【Python数值积分】

数值积分

相对微分而言，积分的难度要大得多。虽然有很多可以用解析方法来计算和的积分，大部分情况下，我们需要使用数值的方法。

连续函数以及有限积分域的积分在单一维度上可以有效计算，但是对于带奇点或无限积分域的可积函数，即使是一维数值积分也很困难。二维积分和多重积分可以通过重复一维积分来进行计算，但是计算量会随着维度上升急剧增长。高维积分需要使用蒙特卡罗采样算法等技术。

除了进行数值计算外，积分还有很多其他同途：

1. 积分方程（含有未知函数的积分进行运算的方程）经常在科学和工程中使用。积分方程一般很难求解，通常可以将它们离散化，然后转换为线性方程组。
2. 积分变换，可用于不同域之间的函数和方程变换，例如傅里叶变换。

导入模块

本部分我们将主要使用SciPy的integrate模块进行数值积分。针对高精度浮点运算的需要，我们也会搭配使用SymPy和mpmath进行任意精度积分。

import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib as mpl

import numpy as np
from scipy import integrate
import sympy
import mpmath
%reload_ext version_information
%version_information numpy, matplotlib, scipy, sympy, mpmath

数值积分

我们将计算形式为$I(f)={\int }_a^{b}f(x)dx$的定积分，积分的上下限分别为a和b，区间可以是有限的、半无穷的和无穷的。

积分$I(f)$可以理解为积分函数$f(x)$的曲线和x轴之间的面积。

x = np.linspace(0, 5, 100)
plt.plot(x, np.sin(x))
plt.fill_between(x[np.sin(x) > 0], 0, np.sin(x[np.sin(x) > 0]), alpha = 0.6)
plt.fill_between(x[np.sin(x) < 0], 0, np.sin(x[np.sin(x) < 0]), alpha = 0.6)

一种计算上述形式积分$I(f)$的策略是，将积分写成积分函数值的离散和：

$$I(f)=\sum _{i=1}^n{w}_{i}f(x_i)+r_n$$

其中$w_i$是函数$f(x)$在点$x_i$处的权重，$r_n$是近似误差。

$I(f)$这个求和公式被称为n点求积法则，其中n的选择、点的位置、权重因子都会对计算的准确性和复杂性产生影响。

积分法则

积分法则可以通过在区间[a, b]上对函数$f(x)$进行插值推导而来。如果$x_i$在区间[a, b]上是均匀间隔的，那么可以使用多项式插值，得到的公式被称为牛顿-科特斯求积公式。

使用中间点的零阶多项式逼近$f(x)$，可以得到：
$${\int }_a^{b}f(x)dx\approx f(\frac{a+b}{2}){\int }_a^{b}dx=(b-a)\frac{a+b}{2}$$
这被称为中点公式。

使用一阶多项式（线性）逼近$f(x)$，可以得到：
$${\int }_a^{b}f(x)dx\approx \frac{b-a}{2}(f(a)+f(b))$$
这被称为梯形公式公式。

辛普森求积公式 Simpson’s rule

使用二阶插值多项式，将会得到辛普森公式：
$${\int }_a^{b}f(x)dx\approx \frac{b-a}{6}(f(a)+4f(\frac{a+b}{2})+f(b))$$
我们这里使用SymPy符号化推导该公式。

a, b, X = sympy.symbols("a, b, x")
f = sympy.Function("f")
x = a, (a+b)/2, b # simpson's rule
w = [sympy.symbols("w_%d" % i) for i in range(len(x))] 
q_rule = sum([w[i] * f(x[i]) for i in range(len(x))])
q_rule

