심슨의 법칙

Simpson's rule
심슨의 규칙은 2차 보간체 P(x) (빨간색)에 의한 적분 및 f(x) (파란색)의 근사치로 도출할 수 있다.
심슨의 법칙이 포물선과 함수의 근사치를 보여주는 애니메이션과 줄어든 스텝 사이즈로 인한 오류 감소
심슨의 규칙 근사치가 더 많은 스트립과 함께 어떻게 개선되는지 보여주는 애니메이션.

수치적 통합에서 심슨의 규칙토마스 심슨(1710–1761)의 이름을 따서 명명된 명확한 통합에 대한 몇 가지 근사치들이다.

심슨의 1/3 규칙 또는 단지 심슨의 규칙이라고 불리는 이 규칙들 중 가장 기본적인 것은 읽는다.

독일어 및 일부 다른 언어에서는 요하네스 케플러의 이름을 따서 지었는데, 1615년 와인 배럴(바렐 룰, 케플러스체 파스레겔)에 쓰이는 것을 보고 파생한 것이다. f가 3도까지의 다항식일 경우 규칙의 대략적인 동일성이 정확해진다.

통합 범위[a, b]의 n개의 동일한 세분류에 1/3 규칙이 적용되는 경우 복합 심슨의 규칙을 얻는다. 통합 범위 내의 점에는 4/3과 2/3의 가중치가 번갈아 주어진다.

심슨의 두 번째 규칙이라고도 불리는 심슨의 3/8 규칙통합 범위 내에서 기능 평가를 한 번 더 요구하고 오차 한도를 낮추지만 오류 순서에 따라 개선되지는 않는다.

심슨의 1/3과 3/8 규칙은 닫힌 뉴턴-코트 공식의 두 가지 특별한 경우다.

해군 건축과 선박 안정성 평가에서도 일반적인 수치 분석에 특별한 중요성이 없는 심슨제3규칙(선박 안정성)이 존재한다.

심슨의 1/3 규칙

파생어

이차 보간법

One derivation replaces the integrand by the quadratic polynomial (i.e. parabola) that takes the same values as at the end points and and the midpoint Lagrange 다항식 보간법을 사용하여 이 다항식의 식을 찾을 수 있다.

대체에 의한 통합을 이용하면, 을 보여줄[1] 수 있다.
h = ( - ) / 2 를) 도입하면 이 또한 일반적으로 다음과 같이 기록된다.
/ 1/ 요소 때문에 심슨의 규칙은 "심슨의 1/3 규칙"(일반화는 아래 참조)이라고도 한다.

중간점 및 사다리꼴 규칙의 평균화

또 다른 유래는 심슨의 법칙을 두 가지 더 간단한 근사치로부터 구성한다: 중간점 법칙

그리고 사다리꼴 법칙

이 근사치의 오류는

그리고
여기서 각각 (( - ) ) (- 에 무증상 비례하는 용어를 나타낸다(( - ) {\ 항이 같지 않음. 자세한 내용은 Big O 표기법을 참조하십시오. 가중 평균을 취하면 선행 오차항이 사라지는 중간점 및 사다리꼴 규칙의 오류에 대한 위의 공식에 따른다.
이 가중 평균은 정확히 심슨의 규칙이다.

다른 근사치(예: 점이 두 배 많은 사다리꼴 규칙)를 사용하면 적절한 가중 평균을 취하고 다른 오차항을 제거할 수 있다. 이것이 롬버그의 방법이다.

결정되지 않은 계수

세 번째 파생은 안사츠에서 시작된다.

계수 α, β 및 γ은 이 근사치가 모든 2차 다항식에 대해 정확하도록 요구하여 고정할 수 있다. 이것은 심슨의 지배를 낳는다.

오류

= 에 대한 심슨의 규칙에 의한 적분 근사치의 오류는 다음과 같다.

여기서 그리스 문자 xi)는 (와) 사이의 일부 숫자다[2]

오류는 점증적으로(- a) 에 비례하는 것으로서 그러나 위의 파생은(- a 에 비례하는 오류를 암시한다 심슨의 규칙은 통합과 평가되는 지점들이 간격에 대칭적으로 분포되기 때문에 추가 순서를 얻는다. b

오차항은 에서 f의 네 번째 파생상품에 비례하므로, 이는 심슨의 규칙이 3도 이하의 모든 다항식 에 대해 정확한 결과를 제공한다는 것을 보여준다 이러한 다항식의 네 번째 파생상품은 모든 점에서 0이기 때문이다.

