält man
E
(
f
)
=
14
45
⋅
(
2
4
)
5
⋅
4
!
ξ
5
=
7
30
⋅
1
ξ
5
{\displaystyle E(f)={\frac {14}{45}}\cdot \left({\frac {2}{4}}\right)^{5}\cdot {\frac {4!}{\xi ^{5}}}={\frac {7}{30}}\cdot {\frac {1}{\xi ^{5}}}}
mit
ξ
∈
[
1
,
3
]
{\displaystyle \xi \in [1,3]}
.
Fehlerabschätzung:
|
E
(
f
)
|
≤
7
30
⋅
max
1
≤
ξ
≤
3
|
1
ξ
5
|
=
7
30
⋅
1
1
=
0
,
2
3
¯
{\displaystyle |E(f)|\leq {\frac {7}{30}}\cdot \max _{1\leq \xi \leq 3}\left|{\frac {1}{\xi ^{5}}}\right|={\frac {7}{30}}\cdot {\frac {1}{1}}=0{,}2{\overline {3}}}
Exakter Fehler:
|
E
(
f
)
|
=
|
∫
1
3
1
x
d
x
−
∫
1
3
p
2
(
x
)
d
x
|
=
|
1,098
61
23
…
−
1
,
0
8
¯
|
=
0,009
72
33997
79
…
<
0
,
2
3
¯
{\displaystyle |E(f)|=\left|\int \limits _{1}^{3}{\frac {1}{x}}\,dx-\int \limits _{1}^{3}p_{2}(x)\,dx\right|=\left|1{,}09861\,23\dotso -1{,}0{\overline {8}}\right|=0{,}00972\,33997\,79\dotso <0{,}2{\overline {3}}}
Diese Formeln sind nach Colin Maclaurin benannt. Die Stützstellen
t
i
{\displaystyle t_{i}}
gelten für das Integrationsintervall
[
0
,
1
]
{\displaystyle [0,1]}
:
t
0
=
1
2
n
+
2
,
t
i
=
2
i
+
1
2
n
+
2
,
t
n
=
2
n
+
1
2
n
+
2
{\displaystyle t_{0}={\tfrac {1}{2n+2}},t_{i}={\tfrac {2i+1}{2n+2}},t_{n}={\tfrac {2n+1}{2n+2}}}
. Für ein allgemeines Intervall
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
sind die Stützstellen
x
i
=
a
+
t
i
⋅
(
b
−
a
)
{\displaystyle x_{i}=a+t_{i}\cdot (b-a)}
.
n
{\displaystyle n}
Name
Stützstellen
t
i
{\displaystyle t_{i}}
Gewichte
w
i
{\displaystyle w_{i}}
E
(
f
)
{\displaystyle E(f)}
0
Rechteckregel Mittelpunktsregel Tangententrapezregel
1
2
{\displaystyle {\frac {1}{2}}}
1
{\displaystyle 1\quad }
(
b
−
a
)
3
24
f
″
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {(b-a)^{3}}{24}}f''(\xi )}
1
1
4
3
4
{\displaystyle {\frac {1}{4}}\quad {\frac {3}{4}}}
1
2
1
2
{\displaystyle {\frac {1}{2}}\quad {\frac {1}{2}}}
(
b
−
a
2
)
3
12
f
″
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {\left({\frac {b-a}{2}}\right)^{3}}{12}}f''(\xi )}
2
1
6
1
2
5
6
{\displaystyle {\frac {1}{6}}\quad {\frac {1}{2}}\quad {\frac {5}{6}}}
3
8
2
8
3
8
{\displaystyle {\frac {3}{8}}\quad {\frac {2}{8}}\quad {\frac {3}{8}}}
21
(
b
−
a
3
)
5
640
f
(
4
)
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {21\left({\frac {b-a}{3}}\right)^{5}}{640}}f^{(4)}(\xi )}
3
1
8
3
8
5
8
7
8
{\displaystyle {\frac {1}{8}}\quad {\frac {3}{8}}\quad {\frac {5}{8}}\quad {\frac {7}{8}}}
13
48
11
48
11
48
13
48
{\displaystyle {\frac {13}{48}}\quad {\frac {11}{48}}\quad {\frac {11}{48}}\quad {\frac {13}{48}}}
103
(
b
−
a
4
)
5
1440
f
(
4
)
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {103\left({\frac {b-a}{4}}\right)^{5}}{1440}}f^{(4)}(\xi )}
4
1
10
3
10
5
10
7
10
9
10
{\displaystyle {\frac {1}{10}}\quad {\frac {3}{10}}\quad {\frac {5}{10}}\quad {\frac {7}{10}}\quad {\frac {9}{10}}}
275
1152
100
1152
402
1152
100
1152
275
1152
{\displaystyle {\frac {275}{1152}}\quad {\frac {100}{1152}}\quad {\frac {402}{1152}}\quad {\frac {100}{1152}}\quad {\frac {275}{1152}}}
5575
(
b
−
a
5
)
7
193
536
f
(
6
)
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {5575\left({\frac {b-a}{5}}\right)^{7}}{193\,536}}f^{(6)}(\xi )}
Für
n
=
6
{\displaystyle n=6}
gilt
∑
i
=
0
n
|
w
i
|
=
1,363
…
{\displaystyle \sum _{i=0}^{n}|w_{i}|=1{,}363\dotso }
Für
n
=
8
{\displaystyle n=8}
gilt
∑
i
=
0
n
|
w
i
|
=
3,433
…
{\displaystyle \sum _{i=0}^{n}|w_{i}|=3{,}433\dotso }
Beispiel:
∫
1
3
1
x
d
x
=
ln
(
3
)
−
ln
(
1
)
=
ln
(
3
)
=
1,098
61
23
…
{\displaystyle \int \limits _{1}^{3}{\frac {1}{x}}\,dx=\ln(3)-\ln(1)=\ln(3)=1{,}09861\,23\dotso }
Näherung mit der Formel für
n
=
2
{\displaystyle n=2}
. Es gilt
h
=
b
−
a
n
+
1
=
2
3
{\displaystyle h={\frac {b-a}{n+1}}={\frac {2}{3}}}
und
x
0
=
a
+
h
2
=
4
3
{\displaystyle x_{0}=a+{\frac {h}{2}}={\frac {4}{3}}}
.