为了得到适合权重因子$w_i$的值，我们使用多项式基函数 { ϕ n ( x ) = x n } n = 0 2 \left\{ \phi_n(x)=x^n \right\}_{n=0}^2 {ϕn​(x)=xn}n=02​对$f(x)$进行插值。

phi = [sympy.Lambda(X, X**n) for n in range(len(x))]
phi

将求和公式中的$f(x)$替换为基函数${\varphi }_n(x)$，对权重因子进行解析求解：

$$\sum _{i=1}^2{w}_i{\varphi }_n(x_i)={\int }_a^b{\varphi }_n(x)dx$$

eqs = [q_rule.subs(f, phi[n]) - sympy.integrate(phi[n](X), (X, a, b)) for n in range(len(phi))]
eqs

通过求解该线性方程组可以得到权重因子的解析表达式。

w_sol = sympy.solve(eqs, w)
w_sol

得到辛普森求积公式的解析表达式。

q_rule.subs(w_sol).simplify()

高斯求积公式 Gaussian quadrature

牛顿-科特斯求积公式的采样点在积分区间上是均匀分布的，对于非均匀分布采样，可以使用高斯求积公式。

我们可以把函数$f(x)$写作$ f(x) = W(x)g(x)$，其中$g(x)$是近似多项式， $W(x)$是已知的权重函数，这样我们就有

$${\int }_{-1}^{1}f(x)dx={\int }_{-1}^{1}W(x)g(x)dx\approx \sum _{i=1}^n{w}_i^{\prime }g(x_i)$$

常见的权重函数有$W(x)=(1-x^2{)}^{-1/2}$（高斯切比雪夫）、$W(x)=e^{-x^2}$（高斯埃米特）等。

权重函数$W(x)=1$时，关联多项式为勒让得多项式$P_n(x)$，这种方法通常称为高斯勒让德求积。

使用SciPy进行数值积分

SciPy的integrate模块中的数值求积函数可以分为两类：一类将被积函数作为Python函数传入，另一类将被积函数在给定点的样本值以数组的形式传入。第一类函数使用高斯求积法（quad、quadrature、fixed_quad），第二类函数使用牛顿-科斯特求积法（trapezoid、simpson、romb）。

高斯积分

quadrature函数是一个使用Python实现的自适应高斯求积程序。quadrature函数会重复调用fixed_quad函数，并不断增加多项式的次数，直到满足所需的精度。quad函数是对Fortran库QUADPACK的封装，有更好的性能。一般情况下优先使用quad函数。
考虑定积分${\int }_{-1}^1{e}^{-x^2}dx$

def f(x):
    return np.exp(-x**2)

val, err = integrate.quad(f, -1, 1)
val, err

quad函数返回一个元组，包含积分的数值结果和绝对误差估计。可以使用参数epsabs和epsrel来设置绝对误差和相对误差的容忍度。

quad函数的关键词参数args可以将函数的参数值传递给被积函数。
考虑含参数定积分${\int }_{-1}^{1}a{e}^{-(x-b{)}^2/c^2}dx$

def f(x, a, b, c):
    return a * np.exp(-((x-b)/c)**2)

val, err = integrate.quad(f, -1, 1, args=(1, 2, 3))
val, err

当被积分函数的变量不是第一个参数是，可以使用lambda函数来调整参数的顺序。

例如我们使用scipy.special模块的jv函数计算0阶贝塞尔函数的积分，jv函数的第一个参数是贝塞尔函数的阶数，第二个参数是变量x。

from scipy.special import jv

val, err = integrate.quad(lambda x: jv(0, x), 0, 5)
val, err

无穷积分

quad函数支持无穷积分。浮点数中的无穷表达式可以使用np.inf获得。

考虑使用quad函数计算${\int }_{-\infty }^{\infty }{e}^{-x^2}dx$

f = lambda x: np.exp(-x**2)
val, err = integrate.quad(f, -np.inf, np.inf)
val, err

