Remarques sur le reste de certaines formules d’approximation d’une différence divisée par des dérivées

Abstrait

Traduction en anglais du titre

Remarks on the Remainder in Certain Formulas Approximating a Divided Difference by Derivatives

Auteur(s)

Tiberiu Popoviciu
Institutul de Calcul

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Pour citer ce travail

T. Popoviciu, Remarques sur le reste de certaines formules d’approximation d’une différence divisée par des dérivées, Bul. Inst. Politehn. Iaşi (N.S.), 13(17) (1967) fasc. 3-4, pp. 103-109 (in French).

Sur ce travail

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Buletinul Institutului Politehnic din Iaşi

Publié par

“Gheorghe Asachi” Technical University of Iaşi

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1967 b -Popoviciu- Bul. Inst. Politehn. Iasi - Remarques sur le reste de certaines formules d_approx

REMARQUES SUR LE RESTE DE CERTAINES FORMULES D'APPROXIMATION D'UNE DIFFÉRENCE DIVISÉE PAR DES DÉRIVÉES

PARTIBERIU POPOVICIUmembre de l'Académie de la République Socialiste de Roumanie

  1. Considérons une fonction f f fff définie et ayant une dérivée n n nnn-ième continue sur l'intervalle fini et fermé [ a , b ] , ( a < b ) [ a , b ] , ( a < b ) [a,b],(a < b)[a, b],(a<b)[a,b],(a<b).
Soient a = x 1 x 2 x n x n 1 = b , n + 1 a = x 1 x 2 x n x n 1 = b , n + 1 a=x_(1) <= x_(2) <= dots <= x_(n) <= x_(n-1)=b,n+1a=x_{1} \leqq x_{2} \leqq \ldots \leqq x_{n} \leqq x_{n-1}=b, n+1a=x1x2xnxn1=b,n+1 points distincts ou non, appartenant à l'intervalle [ a , b ] [ a , b ] [a,b][a, b][a,b] tel que les extrémités a a aaa, b b bbb soient parmi ces points. Il en résulte que n ( > 0 ) n ( > 0 ) n( > 0)n(>0)n(>0) est un nombre naturel. Désignons par a = x 1 = x 1 < x 2 < < x p = x n + 1 = b a = x 1 = x 1 < x 2 < < x p = x n + 1 = b a=x_(1)=x_(1)^(') < x_(2)^(') < dots < x_(p)^(')=x_(n+1)=ba=x_{1}=x_{1}^{\prime}<x_{2}^{\prime}<\ldots<x_{p}^{\prime}=x_{n+1}=ba=x1=x1<x2<<xp=xn+1=b les points distincts parmi les points x α x α x_(alpha)x_{\alpha}xα et soient k 1 , k 2 , , k p k 1 , k 2 , , k p k_(1),k_(2),dots,k_(p)k_{1}, k_{2}, \ldots, k_{p}k1,k2,,kp leur ordre de multiplicité respectifs. Nous avons donc 2 p n + 1 , k 1 , k 2 , , k p 2 p n + 1 , k 1 , k 2 , , k p 2 <= p <= n+1,k_(1),k_(2),dots,k_(p)2 \leqq p \leqq n+1, k_{1}, k_{2}, \ldots, k_{p}2pn+1,k1,k2,,kp sont des nombres naturels, k 1 + k 2 + + + k p = n + 1 k 1 + k 2 + + + k p = n + 1 k_(1)+k_(2)+dots++k_(p)=n+1k_{1}+k_{2}+\ldots+ +k_{p}=n+1k1+k2+++kp=n+1 et max ( k 1 , k 2 , , k p ) n max k 1 , k 2 , , k p n max(k_(1),k_(2),dots,k_(p)) <= n\max \left(k_{1}, k_{2}, \ldots, k_{p}\right) \leqq nmax(k1,k2,,kp)n.
Conformément à la notation des points x α , x α x α , x α x_(alpha),x_(alpha)^(')x_{\alpha}, x_{\alpha}^{\prime}xα,xα, nous avons
x k 1 + k 2 + + k α 1 + β = x α , ( β = 1 , 2 , , k α ; α = 1 , 2 , , p ) , x k 1 + k 2 + + k α 1 + β = x α , β = 1 , 2 , , k α ; α = 1 , 2 , , p , x_(k_(1)+k_(2)+dots+k_(alpha-1)+beta)=x_(alpha)^('),(beta=1,2,dots,k_(alpha);alpha=1,2,dots,p),x_{k_{1}+k_{2}+\ldots+k_{\alpha-1}+\beta}=x_{\alpha}^{\prime},\left(\beta=1,2, \ldots, k_{\alpha} ; \alpha=1,2, \ldots, p\right),xk1+k2++kα1+β=xα,(β=1,2,,kα;α=1,2,,p),
( k 1 + k 2 + + k α 1 k 1 + k 2 + + k α 1 k_(1)+k_(2)+cdots+k_(alpha-1)k_{1}+k_{2}+\cdots+k_{\alpha-1}k1+k2++kα1 est remplacé par 0 si α = 1 α = 1 alpha=1\alpha=1α=1 ).
Il existe une fonction continue G ( x ) G ( x ) G(x)G(x)G(x), complètement déterminée, telle que l'on ait
(1) [ x 1 , x 2 , , x n + 1 ; f ] = a b G ( x ) f ( n ) ( x ) d x , (1) x 1 , x 2 , , x n + 1 ; f = a b G ( x ) f ( n ) ( x ) d x , {:(1)[x_(1),x_(2),dots,x_(n+1);f]=int_(a)^(b)G(x)f^((n))(x)dx",":}\begin{equation*} \left[x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{n+1} ; f\right]=\int_{a}^{b} G(x) f^{(n)}(x) \mathrm{d} x, \tag{1} \end{equation*}(1)[x1,x2,,xn+1;f]=abG(x)f(n)(x)dx,