∫
1
3
p
2
(
x
)
d
x
=
2
⋅
(
3
8
f
(
4
3
)
+
2
8
f
(
6
3
)
+
3
8
f
(
8
3
)
)
=
2
⋅
(
3
8
⋅
3
4
+
2
8
⋅
3
6
+
3
8
⋅
3
8
)
=
105
96
=
1,093
75
{\displaystyle \int \limits _{1}^{3}p_{2}(x)\,dx=2\cdot \left({\frac {3}{8}}f\!\left({\frac {4}{3}}\right)+{\frac {2}{8}}f\!\left({\frac {6}{3}}\right)+{\frac {3}{8}}f\!\left({\frac {8}{3}}\right)\right)=2\cdot \left({\frac {3}{8}}\cdot {\frac {3}{4}}+{\frac {2}{8}}\cdot {\frac {3}{6}}+{\frac {3}{8}}\cdot {\frac {3}{8}}\right)={\frac {105}{96}}=1{,}09375}
Verfahrensfehler: Mit
f
(
4
)
(
ξ
)
=
4
!
ξ
5
{\displaystyle f^{(4)}(\xi )={\frac {4!}{\xi ^{5}}}}
erhält man
E
(
f
)
=
21
640
⋅
(
2
3
)
5
⋅
4
!
ξ
5
=
14
135
⋅
1
ξ
5
{\displaystyle E(f)={\frac {21}{640}}\cdot \left({\frac {2}{3}}\right)^{5}\cdot {\frac {4!}{\xi ^{5}}}={\frac {14}{135}}\cdot {\frac {1}{\xi ^{5}}}}
mit
ξ
∈
[
1
,
3
]
{\displaystyle \xi \in [1,3]}
.
Fehlerabschätzung:
|
E
(
f
)
|
≤
14
135
⋅
max
1
≤
ξ
≤
3
|
1
ξ
5
|
=
14
135
⋅
1
1
=
0
,
1
037
¯
{\displaystyle |E(f)|\leq {\frac {14}{135}}\cdot \max _{1\leq \xi \leq 3}\left|{\frac {1}{\xi ^{5}}}\right|={\frac {14}{135}}\cdot {\frac {1}{1}}=0{,}1{\overline {037}}}
Exakter Fehler:
|
E
(
f
)
|
=
|
∫
1
3
1
x
d
x
−
∫
1
3
p
2
(
x
)
d
x
|
=
|
1,098
61
23
…
−
1,093
75
|
=
0,000
48
6229
…
<
0
,
1
037
¯
{\displaystyle |E(f)|=\left|\int \limits _{1}^{3}{\frac {1}{x}}\,dx-\int \limits _{1}^{3}p_{2}(x)\,dx\right|=|1{,}09861\,23\dotso -1{,}09375|=0{,}00048\,6229\dotso <0{,}1{\overline {037}}}
Ab Grad 8 treten bei vielen Newton-Cotes-Formeln negative Gewichte auf, was die Gefahr der Auslöschung mit sich bringt. Außerdem kann man im Allgemeinen keine Konvergenz erwarten, da die Polynominterpolation schlecht konditioniert ist. Bei größeren Integrationsbereichen
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
unterteilt man diese daher in einzelne Teilintervalle und wendet auf jedes einzelne Teilintervall eine Formel niedriger Ordnung an.
Literatur
Hans R. Schwarz, Norbert Köckler: Numerische Mathematik. 6. Auflage. Teubner, Stuttgart 2006, ISBN 3-519-42960-8 , S. 311–316.
Roland W. Freund, Ronald H. W. Hoppe: Stoer/Bulirsch: Numerische Mathematik 1. 10. Auflage. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-45389-5 , S. 164–169.
Michael R. Schäferkotter, Prem K. Kythe: Handbook of Computational Methods for Integration. Chapman & Hall, Boca Raton 2005, ISBN 1-58488-428-2 , S. 54–62, 503–505.
Günter Bärwolf: Numerik für Ingenieure, Physiker und Informatiker. ISBN 978-3-8274-1689-6 , Spektrum, München 2007, S. 128.
Gisela Engeln-Müllges , Klaus Niederdrenk, Reinhard Wodicka: Numerik-Algorithmen : Verfahren, Beispiele, Anwendungen. ISBN 978-3-642-13472-2 , Springer, Berlin und Heidelberg 2011.
Einzelnachweise
↑ Thomas Weddle (Newcastle-upon-Tyne ): A new simple and general method of solving numerical equations of all orders . Hamilton, Adams & Co. and J. Philipson, London 1842 (Internet Archive – 52 S.).
↑ WolframAlpha. wolframalpha.com, abgerufen am 14. September 2019 .