Rezumat
Autor(i)
Dimitrie D. Stancu
Universitatea Babeş-Bolyai
Institutul de Calcul, Academia Română
Cuvinte cheie
Citați articolul în forma
D.D. Stancu, Contribuţii la integrarea numerică a funcţiilor de mai multe variabile, Studii şi Cercet. Matem. (Cluj), 8 (1957) nos. 1–2, pp. 75–101 (in Romanian).
Despre acest articol
Revista
Studii şi cercetări matematice (Cluj)
Editura
Academia Republicii S.R.
DOI
Print ISSN
Not available yet.
Online ISSN
Not available yet.
Profil Google Scholar
Lucrare in format HTML
CONTRIBUTTII LA INTEGRAREA NUMERICĂ A FUNCTYILOR DE MAI MULTE VARIABILE
Comunicare prezentată la ședinţa din 24 septembrie 1956 a Filialei Cluj a Academiei R.P.R.
§ 1. Considerațiuni generale
-
1.
Să notăm eu un domeniu din spațiul euclidian - dimensional , cu un element de volum din , cu și două funcții de punctul , integrabile în domeniul considerat.
Prin formulă de integrare numerică sau formulă de cubatură se înțelege o formulă de forma
| (1) |
unde numerele - care se numesc coeficienții formulei - depind numai de nodurile ale formulei de cubatură, care sînt puncte din este restul acestei formule.
Suma finită din membrul al doilea
| (2) |
reprezintă o evaluare aproximativă a funcționalei
| (3) |
unde funcțiunea se presupune că e aleasă odată pentru totdeauna pentru funcționala și că păstrează un semn constant în .
Aşadar, o formulă de cubatură este o formulă care permite să se dea o evaluare aproximativă a unei integrale definite dintr-o funcție , multiplicată cu o functie pondere , printr-o anumită combinație liniară a valorilor funcției pe un număr finit de puncte distincte. Avem și formule
de cubatură în care intervin și valorile derivatelor parțiale ale lui în anumite puncte.
Restul al formulei (1) reprezintă valoarea, dată de, această formulă, a unei funcționale aditive și omogene, pe care, pentru a indica funcția , o vom nota de asemenea cu .
2. Vom spune că formula (1) are gradul parțial de exactitate ( ). dacă :
a) pentru orice polinom de grad .
b) pentru cel puttin un polinom de grad , .
3. Problemele de bază care se pun acum sînt următoarele:
a) A construi formulele de cubatură, adică a determina coeficienții și nodurile .
b) A da și studia expresia restului acestor formule pentru a putea evalua eroarea care se comite cînd pentru se ia valoarea aproximativă .
Se știe că o metodă generală de construire a formulelor de cubatură constă în a înlocui funcția prin expresia sa dată de o formulă de interpolare.
Dacă presupunem că este dezvoltabilă în seria uniform convergentă în
| (4) |
şi punem
restul va fi reprezentat de seria
| (5) |
cantitătile intre parantezele drepte fiind toate indepedente de .
Dacă e un polinom de gradul ( ), avem
oricare ar fi coeficienții pentru care .
Aceasta ne conduce la următoarele ecuatii
-
4.
E, firesc să căutăm să mărim precizia formulei de cubatură despre care vorbim, căutînd să determinăm cele necunoscute ( ), astfel ca să se anuleze, oricare ar fi functia , şi cei termeni următori din seria (5), deducînd în acest ecuații noi de forma
În felul acesta se obține în total un sistem de ecuații cu tot atîtea necunoscute
Pentru ca problema să fie posibilă va trebui ca sistemul liniar care se obține să fie compatibil și să ne conducă la puncte reale aparținînd domeniului și fără să fie situate pe o hipersuprafată de ordinul pentru a nu se anula anumiți determinanti care vor interveni la numitorii expresiilor coeficientiilor .
5. Intr-o lucrare precedentă [3], relativ 1a sistemul de noduri
| (6) |
am dat formula de interpolare
| (7) |
unde
| (8) |
cu
e polinomul de interpolare de gradul ( ) care coincide cu pe nodurile (6):
Restul formulei (7) are expresia
unde
Aici în membrul drept avem diferența divizată pe nodurile aplicată variabilei a funcției
-
6.
Să presupunem că punctele (6) aparțin domeniului . Dacă se utilizează formula (7) se obține formula de cubatură
| (9) |
unde coeficienții sînt dați de formula
| (10) |
iar restul e dat de
| (11) |
-
7.
Exemplu. Considerînd în cazu1 nodurile
| (12) | |||
formula (7) ne conduce la formula de interpolare
| (13) | |||
unde restul are expresia
| (14) |
Luînd ca domeniu de integrare paralelogramul de vîrfuri
| (15) |
și făcînd , formula de cubatură (9) devine
| (17) |
Formula de cubatură (16) are gradul parțial de exactitate ( 2,2 ) și gradul global de exactitate egal cu 3.
