Список квадратурных формул

Материал из testwiki
Перейти к навигации Перейти к поиску

В данной статье приведен список различных квадратурных формул для численного интегрирования.

Обозначения

В общем виде формула численного интегрирования записывается следующим образом:

Ωxf(x)dx=i=1mgwi~f(xi)=i=1mgwi|det(J(ξi))|f(x(ξi)),
  • f(x) — интегрируемая функция;
  • wi — веса интегрирования;
  • ξ — система координат мастер-элемента;
  • J(ξ)=(x1,,xn)(ξ1,ξn) — матрица Якоби для перехода на мастер-элемент.

В силу аддитивности интеграла в качестве области интегрирования Ω будут рассматриваться простые области (треугольник, четырёхугольник, тетраэдр и так далее), при сложной геометрии область можно представить как объединение простых и посчитать интеграл по ним или представить с помощью сплайна отображение на мастер-элемент.

В статье для обозначения естественных координат будут использоваться переменные x,y,z, для обозначения координат мастер-элемента — ξ,η,ζ.

Одномерный интеграл

Численное интегрирование на мастер-элементе функции x5+6x2+1 методом гаусса-3

Одномерное интегрирование — это всегда интегрирование по отрезку.

  • Область интегрирования: отрезок [x0,x1];
  • Мастер-элемент: отрезок [1,1];
  • Переход на мастер-элемент: ξ(x)=2xx0x1x01;
  • Переход с мастер-элемента: x(ξ)=(x1x0)(ξ+1)2+x0;
  • Якобиан: det(J(ξ))=x1x02.
Номер Число точек Порядок интегрирования ξ w Дополнительно
1 1 1 0 2 Метод прямоугольников
2 2 1 1 1 Метод трапеций
1 1
3 2 3 13 1 Метод Гаусса-2
13 1
4 3 3 1 13 Метод Симпсона
0 43
1 13
5 3 5 35 59 Метод Гаусса-3
0 89
35 59
6 4 7 372765 18+3036 Метод Гаусса-4
372765 18+3036
37+2765 183036
37+2765 183036
7 5 9 0 128225 Метод Гаусса-5
1352107 322+1370900
1352107 322+1370900
135+2107 3221370900
135+2107 3221370900

Двухмерный интеграл

Квадратный мастер-элемент

Квадратный мастер-элемент с изображенной 12-и точечной формулой
  • Область интегрирования: прямоугольник [x0,x1]×[y0,y1]
  • Мастер-элемент: квадрат [1,1]×[1,1]
  • Переход на мастер-элемент:
ξ(x,y)=2xx0x1x01
η(x,y)=2yy0y1y01;
  • Переход с мастер-элемента:
x(ξ,η)=(x1x0)(ξ+1)2+x0
y(ξ,η)=(y1y0)(η+1)2+y0;
  • Якобиан: det(J(ξ,η))=(x1x0)(y1y0)4.

Данные формулы интегрирования можно использовать и когда область интегрирования — выпуклый четырёхугольник, но тогда формулы перехода на мастер-элемент (и обратно) не будут иметь такой простой вид. Получить выражение для перехода можно используя интерполяционный полином.
Многие из формул интегрирования по квадрату можно получить, как комбинацию формул по отрезку: в качестве точек интегрирования берутся все возможные пары одномерных точек, а в качестве весов — соответствующие произведения весов интегрирования. Примерами таких методов в таблице ниже являются метод прямоугольников, метод трапеций и метод Гаусса-2.