où nous avons désigné par [ x 1 , x 2 , , x n + 1 ; f ] x 1 , x 2 , , x n + 1 ; f [x_(1),x_(2),dots,x_(n+1);f]\left[x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{n+1} ; f\right][x1,x2,,xn+1;f] la différence divisée de la fonction f f fff sur les noeuds x α , ( α = 1 , 2 , , n + 1 ) x α , ( α = 1 , 2 , , n + 1 ) x_(alpha),(alpha=1,2,dots,n+1)x_{\alpha},(\alpha=1,2, \ldots, n+1)xα,(α=1,2,,n+1).
La formule (1) est un cas particulier d'une formule de R. v. Mises [4]. Lorsque n = max ( k 1 , k 2 , , k p ) n = max k 1 , k 2 , , k p n=max(k_(1),k_(2),dots,k_(p))n=\max \left(k_{1}, k_{2}, \ldots, k_{p}\right)n=max(k1,k2,,kp), ce qui a lieu si et seulement si p = 2 p = 2 p=2p=2p=2 et k 1 = 1 k 1 = 1 k_(1)=1k_{1}=1k1=1 ou k 2 = 1 k 2 = 1 k_(2)=1k_{2}=1k2=1, la propriété résulte de la formule ( 1 k n 1 k n 1 <= k <= n1 \leqq k \leqq n1kn )
[ a , a , , a , b , b , , b ; f ] = [ a , a , , a , b , b , , b ; f ] = [a,a,dots,a,b,b,dots,b;f]=[a, a, \ldots, a, b, b, \ldots, b ; f]=[a,a,,a,b,b,,b;f]=
(2) = 1 ( k 1 ) ! ( n k ) ! ( b a ) n a b ( x a ) n k ( b x ) k 1 f ( n ) ( x ) d x (2) = 1 ( k 1 ) ! ( n k ) ! ( b a ) n a b ( x a ) n k ( b x ) k 1 f ( n ) ( x ) d x {:(2)=(1)/((k-1)!(n-k)!(b-a)^(n))int_(a)^(b)(x-a)^(n-k)(b-x)^(k-1)f^((n))(x)dx:}\begin{equation*} =\frac{1}{(k-1)!(n-k)!(b-a)^{n}} \int_{a}^{b}(x-a)^{n-k}(b-x)^{k-1} f^{(n)}(x) \mathrm{d} x \tag{2} \end{equation*}(2)=1(k1)!(nk)!(ba)nab(xa)nk(bx)k1f(n)(x)dx
qu'il est facile d'obtenir, en calculant l'intégrale du second membre par des intégrations par parties répétées.
2. La formule (1) peut aussi être déduite d'une autre de G. Kowalewski [3] relative au reste de la formule d'interpolation de Lagrange (de Lagranze-Her nite en général).
Pour simplifier, supposons que les noeuds x α , ( α = 1 , 2 , , n + 1 ) x α , ( α = 1 , 2 , , n + 1 ) x_(alpha),(alpha=1,2,dots,n+1)x_{\alpha},(\alpha=1,2, \ldots, n+1)xα,(α=1,2,,n+1), soient distincts, donc que a = x 1 < x 2 < < x n < x n + 1 = b a = x 1 < x 2 < < x n < x n + 1 = b a=x_(1) < x_(2) < dots < x_(n) < x_(n+1)=ba=x_{1}<x_{2}<\ldots<x_{n}<x_{n+1}=ba=x1<x2<<xn<xn+1=b. Posons l ( x ) == α = 1 [ ( x x α ) l ( x ) == α = 1 [ x x α l(x)==prod_(alpha=1)^([)(x-x_(alpha))l(x)= =\prod_{\alpha=1}^{[ }\left(x-x_{\alpha}\right)l(x)==α=1[(xxα) et considérons les polynômes fondamentaux d'interpolation l α ( x ) = l ( x ) ( x x α ) l ( x α ) , ( α = 1 , 2 , , n ) l α ( x ) = l ( x ) x x α l x α , ( α = 1 , 2 , , n ) l_(alpha)(x)=(l(x))/((x-x_(alpha))l^(')(x_(alpha))),(alpha=1,2,dots,n)l_{\alpha}(x)=\frac{l(x)}{\left(x-x_{\alpha}\right) l^{\prime}\left(x_{\alpha}\right)},(\alpha=1,2, \ldots, n)lα(x)=l(x)(xxα)l(xα),(α=1,2,,n), relatifs aux noeuds x α , ( α = 1 , 2 , , n ) x α , ( α = 1 , 2 , , n ) x_(alpha),(alpha=1,2,dots,n)x_{\alpha},(\alpha=1,2, \ldots, n)xα,(α=1,2,,n). Désignons enfin par L ( x 1 , x 2 , , x n ; f x ) L x 1 , x 2 , , x n ; f x L(x_(1),x_(2),dots,x_(n);f∣x)L\left(x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{n} ; f \mid x\right)L(x1,x2,,xn;fx) le polynôme d'interpolation de Lagrange de la fonction f f fff sur ces noeuds. G. Kowalewski obtient [3] le reste f ( x ) L ( x 1 , x 2 , , x n ; f x ) = l ( x ) [ x 1 , x 2 , , x n , x ; f ] f ( x ) L x 1 , x 2 , , x n ; f x = l ( x ) x 1 , x 2 , , x n , x ; f f(x)-L(x_(1),x_(2),dots,x_(n);f∣x)=l(x)[x_(1),x_(2),dots,x_(n),x;f]f(x)-L\left(x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{n} ; f \mid x\right)=l(x)\left[x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{n}, x ; f\right]f(x)L(x1,x2,,xn;fx)=l(x)[x1,x2,,xn,x;f] de la formule d'interpolation de Lagrange sous la forme suivante
(3) l ( x ) [ x 1 , x 2 , , x n , x ; f ] = α = 1 n l α ( x ) x α x ( x α u ) n 1 ( n 1 ) ! f ( n ) ( u ) d u (3) l ( x ) x 1 , x 2 , , x n , x ; f = α = 1 n l α ( x ) x α x x α u n 1 ( n 1 ) ! f ( n ) ( u ) d u {:(3)l(x)[x_(1),x_(2),dots,x_(n),x;f]=sum_(alpha=1)^(n)l_(alpha)(x)int_(x_(alpha))^(x)((x_(alpha)-u)^(n-1))/((n-1)!)f^((n))(u)du:}\begin{equation*} l(x)\left[x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{n}, x ; f\right]=\sum_{\alpha=1}^{n} l_{\alpha}(x) \int_{x_{\alpha}}^{x} \frac{\left(x_{\alpha}-u\right)^{n-1}}{(n-1)!} f^{(n)}(u) \mathrm{d} u \tag{3} \end{equation*}(3)l(x)[x1,x2,,xn,x;f]=α=1nlα(x)xαx(xαu)n1(n1)!f(n)(u)du