두 번째 파생 모델 f이() 존재하며 간격 ) 볼록한 경우

복합 심슨의 법칙

간격[ a , (가) 어떤 의미에서 "작음"이라면, = 2 절연을 가진 심슨의 규칙은 정확한 적분에 대한 적절한 근사를 제공할 것이다. "작다"는 것은 통합되는 기능이[ a, 간격에 걸쳐 비교적 부드럽다는 것을 의미한다 그러한 기능에 대해서는 심슨의 규칙에 사용된 것과 같은 부드러운 2차 보간물이 좋은 결과를 줄 것이다.

그러나 우리가 통합하고자 하는 기능이 그 간격을 두고 매끄럽지 못한 경우가 많다. 일반적으로 이것은 함수가 매우 진동적이거나 특정 지점에서 파생상품이 부족하다는 것을 의미한다. 이런 경우 심슨의 통치는 매우 나쁜 결과를 줄 수도 있다. 이 문제를 처리하는 한 가지 일반적인 방법은 간격 [, 을(를) > 개의 작은 하위 절편으로 나누는 것이다. 그런 다음 심슨의 규칙은 각 하위 절에 적용되며, 결과는 전체 간격에 걸쳐 적분들에 대한 근사치를 산출하기 위해 합산된다. 이런 종류의 접근은 복합 심슨의 법칙이라고 불린다.

간격[ , 이(가) n 하위 절편으로 분할되고 n이(가) 짝수라고 가정합시다. 그 후, 복합 심슨의 규칙은 다음과 같다.

where for with ; in particular, and . = }을를) 가진 이 복합 규칙은 앞의 섹션의 일반 심슨 규칙과 일치한다.

복합 심슨의 법칙에 의해 저질러진 오류는

서 ▼ (는) 와) 사이의 일부 번호로, = - a)/ 은 "단계 길이"[3]이다. 오차는 (절대값으로) 에 의해 제한된다.

이 공식은 동일한 길이의 하위 절편에서[ , 간격을 분할한다. 실제로 길이가 다른 서브인터레이션을 사용하고 통합이 잘 안 되는 곳에 노력을 집중하는 것이 유리할 때가 많다. 이것은 적응 심슨의 방법으로 이어진다.

심슨의 3/8 규칙

심슨의 두 번째 규칙이라고도 불리는 심슨의 3/8 규칙은 토마스 심슨이 제안한 또 다른 수치 통합 방법이다. 그것은 2차 보간보다는 입방 보간법에 근거한다. 심슨의 3/8 규칙은 다음과 같다.

여기서 b - a = 3h.

이 방법의 오류는

서 ▼ (는) (와) 사이의 일부 번호 따라서 3/8규칙은 표준법보다 약 2배 정도 정확하지만 함수 값은 1배 정도 더 사용한다. 복합 3/8 규칙도 위와 유사하게 존재한다.[4]

임의 수준의 다항식을 사용한 보간술에 대한 이 개념의 추가 일반화는 뉴턴-코트 공식이다.

복합 심슨의 3/8 법칙

간격[ , 을(를) h=(- a/ n 의 n 하위 절편으로 나누고 노드 =+ i}=한다

규칙의 나머지는 다음과[4] 같이 표시된다.

(가) 3의 배수인 경우에만 이 기능을 사용할 수 있다. 1/3 규칙은 오차항의 순서를 변경하지 않고 남아 있는 하위절차에 사용할 수 있다(반대로 3/8규칙은 홀수 하위절차에 대해 복합 1/3규칙과 함께 사용할 수 있다).

대안적 확장 심슨의 법칙

이것은 복합 심슨 법칙의 또 다른 공식이다. 심슨의 법칙을 근사치할 적분들의 분리 부분에 적용하는 대신에 심슨의 규칙은 중복되는 부분들에 적용되어 양보된다[5].

위의 공식은 원래 복합 심슨의 법칙과 극단적 하위절차에 심슨의 3/8 규칙을 사용하고 나머지 하위절차에 표준 3점 규칙을 사용함으로써 얻어진다. 그 다음 두 공식의 평균을 취함으로써 결과를 얻는다.