Номер Число точек Порядок интегрирования ξ η w Дополнительно
1 1 1 0 0 4 Метод прямоугольников (метод среднего)
2 4 1 1 1 1 Метод трапеций
1 1 1
1 1 1
1 1 1
3 4 3 13 13 1 Метод Гаусса-2
13 13 1
13 13 1
13 13 1
4 12 7 c 0 wc a=1143583287
b=114+3583287
c=67
wa=307810+923270583
wb=307810923270583
wc=98405
Число узлов минимальноШаблон:Sfn.
c 0 wc
0 c wc
0 c wc
a a wa
a a wa
a a wa
a a wa
b b wb
b b wb
b b wb
b b wb

Треугольный мастер-элемент

Треугольный мастер-элемент, с точками Гаусса-4
  • Область интегрирования: треугольник, образованный вершинами (x1,y1),(x2,y2),(x3,y3);
  • Мастер-элемент: треугольник, образованный вершинами (0,0),(1,0),(0,1).

Для перехода на мастер-элемент используются барицентрические координаты (L-координаты), обозначим их λ1,λ2,λ3.

λi(x,y)=αi1x+αi2y+αi3

Для вычисления коэффициентов L-координат используется матрица D:

D=(x1x2x3y1y2y3111)

Матрица коэффициентов обратна к D: A=D1.

  • Переход на мастер элемент:
ξ(x,y)=λ1(x,y)
η(x,y)=λ2(x,y)
  • Переход с мастер элемента:
(xy1)=D(ξη1ξη)
  • Якобиан : det(J(ξ,η))=det(D).
Номер Число точек Порядок интегрирования ξ η w Дополнительно
1 1 1 13 13 12 Метод среднего
2 3 2 12 0 16 -
0 12 16
12 12 16
2 3 2 16 16 16 Метод Гаусса-3
23 16 16
16 23 16
4 4 3 13 13 932 Метод Гаусса-4
35 15 2596
15 35 2596
15 15 2596
5 7 3 13 13 940 Метод Ньютона-Котеса (Шаблон:Lang-enШаблон:Ref-en)
12 0 115
12 12 115
0 12 115
1 0 140
0 1 140
0 0 140

Трёхмерный интеграл

Кубический мастер-элемент

Кубический мастер-элемент, с изображенной 14-и точечной формулой
  • Область интегрирования: параллелепипед [x0,x1]×[y0,y1]×[z0,z1]
  • Мастер-элемент: куб [1,1]×[1,1]×[1,1]
  • Переход на мастер-элемент:
ξ(x,y,z)=2xx0x1x01
η(x,y,z)=2yy0y1y01
ζ(x,y,z)=2zz0z1z01
  • Переход с мастер-элемента:
x(ξ,η,ζ)=(x1x0)(ξ+1)2+x0
y(ξ,η,ζ)=(y1y0)(η+1)2+y0;
z(ξ,η,ζ)=(z1z0)(ζ+1)2+z0;
  • Якобиан: det(J(ξ,η,ζ))=(x1x0)(y1y0)(z1z0)8.

Аналогично как и для квадрата, куб можно использовать как мастер-элемент Шаблон:Уточнить2, но тогда формулы перехода и якобиана усложнится.
Так же, аналогично с квадратом, многие формулы интегрирования по кубу можно получить из формул интегрирования по отрезку, координаты узлов — это все возможные тройки координат одномерной формулы, а веса интегрирования — произведение соответствующих весов одномерной формулы.

Номер Число точек Порядок интегрирования ξ η ζ w Дополнительно
1 1 1 0 0 0 8 Метод прямоугольников (метод среднего)
2 8 3 13 13 13 1 Метод Гаусса-2
13 13 13 1
13 13 13 1
13 13 13 1
13 13 13 1
13 13 13 1
13 13 13 1
13 13 13 1
3 14 5 1930 0 0 320361 Число узлов в классе формул с порядком аппроксимации 5 и не содержащих начало координат минимально.Шаблон:Sfn
1930 0 0 320361
0 1930 0 320361
0 1930 0 320361
0 0 1930 320361
0 0 1930 320361
1933 1933 1933 121361
1933 1933 1933 121361
1933 1933 1933 121361
1933 1933 1933 121361
1933 1933 1933 121361
1933 1933 1933 121361
1933 1933 1933 121361
1933 1933 1933 121361

Поскольку формулы интегрирования высоких порядков содержат много точек, то их приведём отдельно.

