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)=2x−x0x1−x0−1;
  • Переход с мастер-элемента: x(ξ)=(x1−x0)(ξ+1)2+x0;
  • Якобиан: det(J(ξ))=x1−x02.
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 −37−2765 18+3036 Метод Гаусса-4
37−2765 18+3036
−37+2765 18−3036
37+2765 18−3036
7 5 9 0 128225 Метод Гаусса-5
−135−2107 322+1370900
135−2107 322+1370900
−135+2107 322−1370900
135+2107 322−1370900

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)=2x−x0x1−x0−1
η(x,y)=2y−y0y1−y0−1;
  • Переход с мастер-элемента:
x(ξ,η)=(x1−x0)(ξ+1)2+x0
y(ξ,η)=(y1−y0)(η+1)2+y0;
  • Якобиан: det(J(ξ,η))=(x1−x0)(y1−y0)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=114−3583287
b=114+3583287
c=67
wa=307810+923270583
wb=307810−923270583
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=D−1.

  • Переход на мастер элемент:
ξ(x,y)=λ1(x,y)
η(x,y)=λ2(x,y)
  • Переход с мастер элемента:
(xy1)=D(ξη1−ξ−η)
  • 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)=2x−x0x1−x0−1
η(x,y,z)=2y−y0y1−y0−1
ζ(x,y,z)=2z−z0z1−z0−1
  • Переход с мастер-элемента:
x(ξ,η,ζ)=(x1−x0)(ξ+1)2+x0
y(ξ,η,ζ)=(y1−y0)(η+1)2+y0;
z(ξ,η,ζ)=(z1−z0)(ζ+1)2+z0;
  • Якобиан: det(J(ξ,η,ζ))=(x1−x0)(y1−y0)(z1−z0)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=960−332382726,
c=960+332382726,
w1=10783645,
w2=3433645,
w3=43135+829238136323,
w4=43135−829238136323
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=D−1, 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(ξηζ1−ξ−η−ζ)
  • 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 5−520 5−520 124 Метод Гаусса-4
5−520 5+3520 5−520 124
5−520 5−520 5+3520 124
5−520 5−520 5−520 124
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 1−5/144 1−5/144 562250
1−5/144 1+5/144 1−5/144 562250
1−5/144 1−5/144 1+5/144 562250
1−5/144 1+5/144 1+5/144 562250
1+5/144 1−5/144 1+5/144 562250
1+5/144 1+5/144 1−5/144 562250
5 14 5 a a a A A, B, C, a, b, c определяются из следующих уравнений:

{t=427(71−479sin⁡(13[π2+arctan⁡(271081567)]))a=1+α4, b=1+β4, c=1+2γ4γ=1/t, C=t2/7!, α>0Aα2+Bβ2=(1−t/21)/5!Aα3+Bβ3=−2/6!Aα4+Bβ4=10/7!Aα5+Bβ5=−6/7!

A≈0.01878132095300264180

B≈0.01224884051939365826

C≈0.00709100346284691107

a≈0.31088591926330060980

b≈0.09273525031089122640

c≈0.45449629587435035051

1−3a a a A
a 1−3a a A
a a 1−3a A
b b b B
1−3b b b B
b 1−3b b B
b b 1−3b B
12−c c c C
c 12−c c C
c c 12−c C
12−c 12−c c C
12−c c 12−c C
c 12−c 12−c C

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Ссылки

Шаблон:Интегральное исчисление