Si nous posons maintenat L ( x ) = l ( x ) ( x x n + 1 ) L ( x ) = l ( x ) x x n + 1 L(x)=l(x)(x-x_(n+1))L(x)=l(x)\left(x-x_{n+1}\right)L(x)=l(x)(xxn+1), nous obtenons
l ( x n + 1 ) = L ( x n + 1 ) , l α ( x n + 1 ) = L ( x n + 1 ) L ( x α ) , ( 0 = 1 , 2 , , n ) . l x n + 1 = L x n + 1 , l α x n + 1 = L x n + 1 L x α , ( 0 = 1 , 2 , , n ) . l(x_(n+1))=L^(')(x_(n+1)),quadl_(alpha)(x_(n+1))=-(L^(')(x_(n+1)))/(L^(')(x_(alpha))),quad(0=1,2,dots,n).l\left(x_{n+1}\right)=L^{\prime}\left(x_{n+1}\right), \quad l_{\alpha}\left(x_{n+1}\right)=-\frac{L^{\prime}\left(x_{n+1}\right)}{L^{\prime}\left(x_{\alpha}\right)}, \quad(0=1,2, \ldots, n) .l(xn+1)=L(xn+1),lα(xn+1)=L(xn+1)L(xα),(0=1,2,,n).
En posant x = x n 1 1 = b x = x n 1 1 = b x=x_(n-1-1)=bx=x_{n-1-1}=bx=xn11=b, dans (3), nous déduisons
(4) [ x 1 , x 2 , , x n + 1 ; f ] = α = 1 n 1 L ( x α ) x α b ( x α u ) n 1 ( n 1 ) ! f ( n ) ( u ) d u . (4) x 1 , x 2 , , x n + 1 ; f = α = 1 n 1 L x α x α b x α u n 1 ( n 1 ) ! f ( n ) ( u ) d u . {:(4)[x_(1),x_(2),dots,x_(n+1);f]=-sum_(alpha=1)^(n)(1)/(L^(')(x_(alpha)))int_(x_(alpha))^(b)((x_(alpha)-u)^(n-1))/((n-1)!)f^((n))(u)du.:}\begin{equation*} \left[x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{n+1} ; f\right]=-\sum_{\alpha=1}^{n} \frac{1}{L^{\prime}\left(x_{\alpha}\right)} \int_{x_{\alpha}}^{b} \frac{\left(x_{\alpha}-u\right)^{n-1}}{(n-1)!} f^{(n)}(u) \mathrm{d} u . \tag{4} \end{equation*}(4)[x1,x2,,xn+1;f]=α=1n1L(xα)xαb(xαu)n1(n1)!f(n)(u)du.
  1. La formule (4) nous montre que si les noeuds sont distincts la fonction G ( x ) G ( x ) G(x)G(x)G(x) de la formule (1) este continue et même, si n > 2 n > 2 n > 2n>2n>2, a une dérivée continue d'ordre n 2 n 2 n-2n-2n2 sur [ a , b ] [ a , b ] [a,b][a, b][a,b] et se réduit à un polynôme de degré n 1 n 1 n-1n-1n1 sur chacun des intervalles partiels [ x α , x α + 1 ] , ( α = 1 , 2 , , n ) x α , x α + 1 , ( α = 1 , 2 , , n ) [x_(alpha),x_(alpha+1)],(alpha=1,2,dots,n)\left[x_{\alpha}, x_{\alpha+1}\right],(\alpha=1,2, \ldots, n)[xα,xα+1],(α=1,2,,n). Nous avons appellé autrefois une telle fonction une fonction élémentaire
    d'ordre n 1 n 1 n-1n-1n1 et nous avons montré quelle est son importance dans la théorie des fonctions convexes d'ordre supérieur [6]. On les appelle aujourd hui aussi des „spline" fonctions de degré n 1 n 1 n-1n-1n1. I. J. Schoenberg les a employé [9], [10] dans d'intéressantes recherches sur la quadrature approchée.
Lorsque les noeuds x α , ( α = 1 , 2 , , n + 1 ) x α , ( α = 1 , 2 , , n + 1 ) x_(alpha),(alpha=1,2,dots,n+1)x_{\alpha},(\alpha=1,2, \ldots, n+1)xα,(α=1,2,,n+1), ne sont pas distincts mais sont groupés dans les noeuds distincts x α x α x_(alpha)^(')x_{\alpha}^{\prime}xα d'ordre k α k α k_(alpha)k_{\alpha}kα de multiplicité respectifs, les propriétés précédentes ne sont que partiellement vérifiées. Prolongeons la fonction G ( x ) G ( x ) G(x)G(x)G(x) par la valeur 0 à l'extérieur de l'intervalle [ a , b ] [ a , b ] [a,b][a, b][a,b]. La fonction G ( x ) G ( x ) G(x)G(x)G(x) ainsi prolongée este définie sur ( , + , + -oo,+oo-\infty,+\infty,+ ), est continue sur l'intervalle ouvert ( a , b a , b a,ba, ba,b ) et se réduit à un polynôme de degré n 1 n 1 n-1n-1n1 sur chacun des intervalles ( , x 1 ) , ( x p , + ) , ( x α , x α + 1 ) , ( α = 1 , x 1 , x p , + , x α , x α + 1 , ( α = 1 (-oo,x_(1)^(')),(x_(p)^('),+oo),(x_(alpha)^('),x_(alpha+1)^(')),(alpha=1\left(-\infty, x_{1}^{\prime}\right),\left(x_{p}^{\prime},+\infty\right),\left(x_{\alpha}^{\prime}, x_{\alpha+1}^{\prime}\right),(\alpha=1(,x1),(xp,+),(xα,xα+1),(α=1, 2 , , p 1 ) 2 , , p 1 ) 2,dots,p-1)2, \ldots, p-1)2,,p1). Sur le noeud x α , ( α = 1 , 2 , , p ) x α , ( α = 1 , 2 , , p ) x_(alpha)^('),(alpha=1,2,dots,p)x_{\alpha}^{\prime},(\alpha=1,2, \ldots, p)xα,(α=1,2,,p), la fonction prolongée G ˙ ( x ) G ˙ ( x ) G^(˙)(x)\dot{G}(x)G˙(x) est continue si n 1 + k α n 1 + k α n >= 1+k_(alpha)n \geqq 1+k_{\alpha}n1+kα et a une dérivée continue d'ordre n 1 k k n 1 k k n-1-k_(k)n-1-k_{k}n1kk si n > 1 + k α n > 1 + k α n > 1+k_(alpha)n>1+k_{\alpha}n>1+kα.