  • Порядок: 7, число точек: 34
Номер точки ξ η ζ w Дополнительно
1 a 0 0 w1 a=67,
b=960332382726,
c=960+332382726,
w1=10783645,
w2=3433645,
w3=43135+829238136323,
w4=43135829238136323
2 a 0 0 w1
3 0 a 0 w1
4 0 a 0 w1
5 0 0 a w1
6 0 0 a w1
7 a a 0 w2
8 a a 0 w2
9 a a 0 w2
10 a a 0 w2
11 a 0 a w2
12 a 0 a w2
13 a 0 a w2
14 a 0 a w2
15 0 a a w2
16 0 a a w2
17 0 a a w2
18 0 a a w2
19 b b b w3
20 b b b w3
21 b b b w3
22 b b b w3
23 b b b w3
24 b b b w3
25 b b b w3
26 b b b w3
27 c c c w4
28 c c c w4
29 c c c w4
30 c c c w4
31 c c c w4
32 c c c w4
33 c c c w4
34 c c c w4

Тетраэдральный мастер-элемент

Тетраэдральный мастер-элемент с точками Гаусса-11
  • Область интегрирования: тетраэдр, образованный вершинами (x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,y3),(x4,y4,z4).
  • Мастер-элемент: тетраэдр, образованный вершинами (0,0,0),(1,0,0),(0,1,0),(0,0,1).

Аналогично с треугольником для перехода на мастер-элемент используются L-координаты тетраэдра, обозначим их λ1,λ2,λ3,λ4:

λi(x,y,z)=αi1x+αi2y+αi3z+αi4

Матрица коэффициентов определяется, как: A=D1, где

D=(x1x2x3x4y1y2y3y4z1z2z3z41111)
  • Переход на мастер-элемент:
ξ(x,y,z)=λ1(x,y,z)
η(x,y,z)=λ2(x,y,z)
ζ(x,y,z)=λ3(x,y,z)
  • Переход с мастер-элемента:
(xyz1)=D(ξηζ1ξηζ)
  • Якобиан : det(J(ξ,η,ζ))=det(D).
Номер Число точек Порядок интегрирования ξ η ζ w Дополнительно
1 1 1 14 14 14 16 Метод среднего
2 4 2 5+3520 5520 5520 124 Метод Гаусса-4
5520 5+3520 5520 124
5520 5520 5+3520 124
5520 5520 5520 124
3 5 3 14 14 14 215
12 16 16 340
16 12 16 340
16 16 12 340
16 16 16 340
4 11 4 14 14 14 745625 Метод Гаусса-11
1114 570 570 34345000
570 1114 570 34345000
570 570 1114 34345000
570 570 570 34345000
1+5/144 15/144 15/144 562250
15/144 1+5/144 15/144 562250
15/144 15/144 1+5/144 562250
15/144 1+5/144 1+5/144 562250
1+5/144 15/144 1+5/144 562250
1+5/144 1+5/144 15/144 562250
5 14 5 a a a A A, B, C, a, b, c определяются из следующих уравнений:

{t=427(71479sin(13[π2+arctan(271081567)]))a=1+α4, b=1+β4, c=1+2γ4γ=1/t, C=t2/7!, α>0Aα2+Bβ2=(1t/21)/5!Aα3+Bβ3=2/6!Aα4+Bβ4=10/7!Aα5+Bβ5=6/7!

A0.01878132095300264180

B0.01224884051939365826

C0.00709100346284691107

a0.31088591926330060980

b0.09273525031089122640

c0.45449629587435035051

13a a a A
a 13a a A
a a 13a A
b b b B
13b b b B
b 13b b B
b b 13b B
12c c c C
c 12c c C
c c 12c C
12c 12c c C
12c c 12c C
c 12c 12c C

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Ссылки

Шаблон:Интегральное исчисление