发散函数积分

通过一些额外信息，quad函数也可以处理带可积奇点的函数。

考虑积分${\int }_{-1}^1\frac{1}{\sqrt{|x|}}dx$，被积函数在$x=0$处是发散的。

f = lambda x: 1/np.sqrt(abs(x))

fig, ax = plt.subplots(figsize=(8, 3))

a, b = -1, 1
x = np.linspace(a, b, 10000)
ax.plot(x, f(x), lw=2)
ax.fill_between(x, f(x), color='green', alpha=0.5)
ax.set_xlabel("$x$", fontsize=18)
ax.set_ylabel("$f(x)$", fontsize=18)
ax.set_ylim(0, 25)

integrate.quad(f, a, b) # 直接使用quad函数求积分，可能会失败

integrate.quad(f, a, b, points=[0])

quad函数的points参数可以设置需要绕过的点，从而正确地计算积分。

列表积分

quad函数只适合于被积函数可以被Python函数表示的积分。如果被积函数来自实验或者观察数据，其可能只可以在某些预先确定的点求值。这种情况下，可以使用牛顿-科特斯求积法，如之前介绍的中间点公式、梯形公式或辛普森公式。

在SciPy的integrate模块中，trapezoid和simpson函数分别实现了复化梯形公式和辛普森公式。这些函数的第一个参数是数组y，第二个参数是采样点数组x或者采样点间隔dx。
考虑积分${\int }_0^2\sqrt{x}dx$，积分区间为[0, 2]，采样点数目25。

f = lambda x: np.sqrt(x)
a, b = 0, 2
x = np.linspace(a, b, 25)
y = f(x)

fig, ax = plt.subplots(figsize=(8, 3))
ax.plot(x, y, 'bo')
xx = np.linspace(a, b, 500)
ax.plot(xx, f(xx), 'b-')
ax.fill_between(xx, f(xx), color='green', alpha=0.5)
ax.set_xlabel(r"$x$", fontsize=18)
ax.set_ylabel(r"$f(x)$", fontsize=18)

通过解析积分可以得到积分的精确值。

val_exact = 2.0/3.0 * (b-a)**(3.0/2.0)
val_exact

要计算这个积分，将数组y和x传递给trapezoid函数或simpson函数。

val_trapz = integrate.trapz(y, x)
val_trapz - val_exact

val_simps = integrate.simps(y, x)
val_simps - val_exact

trapezoid函数和simpson函数无法提供对误差的估计。提供准确度的方法是增加样品点的数量或者使用更高阶的方法。
integrate模块中的romb函数实现了Romberg方法。这种方法使用均匀间隔的采样点（数目为$2^n+1$），同时使用Richardson外推算法来加速梯形法的收敛。

x = np.linspace(a, b, 1 + 2**6)
y = f(x)
val_romb = integrate.romb(y, dx=(x[1]-x[0]))
val_romb - val_exact

一般情况下，推荐使用simpson函数。

多重积分

多重积分，例如二重积分${\int }_a^b{\int }_c^{d}f(x,y)dxdy$和三重积分${\int }_a^b{\int }_c^d{\int }_e^{f}f(x,y,z)dxdydz$，可以使用SciPy的integrate模块的dblquad和tplquad函数。n个变量的积分也可以使用nquad函数来计算。这些函数都是对单变量求积函数quad的封装，沿着被积函数每个维度重复调用quad函数。
考虑二重积分${\int }_0^1{\int }_0^1{e}^{-x^2-y^2}dxdy$

def f(x, y):
    return np.exp(-x**2-y**2)

fig, ax = plt.subplots(figsize=(6, 5))

x = y = np.linspace(-1.25, 1.25, 75)
X, Y = np.meshgrid(x, y)

c = ax.contour(X, Y, f(X, Y), 15, cmap=mpl.cm.RdBu, vmin=-1, vmax=1)

bound_rect = plt.Rectangle((0, 0), 1, 1,
                           facecolor="grey")
ax.add_patch(bound_rect)

ax.axis('tight')
ax.set_xlabel('$x$', fontsize=18)
ax.set_ylabel('$y$', fontsize=18)