4. La fonction G ( x ) G ( x ) G(x)G(x)G(x) de la formule (1) est non-négative et a une intégrale positive sur [ a , b ] [ a , b ] [a,b][a, b][a,b]. En effet, si nous posons f = x n f = x n f=x^(n)f=x^{n}f=xn nous déduisons
a b G ( x ) d x = 1 n ! a b G ( x ) d x = 1 n ! int_(a)^(b)G(x)dx=(1)/(n!)\int_{a}^{b} G(x) \mathrm{d} x=\frac{1}{n!}abG(x)dx=1n!
La non-négativité de G ( x ) G ( x ) G(x)G(x)G(x) sur [ a , b ] [ a , b ] [a,b][a, b][a,b] résulte de la formule de la moyenne de Cauchy
(5) [ x 1 , x 2 , , x n + 1 ; f ] = 1 n ! f ( n ) ( ξ ) , ξ ( a , b ) . (5) x 1 , x 2 , , x n + 1 ; f = 1 n ! f ( n ) ( ξ ) , ξ ( a , b ) . {:(5)[x_(1),x_(2),dots,x_(n+1);f]=-(1)/(n!)f^((n))(xi)","quad xi in(a","b).:}\begin{equation*} \left[x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{n+1} ; f\right]=-\frac{1}{n!} f^{(n)}(\xi), \quad \xi \in(a, b) . \tag{5} \end{equation*}(5)[x1,x2,,xn+1;f]=1n!f(n)(ξ),ξ(a,b).
En effet, si la fonction continue G ( x ) G ( x ) G(x)G(x)G(x) n'est pas non-négative il existe un sous-intervalle [ α , β ] [ α , β ] [alpha,beta][\alpha, \beta][α,β] de longueur non nulle de [ a , b ] [ a , b ] [a,b][a, b][a,b] sur lequel G ( x ) < 0 G ( x ) < 0 G(x) < 0G(x)<0G(x)<0. Soit alors f ( x ) f ( x ) f(x)f(x)f(x) une fonction (continue), définie sur [ a , b ] [ a , b ] [a,b][a, b][a,b] dont la dérivée n n nnn-ième est donnée par
(6) f ( n ) ( x ) = { 0 pour x [ a , α ] [ β , b ] , ( x α ) ( β x ) 0 pour x ( α , β ) . (6) f ( n ) ( x ) = 0  pour  x [ a , α ] [ β , b ] , ( x α ) ( β x ) 0  pour  x ( α , β ) . {:(6)f^((n))(x)={[0," pour "x in[a","alpha]uu[beta","b]","],[(x-alpha)(beta-x)!=0," pour "x in(alpha","beta).]:}:}f^{(n)}(x)=\left\{\begin{array}{cl} 0 & \text { pour } x \in[a, \alpha] \cup[\beta, b], \tag{6}\\ (x-\alpha)(\beta-x) \neq 0 & \text { pour } x \in(\alpha, \beta) . \end{array}\right.(6)f(n)(x)={0 pour x[a,α][β,b],(xα)(βx)0 pour x(α,β).
D'une part, de (5) il résulte que [ x 1 , x 2 , , x n + 1 ; f ] 0 x 1 , x 2 , , x n + 1 ; f 0 [x_(1),x_(2),dots,x_(n+1);f] >= 0\left[x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{n+1} ; f\right] \geqslant 0[x1,x2,,xn+1;f]0 (la fonction f f fff est non-concave d'ordre n 1 n 1 n-1n-1n1 ). D'autre part, de (6) il résulte que
a b G ( x ) f ( n ) ( x ) d x = a β G ( x ) f ( n ) ( x ) d x < 0 a b G ( x ) f ( n ) ( x ) d x = a β G ( x ) f ( n ) ( x ) d x < 0 int_(a)^(b)G(x)f^((n))(x)dx=int_(a)^(beta)G(x)f^((n))(x)dx < 0\int_{a}^{b} G(x) f^{(n)}(x) \mathrm{d} x=\int_{a}^{\beta} G(x) f^{(n)}(x) \mathrm{d} x<0abG(x)f(n)(x)dx=aβG(x)f(n)(x)dx<0
Les propriétés de la fonction G ( x ) G ( x ) G(x)G(x)G(x) de la formule (1) ont aussi été étudiées par D. V. Ionescu [2].
5. La formule (59) de Cauchy nous suggère la formule d'approximation
(7) [ x 1 , x 2 , , x n + 1 ; f ] 1 n ! f ( n ) ( x 0 ) , (7) x 1 , x 2 , , x n + 1 ; f 1 n ! f ( n ) x 0 , {:(7)[x_(1),x_(2),dots,x_(n+1);f]~~(1)/(n!)f^((n))(x_(0))",":}\begin{equation*} \left[x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{n+1} ; f\right] \approx \frac{1}{n!} f^{(n)}\left(x_{0}\right), \tag{7} \end{equation*}(7)[x1,x2,,xn+1;f]1n!f(n)(x0),
x 0 x 0 x_(0)x_{0}x0 est un point donné. Le degré d'exactitude de cette formule est n n >= n\geqq nn et ce degré d'exactitude est > n > n > n>n>n si et seulement si dans (7) nous prenons x 0 = 1 n + 1 α = 1 n + 1 x α x 0 = 1 n + 1 α = 1 n + 1 x α x_(0)=(1)/(n+1)sum_(alpha=1)^(n+1)x_(alpha)x_{0}=\frac{1}{n+1} \sum_{\alpha=1}^{n+1} x_{\alpha}x0=1n+1α=1n+1xα. Alors le degré d'exactitude est n + 1 n + 1 n+1n+1n+1 et nous avons la formule d'approximation