좁은 봉우리들의 경우 심슨의 법칙

좁은 피크 유사 함수의 전체 영역을 추정하는 작업에서 심슨의 규칙은 사다리꼴 규칙보다 훨씬 덜 효율적이다. 즉, 복합 심슨의 1/3 법칙은 사다리꼴 법칙과 동일한 정확도를[6] 얻기 위해 1.8배 이상의 점수를 필요로 한다. 복합 심슨의 3/8 법칙은 훨씬 더 정확하지 않다. 심슨의 1/3 규칙에 의해 적분된 것은 사다리꼴 규칙에 의한 적분 2/3과 스텝 h에 의한 적분 1/3의 합으로 나타낼 수 있으며, 그 정확도는 스텝 2h의 직사각형 규칙에 의해 좌우된다. 적절하게 변경된 프레임으로 심슨의 1/3 규칙 복합 합계를 평균하면 다음과 같은 규칙이 생성된다.

통합 지역 외부의 2개 지점이 악용되는 경우
통합 영역 내의 점만 사용되는 경우. 두 번째 규칙을 3점 영역에 적용하면 심폰의 1/3 규칙, 4개의 포인 - 3/8 규칙이 생성된다.

이 규칙들은 심슨의 대체적인 확장된 심슨의 규칙과 매우 유사하다. 통합되는 영역의 주요 부분 내의 계수는 1이며, 차이는 가장자리에만 있다. 이 두 규칙은 첫 번째 파생상품 용어를 사용하는 오일러-맥라우린 공식과 연관될 수 있으며, 이름오일러-맥라우린 통합 규칙으로 명명했다.[6] 위에 제시된 두 가지 규칙은 지역 엔드에서의 첫 번째 파생상품이 계산되는 방식에서만 다르다. 오일러-맥라우린 통합 규칙의 첫 번째 파생상품 용어는 두 번째 파생상품의 적분을 설명하며, 이는 통합지역 가장자리의 첫 번째 파생상품의 차이와 같다. 오일러-매클라우린 공식으로 정의한 계수를 갖는 파생상품에 3번째, 5번째 등의 차이를 더하면 더 높은 순서의 오일러-매클라우린 규칙을 생성할 수 있다.

불규칙한 간격의 데이터에 대한 복합 심슨의 규칙

일부 애플리케이션의 경우 통합 간격 =[ , 을(를) 불균일한 간격으로 나눌 필요가 있으며, 이는 데이터 샘플링이 불균일하거나 데이터 포인트가 누락되거나 손상되었기 때문일 수 있다. 구간 을(를) 폭 h 하위 절편 N 으로 나눈다고 가정합시다. 그 후 심슨의 법칙은 다음과[7][8] 같다.

어디에
간격 의 샘플링 포인트에 함수 값이다

하위절차의 홀수 인 경우 위의 공식을 두 번째에서 마지막 간격까지 사용하고, 결과에 다음을 추가하여 마지막 간격을 별도로 처리한다.[citation needed]

어디에

참고 항목

메모들

  1. ^ 앳킨슨, 페이지 256; 쉴리와 메이어스, 제7.2조.
  2. ^ 앳킨슨, 방정식(5.1.15); 슐리와 메이어스, 정리 7.2.
  3. ^ 앳킨슨, 페이지 257–258; 슐리와 메이어스, §7.5.
  4. ^ Jump up to: a b 매튜스(2004)
  5. ^ (1989), 페이지 122를 누른다.
  6. ^ Jump up to: a b Kalambet, Yuri; Kozmin, Yuri; Samokhin, Andrey (2018). "Comparison of integration rules in the case of very narrow chromatographic peaks". Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems. 179: 22–30. doi:10.1016/j.chemolab.2018.06.001. ISSN 0169-7439.
  7. ^ Kylänpää, Ilkka (2019). Computational Physics course. Tampere University.
  8. ^ Shklov, N. (December 1960). "Simpson's Rule for Unequally Spaced Ordinates". The American Mathematical Monthly. 67 (10): 1022. doi:10.2307/2309244.

참조

외부 링크

이 글에는 크리에이티브 커먼스 귀속/공유 앨리케 라이센스에 따라 라이센스가 부여된 PlanetMath에 대한 심슨 규정의 코드 자료가 포함되어 있다.