本例中，x和y的积分限都是固定的。dblquad函数要求y变量的积分限用变量为x的函数表示，因此我们需要定义两个函数$g(x)$和$h(x)$，二者返回常量。

a, b = 0, 1

g = lambda x: 0
h = lambda x: 1

val, err = integrate.dblquad(f, a, b, g, h)  # 参数g和h为函数
val, err

对于形如${\int }_0^1{\int }_0^1{\int }_0^1{e}^{-x^2-y^2-z^2}dxdydz$的三重积分，可以使用nquad函数计算。除了继续使用$g(x)$和$h(x)$表示y轴的积分限之外，我们需要额外提供两个函数$q(x,y)$和$r(x,y)$表示z轴的积分限。注意这里使用了x和y两个坐标。

def f(x, y, z):
    return np.exp(-x**2-y**2-z**2)

val, err = integrate.tplquad(f, 0, 1, lambda x : 0, lambda x : 1, lambda x, y : 0, lambda x, y : 1)
val, err

对于任意维度数目的积分，可以使用nquad函数。它的第二个参数是用于指定积分限的列表，列表里面包含每个积分变量的积分限元组，或者包含能够返回积分限的函数。

integrate.nquad(f, [(0, 1), (0, 1), (0, 1)])  # 元素相同的列表可以使用 [(0, 1)] * 3 生成

维数灾难

在数值积分中，多重积分的计算复杂度和维数成指数关系。

def f(*args):
    return  np.exp(-np.sum(np.array(args)**2))

for dim in range(1, 5):
    print(dim)
    %time integrate.nquad(f, [(0,1)] * dim)

随着维数增加，高维积分的直接求积方法变得不切实际。如果对计算精度要求不是非常高，可以使用蒙特卡罗积分。蒙特卡罗积分在维度上的扩展性非常好，对于高维积分是一种有效的工具。

符号积分和任意精度积分

在符号计算的章节，我们已经演示了使用SymPy的sympy.integrate函数来计算符号函数的有限积分和无限积分。

例如，计算积分${\int }_{-1}^{1}2\sqrt{1-x^2}dx$

x = sympy.symbols("x")
f = 2 * sympy.sqrt(1-x**2)
a, b = -1, 1
sympy.plot(f, (x, -2, 2))

val_sym = sympy.integrate(f, (x, a, b))
val_sym

存在精确解析解的问题是一种特例。数值方法的精度受算法和浮点精度制约。mpmath库为任意精度计算提供了数值方法。为了按照给定的精度计算积分，可以使用mpmath.quad函数。为了设置精度，我们把变量mpmath.mp.dps设置为所需精度的小数位数。

mpmath.mp.dps = 75  # 75位小数的精度

被积分的Python函数可以使用mpmath库中的数学函数。可以使用sympy.lambdify从一个SymPy表达式中创建这样的函数。

f_mpmath = sympy.lambdify(x, f, 'mpmath')
val = mpmath.quad(f_mpmath, (a, b))
val  # 返回的对象类型是高精度浮点数

sympy.sympify(val)

我们可以将这个结果与解析结果进行对比。

sympy.N(val_sym, mpmath.mp.dps+1) - val

SciPy的integrate模块中的quad函数无法达到这样的精度，因为受浮点数精度的限制。

多重积分

mpmath库中的quad函数也可以用于计算多重积分。计算这样的积分，只需要把拥有多个变量参数的被积函数传给quad函数，并未每个积分变量传入积分限的元组。

计算下面的双重积分 ${\int }_0^1{\int }_0^1\cos (x)\cos (y)e^{-x^2-y^2}dx$

def f2(x, y):
    return np.cos(x)*np.cos(y)*np.exp(-x**2-y**2)

integrate.dblquad(f2, 0, 1, lambda x : 0, lambda x : 1)

x, y, z = sympy.symbols("x, y, z")
f2 = sympy.cos(x)*sympy.cos(y)*sympy.exp(-x**2-y**2)

f2_mpmath = sympy.lambdify((x, y), f2, 'mpmath')

mpmath.mp.dps = 30  # 指定计算精度
res = mpmath.quad(f2_mpmath, (0, 1), (0, 1))
res

由于高精度浮点运算是在CPU上模拟实现的，缺点是非常慢。

曲线积分

SymPy可以使用line_integral函数来计算形如 ${\int }_{C}f(x,y)ds$的曲线积分，其中C是x-y平面上的曲线。该函数的第一个参数是SymPy表示的被积函数，第二个参数是一个sympy.Curve实例，第三个参数是积分变量的列表。