(8) [ x 1 , x 2 , , x n + 1 ; f ] = 1 n ! f ( n ) ( x 1 + x 2 + + x n + 1 n 1 ) + R (8) x 1 , x 2 , , x n + 1 ; f = 1 n ! f ( n ) x 1 + x 2 + + x n + 1 n 1 + R {:(8)[x_(1),x_(2),dots,x_(n+1);f]=(1)/(n!)f^((n))((x_(1)+x_(2)+cdots+x_(n+1))/(n-1))+R:}\begin{equation*} \left[x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{n+1} ; f\right]=\frac{1}{n!} f^{(n)}\left(\frac{x_{1}+x_{2}+\cdots+x_{n+1}}{n-1}\right)+R \tag{8} \end{equation*}(8)[x1,x2,,xn+1;f]=1n!f(n)(x1+x2++xn+1n1)+R
Cette formule est une formule du type Gauss [7] et a donc le reste de la forme simple [8]. Un calcul simple nous donne le reste R R RRR sous la forme
R = 1 ( n + 1 ) ( n + 2 ) ! [ ( n + 1 ) α = 1 n + 1 x α 2 ( α = 1 n + 1 x α ) 2 ] [ ξ 1 , ξ 2 , ξ 3 ; f ( n ) ] R = 1 ( n + 1 ) ( n + 2 ) ! ( n + 1 ) α = 1 n + 1 x α 2 α = 1 n + 1 x α 2 ξ 1 , ξ 2 , ξ 3 ; f ( n ) R=(1)/((n+1)*(n+2)!)[(n+1)sum_(alpha=1)^(n+1)x_(alpha)^(2)-(sum_(alpha=1)^(n+1)x_(alpha))^(2)]*[xi_(1),xi_(2),xi_(3);f^((n))]R=\frac{1}{(n+1) \cdot(n+2)!}\left[(n+1) \sum_{\alpha=1}^{n+1} x_{\alpha}^{2}-\left(\sum_{\alpha=1}^{n+1} x_{\alpha}\right)^{2}\right] \cdot\left[\xi_{1}, \xi_{2}, \xi_{3} ; f^{(n)}\right]R=1(n+1)(n+2)![(n+1)α=1n+1xα2(α=1n+1xα)2][ξ1,ξ2,ξ3;f(n)]
ξ 1 , ξ 2 , ξ 3 ξ 1 , ξ 2 , ξ 3 xi_(1),xi_(2),xi_(3)\xi_{1}, \xi_{2}, \xi_{3}ξ1,ξ2,ξ3 sont trois points distincts de l'intervalle ( a , b a , b a,ba, ba,b ) (dépendant, en général, de la fonction f f fff ).
Si la fonction f f fff a une dérivée d'ordre n + 2 n + 2 n+2n+2n+2 sur ( a , b ) ( a , b ) (a,b)(a, b)(a,b), on a aussi
(9) R = 1 2 ( n + 1 ) ( n + 2 ) ! [ ( n + 1 ) α = 1 n + 1 x α 2 ( α = 1 n + 1 x α ) 2 ] f ( n + 2 ) ( ξ ) , ξ ξ ( a , b ) R = 1 2 ( n + 1 ) ( n + 2 ) ! ( n + 1 ) α = 1 n + 1 x α 2 α = 1 n + 1 x α 2 f ( n + 2 ) ( ξ ) , ξ ξ ( a , b ) quad R=(1)/(2(n+1)*(n+2)!)[(n+1)sum_(alpha=1)^(n+1)x_(alpha)^(2)-(sum_(alpha=1)^(n+1)x_(alpha))^(2)]f^((n+2))(xi),quad xi xi(a,b)\quad R=\frac{1}{2(n+1) \cdot(n+2)!}\left[(n+1) \sum_{\alpha=1}^{n+1} x_{\alpha}^{2}-\left(\sum_{\alpha=1}^{n+1} x_{\alpha}\right)^{2}\right] f^{(n+2)}(\xi), \quad \xi \xi(a, b)R=12(n+1)(n+2)![(n+1)α=1n+1xα2(α=1n+1xα)2]f(n+2)(ξ),ξξ(a,b).
La formule (8) a été examinée dans le cas particulier p = 2 p = 2 p=2p=2p=2 et k 1 = 1 k 1 = 1 k_(1)=1k_{1}=1k1=1 ou k 2 = 1 k 2 = 1 k_(2)=1k_{2}=1k2=1, par Laura Gotusso [1] qui a obtenu, dans ce cas, le reste avec un peu d'imprécision. La formule correcte de Laura Gotusso s'obtient en posant x 1 = x 2 = = x n = x , x n + 1 = x + h x 1 = x 2 = = x n = x , x n + 1 = x + h x_(1)=x_(2)=cdots=x_(n)=x,x_(n+1)=x+hx_{1}=x_{2}=\cdots=x_{n}=x, x_{n+1}=x+hx1=x2==xn=x,xn+1=x+h ou x 1 = x + h , x 2 = x 3 = == x n + 1 = x x 1 = x + h , x 2 = x 3 = == x n + 1 = x x_(1)=x+h,x_(2)=x_(3)=cdots==x_(n+1)=xx_{1}=x+h, x_{2}=x_{3}=\cdots= =x_{n+1}=xx1=x+h,x2=x3===xn+1=x dans (8) et (9). On obtient ainsi la formule d'approximation (avec reste)
f ( x + h ) = α = 0 n 1 h α α ! f ( α ) ( x ) + h n n ! f ( n ) ( x + h n + 1 ) + n h n + 2 2 ( n + 1 ) ( n + 2 ) ! f ( n + 2 ) ( ξ ) f ( x + h ) = α = 0 n 1 h α α ! f ( α ) ( x ) + h n n ! f ( n ) x + h n + 1 + n h n + 2 2 ( n + 1 ) ( n + 2 ) ! f ( n + 2 ) ( ξ ) f(x+h)=sum_(alpha=0)^(n-1)(h^(alpha))/(alpha!)f^((alpha))(x)+(h^(n))/(n!)f^((n))(x+(h)/(n+1))+(nh^(n+2))/(2(n+1)*(n+2)!)f^((n+2))(xi)f(x+h)=\sum_{\alpha=0}^{n-1} \frac{h^{\alpha}}{\alpha!} f^{(\alpha)}(x)+\frac{h^{n}}{n!} f^{(n)}\left(x+\frac{h}{n+1}\right)+\frac{n h^{n+2}}{2(n+1) \cdot(n+2)!} f^{(n+2)}(\xi)f(x+h)=α=0n1hαα!f(α)(x)+hnn!f(n)(x+hn+1)+nhn+22(n+1)(n+2)!f(n+2)(ξ), où ξ ξ xi\xiξ est à l'intérieur du plus petit intervalle contenant les points x , x + h x , x + h x,x+hx, x+hx,x+h.
6. On peut obtenir les résultats précédents sans passer par la formule (1). En effet, nous avons démontré [5] que si la fonction f f fff est convexe d'ordre n 1 n 1 n-1n-1n1, nous avons l'inégalité
