Abstract
Authors
D.D. Stancu
Institutul de Calcul
Keywords
?
Paper coordinates
D.D. Stancu, O metodă pentru construirea de formule de cubatură pentru funcţiile de două variabile, Acad. R.P. Române, Fil. Cluj, Studii şi Cercet. Matem., 9 (1958), 351–369 (in Romanian).
About this paper
Journal
Studii si Cercetari Matematice
Publisher Name
Academy of the Republic of S.R.
Print ISSN
Online ISSN
google scholar link
??
Paper (preprint) in HTML form
O METODĂ PENTRU CONSTRUIREA DE FORMULE DE CUBATURĂ PENTRU FUNCȚIILE DE DOUĂ VARIABILE
DE
D. D. STANCU
În această lucrare vom extinde la două variabile o metodă pentru construirea de formule de integrare numerică pe care am expus-o în principiu, în cazul unei singure variabile, în lucrarea [1].
În prima parte a lucrării vom extinde la două variabile formula de interpolare a lui Lagrange-Hermite 1 ).
§ 1. Asupra unei formule generale de interpolare
-
1.
Să considerăm o rețea dreptunghiulară de noduri, care se obțin prin intersecția dintre dreptele paralele cu axa
| (1) | ||||
| (2) |
și dreptele paralele cu axa
| (3) | |||
| (4) |
Prin intersecția acestor drepte se obțin noduri. Despre dreptele (1) și (3) vom presupune că sînt toate distincte, adică numerele reale , și sînt respectiv distincte. Dreptele celelalte pot să nu fie distincte. În mod precis vom presupune că printre dreptele (2) există drepte confundate în , iar printre dreptele (4) vom presupune că există drepte confundate în . Pe baza notațiilor precedente avem
.
1 ) Formulei de interpolare a lui Lagrange-Hermite, din cazul unei variabile, i-am consacrat recent lucrarea [2].
În felul acesta se obține o rețea cu noduri, nu toate distincte, unde
| (6) |
-
2.
Formula de interpolare relativă la rețeaua și o funcție definită și derivabilă parțial de un număr suficient de ori pe un domeniu care conține nodurile acestei rețele, se prezintă sub forma
unde
| (7) |
este polinomul de interpolare de două variabile de gradul ( ) al lui LagrangeHermite relativ la funcția și nodurile rețelei , iar este restul acestei formule de interpolare.
Să introducem următoarele notații:
Pentru polinomul de interpolare (8) am găsit următoarea expresie
| (11) | |||
unde
| (12) | |||
| (13) | |||
| (14) | |||
| (15) |
iar
| (16) |
Restul formulei de interpolare (7) se poate exprima cu ajutorul diferent,elor divizate parțiale, astfel
| (17) |
-
3.
Acest rest se poate pune sub o formă remarcabilă în ipoteza că admite derivatele parțiale de ordinele în raport cu și în raport cu , pe cel mai mic dreptunghi care conține nodurile rețelei .
Ne vom folosi de cîteva formule de suprapunere și de medie referitoare la diferențele divizate parțiale de care ne-am ocupat în lucrările [3], [4]. Avem succesiv
1 ) Fie un polinom de gradul efectiv ; prin vom înţelege produsul dintre o constantă și astfel încît să aibă coeficientul lui egal cu 1 .
În felul acesta am obținut pentru restul formulei de interpolare (7) următoarea expresie
| (18) |
unde și sînt valori din cele mai mici intervale care îi conțin respectiv pe .
Subliniem că valorile și care intervin mai sus sînt aceleași în toți termenii restului.
Rezultatele precedente se pot extinde fără nici o greutate la trei și mai multe variabile."
§ 2. Formule de integrare numerică de grad înalt de exactitate
-
4.
Folosind formula de interpolare (7) vom construi o formulă generală de cubatură pentru calculul numeric al integralei duble
| (19) |
unde este dreptunghiul definit de inegalitățile
| (20) |
iar e o funcție dată, nenegativă și integrabilă în .
Formula de cubatură care se obține este
| (21) | |||
expresiile coeficienților căreia se pot scrie imediat pe baza formulelor (7) şi (11).
5. Să presupunem că . Considerînd mai general că dreptunghiul poate fi și infinit, vom presupune că există « momentele»
și că .
Vom încerca acum să determinăm pe și astfel încît în membrul al doilea al formulei (21) să dispară sumele duble : a doua, a treia, a patra, a cincea și a șasea. În mod precis vom demonstra următoarea:
Teoremă. Conditia necesară și suficientă ca în formula (21), unde , , să avem, oricare ar fi ,
este ca să fie rădăcinile reale și distincte, respectiv ale polinoamelor ortogonale
unde este sistemul de polinoame ortogonale relative la intervalul ( și ponderea , iar este sistemul de polinoame ortogonale relative la intervalul ( ) şi ponderea .
Demonstrația este imediată. Avînd în vedere expresiile coeficienților de la (22) se găsește că este necesar și suficient ca
unde și sînt polinoame oarecare de grad , respectiv .
Se știe că polinoamele și , care verifică aceste condiții, sînt date de formulele (23) și (24) ale lui Christoffel.
6. Alegînd valorile și să fie respectiv rădăcinile polinoamelor (23) și (24), formula de cubatură (21) se reduce la următoarea
| (25) | |||
Pentru coeficienții acestei formule de cubatură am obținut următoarele expresii
unde
unde
Mai sus am folosit și următoarele notații:
e coeficientul lui din polinomul ortogonal , iar e coeficientul lui din polinomul ortogonal .
e minorul elementului din determinantul de la (23), iar minorul elementului din determinantul de la (24).
