5.4 龙贝格算法-Toy模板网

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5.4 龙贝格算法

为什么有龙贝格算法：

龙贝格算法是一种数值积分方法，用于计算定积分的数值近似值。它是基于复合梯形法和复合辛普森法的推广和拓展，可以达到更高的精度。相较于复合梯形法和复合辛普森法，龙贝格算法的收敛速度更快，且误差更小，因此在计算积分时更加精确。此外，龙贝格算法具有简单的递推公式和容易实现的特点，因此被广泛应用于实际计算中。

5.4 龙贝格算法

龙贝格算法：

龙贝格算法是一种基于复合梯形公式的数值积分算法，用于计算定积分的近似值。它是一种自适应算法，通过逐步增加划分数目，逐步逼近精确解。

算法的基本思想是：首先用复合梯形公式计算出一组初始积分值，然后通过加权平均、递归和外推的方式逐步提高积分精度，最终得到一个更加准确的积分近似值。

具体而言，假设我们要计算函数 $f(x)$ 在区间 $[a,b]$ 上的定积分 $I=\int_{a}^{b}f(x)dx$。将区间 $[a,b]$ 划分成 $2^n$ 个小区间，并将每个小区间的长度设为 $h=(b-a)/2^n$。则复合梯形公式的积分近似值为：

5.4 龙贝格算法

其中 $T_0$ 是零阶逼近值，$h$ 是步长，$i$ 是整数。

然后，我们可以通过递归求得更高阶的逼近值，递推公式为：

5.4 龙贝格算法

其中 $T_{m,k}$ 表示使用 $2^m$ 个区间时，第 $k$ 个逼近值，$m$ 表示迭代次数，$k$ 表示在第 $m$ 次迭代中从左向右第 $k$ 个逼近值。

通过不断迭代，我们可以得到更加准确的积分近似值，同时也可以得到一些误差估计值。

龙贝格算法的优点在于，它可以自适应地调整步长和划分数目，使得积分精度更高，同时也可以更好地控制计算误差。

龙贝格序列：

龙贝格序列是用于龙贝格算法的一个数列，通常表示为 $R_{m,n}$，其中 $m$ 表示使用 $2^m$ 个子区间进行数值积分，$n$ 表示使用 $n$ 阶的复合梯形公式。龙贝格序列的计算通过一个递归的过程完成。

首先，使用 $n=1$ 阶的复合梯形公式计算 $R_{0,1}$，即将区间 $[a,b]$ 平分成两部分，计算每一部分上的梯形面积，然后将它们相加。此时，$R_{0,1}$ 就是数值积分的第一个近似值。

然后，利用递推公式：

5.4 龙贝格算法

计算 $R_{1,1}$，$R_{2,1}$，直到 $R_{k,k}$，其中 $k$ 取决于需要达到的精度。每一步通过增加阶数 $n$ 来提高精度。最终的数值积分值近似等于 $R_{k,k}$。值得注意的是，递推公式中的 $4^n$ 出现是因为龙贝格算法的核心是基于 Richardson 外推方法，其系数为 $4^n$。

通过递推公式，每次将阶数增加 $1$，可以使用相同的区间数量计算出更高阶的复合梯形公式，从而提高数值积分的精度。在计算龙贝格序列时，需要注意一些细节，如选择合适的递推次数、判断收敛性等等。

5.4 龙贝格算法