[ x 1 , x 2 , , x n + 1 ; f ] > 1 n ! f ( n ) ( x 1 + x 2 + + x n + 1 n + 1 ) x 1 , x 2 , , x n + 1 ; f > 1 n ! f ( n ) x 1 + x 2 + + x n + 1 n + 1 [x_(1),x_(2),dots,x_(n+1);f] > (1)/(n!)f^((n))((x_(1)+x_(2)+cdots+x_(n+1))/(n+1))\left[x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{n+1} ; f\right]>\frac{1}{n!} f^{(n)}\left(\frac{x_{1}+x_{2}+\cdots+x_{n+1}}{n+1}\right)[x1,x2,,xn+1;f]>1n!f(n)(x1+x2++xn+1n+1)
(où x α x α x_(alpha)x_{\alpha}xα ne sont pas tous confondus). La simplicité du reste de la formule (8) en résulte alors [8].
7. On peut obtenir d'autres formules d'approximation de la différence divisée (1), en appliquant à l'intégrale du second membre une formule quelconque de quadrature, Je me contenterai d'examiner encore un cas particulier.
Faisons d'abord quelques calculs préliminaires. Les moments
c n = a b G ( x ) x n d x , ( n = 0 , 1 , ) c n = a b G ( x ) x n d x , ( n = 0 , 1 , ) c_(n)=int_(a)^(b)G(x)x^(n)dx,quad(n=0,1,dots)c_{n}=\int_{a}^{b} G(x) x^{n} \mathrm{~d} x, \quad(n=0,1, \ldots)cn=abG(x)xn dx,(n=0,1,)
peuvent être calculés à l'aide des fonctions symétriques bien connues w r = α 1 + α 2 + + α n + 1 = r x 1 α 1 x 2 α 2 x n + 1 α n + 1 , ( r = 0 , 1 , ; w 0 = 1 ) w r = α 1 + α 2 + + α n + 1 = r x 1 α 1 x 2 α 2 x n + 1 α n + 1 , r = 0 , 1 , ; w 0 = 1 w_(r)=sum_(alpha_(1)+alpha_(2)+dots+alpha_(n+1)=r)x_(1)^(alpha_(1))x_(2)^(alpha_(2))dotsx_(n+1)^(alpha_(n+1)),(r=0,1,dots;w_(0)=1)w_{r}=\sum_{\alpha_{1}+\alpha_{2}+\ldots+\alpha_{n+1}=r} x_{1}^{\alpha_{1}} x_{2}^{\alpha_{2}} \ldots x_{n+1}^{\alpha_{n+1}},\left(r=0,1, \ldots ; w_{0}=1\right)wr=α1+α2++αn+1=rx1α1x2α2xn+1αn+1,(r=0,1,;w0=1), la sommation étant étendue aux solutions entiers nonnégatives de l'équation diophantienne a 1 + α 2 + + α n + 1 = r a 1 + α 2 + + α n + 1 = r a_(1)+alpha_(2)+cdots+alpha_(n+1)=ra_{1}+\alpha_{2}+\cdots+\alpha_{n+1}=ra1+α2++αn+1=r. On peut calculer les w r w r w_(r)w_{r}wr à l'aide de la formule de récurrence
(10) w r p 1 w r 1 + p 2 w r 2 + ( 1 ) n + 1 p n + 1 w r n 1 = 0 , ( r = 1 , 2 , ) , (10) w r p 1 w r 1 + p 2 w r 2 + ( 1 ) n + 1 p n + 1 w r n 1 = 0 , ( r = 1 , 2 , ) , {:(10)w_(r)-p_(1)w_(r-1)+p_(2)w_(r-2)-cdots+(-1)^(n+1)p_(n+1)w_(r-n-1)=0","(r=1","2","dots)",":}\begin{equation*} w_{r}-p_{1} w_{r-1}+p_{2} w_{r-2}-\cdots+(-1)^{n+1} p_{n+1} w_{r-n-1}=0,(r=1,2, \ldots), \tag{10} \end{equation*}(10)wrp1wr1+p2wr2+(1)n+1pn+1wrn1=0,(r=1,2,),
en posant w 0 = 1 , w 1 = w 2 = = w n = 0 , p 1 , p 2 , , p n + 1 w 0 = 1 , w 1 = w 2 = = w n = 0 , p 1 , p 2 , , p n + 1 w_(0)=1,w_(-1)=w_(-2)=cdots=w_(-n)=0,p_(1),p_(2),dots,p_(n+1)w_{0}=1, w_{-1}=w_{-2}=\cdots=w_{-n}=0, p_{1}, p_{2}, \ldots, p_{n+1}w0=1,w1=w2==wn=0,p1,p2,,pn+1 étant les fonctions symétriques fondamentales des x 1 , x 2 , , x n + 1 x 1 , x 2 , , x n + 1 x_(1),x_(2),dots,x_(n+1)x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{n+1}x1,x2,,xn+1.
Si nous posons f = x n + r f = x n + r f=x^(n+r)f=x^{n+r}f=xn+r dans (1), nous obtenons
d'où
w r = [ x 1 , x 2 , , x n + r ; x n r ] = ( n + r ) ! r ! a b G ( x ) x r d x c r = r ! ( n + r ) ! w r , ( r = 0 , 1 , ; 0 ! = 1 ) w r = x 1 , x 2 , , x n + r ; x n r = ( n + r ) ! r ! a b G ( x ) x r d x c r = r ! ( n + r ) ! w r , ( r = 0 , 1 , ; 0 ! = 1 ) {:[w_(r)=[x_(1),x_(2),dots,x_(n+r);x^(n-r)]=((n+r)!)/(r!)int_(a)^(b)G(x)x^(r)dx],[c_(r)=(r!)/((n+r)!)w_(r)","(r=0","1","dots;0!=1)]:}\begin{gathered} w_{r}=\left[x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{n+r} ; x^{n-r}\right]=\frac{(n+r)!}{r!} \int_{a}^{b} G(x) x^{r} \mathrm{~d} x \\ c_{r}=\frac{r!}{(n+r)!} w_{r},(r=0,1, \ldots ; 0!=1) \end{gathered}wr=[x1,x2,,xn+r;xnr]=(n+r)!r!abG(x)xr dxcr=r!(n+r)!wr,(r=0,1,;0!=1)