-
7.
Formula de cubatură (25) are gradul de exactitate ( ), adică în cazul cînd este un polinom de gradul în raport cu și de gradul în raport cu .
Pentru a găsi expresia restului formulei (25) vom lua și şi vom considera cazuł limită
| (28) |
Vom pleca de la formula (17), care în acest caz se scrie
unde
Pe baza unei proprietăți de suprapunere a diferențelor divizate parțiale, de care ne-am mai folosit în această lucrare, și unor formule de medie bine cunoscute putem scrie succesiv
,
unde
| (29) |
iar și .
Cu acestea avem
Rezultă că restul formulei generale de cubatură (25) se poate pune sub forma
| (30) |
unde , iar alături de notațiile de la (29) am mai folosit și următoarele
| (31) |
-
8.
În cazul particular
| (32) |
formula generală de cubatură (25) se reduce la formula de tip Gauss
| (33) |
unde
cu
Pe baza formulei (30), restul formulei (33) are următoarea expresie
| (34) | ||||
unde
iar și au expresiile de la (31) și (29).
9. Dacă , formula (33) se reduce la următoarea
| (35) |
unde
iar
De această formulă de cubatură ne-am ocupat și în lucrarea [4].
Cu am notat polinomul lui Legendre: .
§ 3. Cazuri particulare ale formulei generale de cubatură
-
10.
Folosind rezultatele din paragraful precedent se pot construi efectiv, cu ușurință, multe formule de cubatură care sînt simple și au gradul înalt de exactitate. În cazul
| (32) | |||
Pentru
și , se obțin valorile
| (33) |
se obține formula de cubatură
| (34) |
| (35) |
coordonatele nodurilor formulei de cubatură (25) se află rezolvînd ecuațiile
unde am notat polinomul lui Jacobi
În cazul se obține formula de cubatură
| (37) | |||
De aici, pentru , se obține formula de integrare numerică a lui Cavalieri-Simpson pentru două variabile
| (38) | |||
Într-un caz mai general ne-am ocupat de această formulă în lucrarea [5].
Pentru formula (37) devine
| (39) | |||
-
12.
In cazul și se obțin următoarele formule de cubatură de grad de exactitate , respectiv
| (40) | |||
| (41) | |||
Dacă , iar sau , avem formulele de cubatură de gradele de exactitate , respectiv
-
14.
In cazul , , se obține formula de cubatură de gradul de exactitate următoare
-
15.
Presupunînd că , , se ajunge la formula de cubatură de gradul de exactitate următoare
-
16.
In cazul , se obține următoarea formulă de cubatură de gradul de exactitate
-
17.
Formulele de cubatură de la aliniatele sînt de tip Gauss, în sensul că ele folosesc un număr minim de noduri. De pildă ultima formulă, care are gradul de exactitate , are 20 de termeni, în timp ce formula corespunzătoare a lui Cotes, de același grad de exactitate, conține 80 de termeni.
Institutul de calcul al Academiei R.P.R., Filiala Cluj
UNE MÉTHODE DE CONSTRUCTION DES FORMULES DE CUBATURE POUR LES FONCTIONS DE DEUX VARIABLES
RÉSUMÉ
L’auteur étend au cas de deux variables une méthode de construction des formules de quadrature qu’il a exposée dans son travail [1]. Dans le § 1, la formule d’interpolation de Lagrange-Hermite est étendue à deux variables; on a obtenu la formule (7), où le polynôme d’interpolation est donné en (11), tandis que le reste de la formule est donné en (17); pour ce reste la formule (18) est encore donnée où les valeurs et sont les mêmes dans tous les termes.
Dans le § 2, à l’aide de la formule d’interpolation (7) pour le calcul numérique de l’intégrale double (19), l’auteur obtient la formule de cubature (21). En prenant les racines des polynômes orthogonaux (23) et (24), pour valeurs , et , la formule de cubature (21) se réduit à la formule (25), quels que soient les paramètres , où . Pour le calcul des coefficients de cette formule, les formules (26) sont données. Il est démontré que, en prenant et et en considérant le cas limite (28), le reste de la formule de cubature (25) peut être exprimé par la formule (30).
Dans le § 3, l’auteur construit effectivement plusieurs formules de cubature, en partant de la formule générale (25). Il faut surtout mentionner les formules de cubature des alinéas à 16 , qui présentent un degré d’exactitude maximum; elles contiennent quatre fois moins de termes que les formules d’un même degré d’exactitude, mais avec des nœuds pris au hasard.
BIBLIOGRAFIE
-
1.
D. D. Stancu, O metodă pentru construirea de formule de cuadratură de grad inalt de exactitate. Comunicările Acad. R.P.R., 8,4 (1958).
-
2.
-
•
Asupra formulei de interpolare a lui Hermite și a unor aplicatii ale acesteia. Studii și cercetări de matematică, Cluj 8,3-4 (1957).
-
•
-
3.
-
•
Consideratii asupra interpolării polinominale a functiilor de mai multe variabile. Bul. Univ. «Babes-Bolyai» din Cluj, Seria Științele naturii, 1,1-1 (1957).
-
•
-
4.
-
•
Generalizarea unor formule de interpolare pentru functile de mai multe variabile si unele consideratii asupra formulei de integrare numerică a lui Gauss. Bul. Știinţ. Acad. R.P.R., Secția de stiinte matematice și fizice, 9,2 (1957).
-
•
-
5.
-
•
Contribuți la integrarea numerică a functiilor de mai multe variabile. Studii și cercetări matematica, Cluj, 8,1-2 (1957).
-
•