例如，创建Curve实例来表示单位圆的路径。

t, x, y = sympy.symbols("t, x, y")
C = sympy.Curve([sympy.cos(t), sympy.sin(t)], (t, 0, 2 * sympy.pi))

积分路径指定之后，我们对被积函数$f(x,y)=1$进行积分，积分结果就是圆的周长。

sympy.line_integrate(1, C, [x, y])

积分变换

积分变换是将一个函数作为输入，然后输出另有一个函数的过程。这里我们介绍使用SymPy支持的两种积分变换，拉普拉斯变换和傅里叶变换。这两种变换有很多应用，例如可以使用拉普拉斯变换将微分方程转换为代数方程，或者使用傅里叶变换将时域问题转换为频域问题。

一般来说，函数$f(t)$的积分变换可以写为：

$$T_f(u)={\int }_{t_1}^{t_2}K(t,u)f(t)dt$$

其中$T_f(u)$是变换后的函数，$K(t,u)$是变换的核函数。

积分变换的逆变换是：

$$f(t)={\int }_{u_1}^{u_2}{K}^{-1}(t,u)T_f(u)du$$

其中$K^{-1}(t,u)$是核函数的逆变换。

拉普拉斯变换
$$F(s)={\int }_0^{\infty }f(t)e^{-st}\mathrm{d}t$$
及其逆变换
f ( t ) = L − 1 { F } ( t ) = 1 2 π i lim ⁡ T → ∞ ∫ γ − i T γ + i T e s t F ( s )   d s f(t)={\mathcal {L}}^{-1}\{F\}(t)={\frac {1}{2\pi i}}\lim _{T\to \infty }\int _{\gamma -iT}^{\gamma +iT}e^{st}F(s)\,\mathrm {d} s f(t)=L−1{F}(t)=2πi1​T→∞lim​∫γ−iTγ+iT​estF(s)ds
以及傅里叶变换
$$\hat{f}(\xi )={\int }_{-\infty }^{\infty }f(x)e^{-2\pi ix\xi }dx$$
及其逆变换
$$f(x)={\int }_{-\infty }^{\infty }\hat{f}(\xi )e^{2\pi i\xi x}d\xi$$
在SymPy中，拉普拉斯变换和傅里叶变换对应的函数为sympy.laplace_transform和sympy.fourier_transform，其逆变换为sympy.inverse_laplace_transform和sympy.inverse_fourier_transform。
示例 计算函数$f(t)=\sin (at)$的拉普拉斯变换

s = sympy.symbols("s")
a, t = sympy.symbols("a, t", positive=True)
f = sympy.sin(a*t)
sympy.laplace_transform(f, t, s)

默认情况下，laplace_transform函数返回一个元组，包含转换结果和变换的收敛条件。如果只需要转换结果，可以使用参数noconds=True去除返回中的条件。

F = sympy.laplace_transform(f, t, s, noconds=True)
F

逆变换将得到原始函数：

sympy.inverse_laplace_transform(F, s, t, noconds=True)

我们将在微分方程章节中拉普拉斯变换的应用。
示例 计算函数$f(t)=e^{-a{t}^2}$的傅里叶变换

w = sympy.symbols("omega")
a, t = sympy.symbols("a, t", positive=True)
f = sympy.exp(-a*t**2)
F = sympy.fourier_transform(f, t, w)
F

sympy.inverse_fourier_transform(F, w, t)

我们在将在信号处理章节中演示傅里叶变换在降噪中的应用。

参考文献来自桑鸿乾老师的课件：科学计算和人工智能文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-400326.html

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