  1. Supposons que les noeuds x α , ( α = 1 , 2 , , n + 1 ) x α , ( α = 1 , 2 , , n + 1 ) x_(alpha),(alpha=1,2,dots,n+1)x_{\alpha},(\alpha=1,2, \ldots, n+1)xα,(α=1,2,,n+1), soient symétriquement distribués par rapport à l'origine, donc que a = b , x α + x n + 2 α = 0 a = b , x α + x n + 2 α = 0 a=-b,x_(alpha)+x_(n+2-alpha)=0a=-b, x_{\alpha}+x_{n+2-\alpha}=0a=b,xα+xn+2α=0, ( α = 1 , 2 , , n + 1 ) ( α = 1 , 2 , , n + 1 ) (alpha=1,2,dots,n+1)(\alpha=1,2, \ldots, n+1)(α=1,2,,n+1). Dans ce cas on a p α = 0 p α = 0 p_(alpha)=0p_{\alpha}=0pα=0 pour α α alpha\alphaα impair et de (10) il résulte que w r = 0 w r = 0 w_(r)=0w_{r}=0wr=0, donc aussi c r = 0 c r = 0 c_(r)=0c_{r}=0cr=0, pour r r rrr impair quelconque.
Nous avons la formule d'approximation ( m 1 m 1 m >= 1m \geqq 1m1 )
(11) b b G ( x ) f ( x ) d x b b G ( x ) [ α = 0 2 m 1 x α α ! f ( α ) ( 0 ) ] d x = α = 0 m 1 c 2 α ( 2 α ) ! f ( 2 α ) ( 0 ) (11) b b G ( x ) f ( x ) d x b b G ( x ) α = 0 2 m 1 x α α ! f ( α ) ( 0 ) d x = α = 0 m 1 c 2 α ( 2 α ) ! f ( 2 α ) ( 0 ) {:(11)int_(-b)^(b)G(x)f(x)dx~~int_(-b)^(b)G(x)[sum_(alpha=0)^(2m-1)(x^(alpha))/(alpha!)f^((alpha))(0)]dx=sum_(alpha=0)^(m-1)(c_(2alpha))/((2alpha)!)f^((2alpha))(0):}\begin{equation*} \int_{-b}^{b} G(x) f(x) \mathrm{d} x \approx \int_{-b}^{b} G(x)\left[\sum_{\alpha=0}^{2 m-1} \frac{x^{\alpha}}{\alpha!} f^{(\alpha)}(0)\right] \mathrm{d} x=\sum_{\alpha=0}^{m-1} \frac{c_{2 \alpha}}{(2 \alpha)!} f^{(2 \alpha)}(0) \tag{11} \end{equation*}(11)bbG(x)f(x)dxbbG(x)[α=02m1xαα!f(α)(0)]dx=α=0m1c2α(2α)!f(2α)(0)
dont le reste
(12) b b G ( x ) x 2 m [ x , 0 , 0 , , 0 2 m ; f ] d x (12) b b G ( x ) x 2 m [ x , 0 , 0 , , 0 2 m ; f ] d x {:(12)int_(-b)^(b)G(x)x^(2m)[x","ubrace(0,0,dots,0ubrace)_(2m);f]dx:}\begin{equation*} \int_{-b}^{b} G(x) x^{2 m}[x, \underbrace{0,0, \ldots, 0}_{2 m} ; f] \mathrm{d} x \tag{12} \end{equation*}(12)bbG(x)x2m[x,0,0,,02m;f]dx
est de degré d'exactitude 2 m 1 2 m 1 2m-12 m-12m1 et est bien de la forme simple, donc de la forme
(13) c 2 m [ ξ 1 , ξ 2 , , ξ 2 m + 1 ; f ] , (13) c 2 m ξ 1 , ξ 2 , , ξ 2 m + 1 ; f , {:(13)c_(2m)[xi_(1),xi_(2),dots,xi_(2m+1);f]",":}\begin{equation*} c_{2 m}\left[\xi_{1}, \xi_{2}, \ldots, \xi_{2 m+1} ; f\right], \tag{13} \end{equation*}(13)c2m[ξ1,ξ2,,ξ2m+1;f],
les ξ α ξ α xi_(alpha)\xi_{\alpha}ξα étant 2 m + 1 2 m + 1 2m+12 m+12m+1 points distincts de l'intervalle ( b , b b , b -b,b-b, bb,b ). Dans (12) on suppose que la fonction f f fff ait une dérivée continue d'ordre 2 m 1 2 m 1 2m-12 m-12m1, mais le reste est de la forme (13) même si f f fff a une dérivée continue d’ordre 2 m 2 2 m 2 2m-22 m-22m2 seulement. Le reste peut donc se mettre sous la forme
2 c 2 m ( 2 m ) ! [ ξ 1 , ξ 2 , ξ 3 ; f ( 2 m 2 ) ] 2 c 2 m ( 2 m ) ! ξ 1 , ξ 2 , ξ 3 ; f ( 2 m 2 ) (2c_(2m))/((2m)!)[xi_(1),xi_(2),xi_(3);f^((2m-2))]\frac{2 c_{2 m}}{(2 m)!}\left[\xi_{1}, \xi_{2}, \xi_{3} ; f^{(2 m-2)}\right]2c2m(2m)![ξ1,ξ2,ξ3;f(2m2)]
ξ 1 , ξ 2 , ξ 3 ξ 1 , ξ 2 , ξ 3 xi_(1),xi_(2),xi_(3)\xi_{1}, \xi_{2}, \xi_{3}ξ1,ξ2,ξ3 étant trois points distincts de l'intervalle ( b , b b , b -b,b-b, bb,b ).
Nous déduisons que si les noeuds x α , ( α = 1 , 2 , , n + 1 ) x α , ( α = 1 , 2 , , n + 1 ) x_(alpha),(alpha=1,2,dots,n+1)x_{\alpha},(\alpha=1,2, \ldots, n+1)xα,(α=1,2,,n+1), sont symétriquement distribués par rapport à l'origine et si x n + 1 = x 1 = b ( > 0 ) x n + 1 = x 1 = b ( > 0 ) x_(n+1)=-x_(1)=b( > 0)x_{n+1}=-x_{1}=b(>0)xn+1=x1=b(>0) nous avons la formule d'approximation
[ x 1 , x 2 , , x n + 1 ; f ] = α = 0 m 1 w 2 α ( n + 2 α ) ! f ( n + 2 α ) ( 0 ) + + 2 w 2 m ( n + 2 m ) ! [ ξ 1 , ξ 2 , ξ 3 ; f ( n + 2 m 2 ) ] x 1 , x 2 , , x n + 1 ; f = α = 0 m 1 w 2 α ( n + 2 α ) ! f ( n + 2 α ) ( 0 ) + + 2 w 2 m ( n + 2 m ) ! ξ 1 , ξ 2 , ξ 3 ; f ( n + 2 m 2 ) {:[[x_(1),x_(2),dots,x_(n+1);f]=sum_(alpha=0)^(m-1)(w_(2alpha))/((n+2alpha)!)f^((n+2alpha))(0)+],[quad+(2w_(2m))/((n+2m)!)[xi_(1),xi_(2),xi_(3);f^((n+2m-2))]]:}\begin{aligned} & {\left[x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{n+1} ; f\right]=\sum_{\alpha=0}^{m-1} \frac{w_{2 \alpha}}{(n+2 \alpha)!} f^{(n+2 \alpha)}(0)+} \\ & \quad+\frac{2 w_{2 m}}{(n+2 m)!}\left[\xi_{1}, \xi_{2}, \xi_{3} ; f^{(n+2 m-2)}\right] \end{aligned}[x1,x2,,xn+1;f]=α=0m1w2α(n+2α)!f(n+2α)(0)++2w2m(n+2m)![ξ1,ξ2,ξ3;f(n+2m2)]

f f fff a une dérivée continue d'ordre n + 2 m 2 sur ( b , b ) n + 2 m 2 sur ( b , b ) n+2m-2sur(-b,b)n+2 m-2 \operatorname{sur}(-b, b)n+2m2sur(b,b) et ξ 1 , ξ 2 , ξ 3 ξ 1 , ξ 2 , ξ 3 xi_(1),xi_(2),xi_(3)\xi_{1}, \xi_{2}, \xi_{3}ξ1,ξ2,ξ3 sont trois points distincts de cet intervalle.
La formule (11) est encore du type Gauss, d'après la définition des formules de ce type [7].
Regue le 13 II 1967
Université „Babeş-Bolyai"

BIBLIOGRAPHIE

  1. Gotusso L., Una valutasione approssimata del termine complementare della formula di Taylor. Atti del Seminario Mat. e Fizico dell'Univ. di Modena, 1964, XIII, pp. 221-229. 2. Ionescu D. V., Cuadraturi Numerice. Ed. Tehn. Buc., 1957.
  2. Kowalewski G., Interpolation und genäherte Quadratur. Leipzig u. Berlin, 1932.
  3. v. Mises s R., Über allgemeine Quadraturformeln. J. f. reine u. angew. Math., 1936, 174, S. 56-67.
1967

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