Dacă facem obținem următoarea formulă de cubatură de grad parțial de exactitate
| (18) |
care este tocmai formula clasică a lui Cavalieri-Simpson extinsă la două variabile. Domeniul de integrare este în acest caz dreptunghiul definit de inegalitățile
| (19) |
Restul formulei de cubatură a lui Cavalieri-Simpson e dat de formula
| (20) |
unde
| (21) | |||
-
8.
In continuare vom căuta să dăm o evaluare a restului (20).
Se observă că putem scrie
| (22) | |||
Utilizînd formula elementară
| (23) |
vom putea scrie succesiv
Dar în baza formulei de recurență a diferențelor divizate avem
Cu acestea vom putea scrie în continuare
6 - Studii și cercetări
Deoarece păstrează un semn constant în intervalul de integrare, putem aplica formula mediei și găsim
Aplicînd iarăşi formula (23), primim succesiv
Dacă introducem o natatie simbolică dată de J. F. Steffensen [6] și mai nou utilizată mult de Ş. E. Mikel a d z e [1]
| (24) |
restul (20) se va scrie în definitiv astfel
| (25) |
Observattii. . Restul dat de Ș. E. Mike1adze la pag. 491 a lucrării [1] trebuie rectificat întrucît în loc de factorul care multiplică derivata , în formula sa figurează ; această inexactitate provine din formula mai generală care o precede pe aceasta.
. Formula (18), cu restul (25) a fost dată în cazul patratului cu centrul în origine şi cu latura unu de către J. F. Steffensen [6], însă fără să se arate că și care intervin mai sus sînt aceiaşi.
§ 2. Unele formule practice de cubatură pentru integralele -uple
-
9.
Pentru formulele pe care le vom da va fi util să introducem un operator definit astfel
| (26) | |||
Oricare sînt numerele naturale , se stabileşte imediat că avem
| (27) | |||
-
10.
Ne vor si utile dovă lence inportante.
Lema 1. Relativ la iunctia si la nodurile a căror coordonată de ordinal par urge valorile
| (28) | |||
avem formula de interpolare
| (29) | |||
unde
| (30) | |||
| (33) | |||
Restul are următoarea expresie
cu
| (35) |
| unde | |||
Pentru demonstratetie se consideră formula de interpolare a lui Lagrange pentru s valabile, cu restul sub forma dată de J. F. Steffensen [6]. Interpolarea se face peo retea hiperparalelipipedică cu coordonatele nodurilor echidistante. Că această formulă se poate aduce la forma (29) se poate demonstra prin inductie completă 1 ).
Lema 2. - Oricare ar fi funcția integrabilă în hiperparalelipipedul
| (37) |
avem formula
Demonstrația se face de asemenea prin inducție completă asupra lui .
11. Bazați pe aceste leme vom putea enunța următoarea
teoremå: Relativ la funcția şi la nodurile pe care le foloseste formula (29) avem formula de cubatură
| (35) | ||||
| (40) | |||
iar
| (41) |
Relativ la rest vom demonstra următoarea
teoremă: Dacă în domeniul funcția e continuă împreună derivatele sale partiale de ordinul , atunci pentru restul (41) se obține evaluarea
| (42) | |||
unde
| (43) | |||
și
| (44) |
Demonstrația o vom da în cazul ; în cazul lui oarecare se va proceda exact la fe1, t,inînd numai seama de formula (35) și de lema 2.
In cazul lui restul (35) se scrie explicit astfel
| (45) | |||
unde
Aplicînd teorema mediei integralelor triple și ținînd seama că admite în ( ) derivate partiale de ordinul ( ) continue, putem scrie
Să calculăm acum integrala
| (46) |
Vom evalua mai întîi această integrală pentru primul termen al restului (45) ; primim
unde
este o funcție care conform studiului făcut de J. F. Steffensen [6] 2 ) păstrează un semn constant în intervalul .
Integrînd prin părți găsim
astfel că vom putea scrie în continuare
Cu acestea
Și acum, folosind iar evaluarea dată la primul termen al restului, se găseşte că
In mod analog se obțin
A1 șaptelea și ultimul termen al restului este
In baza celor precedente avem
și
Astfel că
Aşadar în restul formulei de cubatură (39) poate fi exprimat prin formula
| (47) | ||||
unde
-
12.
O categorie importantă de formule de cubatură se obține din (39) dacă se ia . Asemenea formule le vom numi, împreună cu I. F. Steffensen [6] și S. E. Mikeladze [1], formule de tip închis.
In cazul cînd limitele integralei a sînt în afara intervalului ( ), cu alte cuvinte , obținem aşa numitele formule de tip deschis.
Și, în sfîrşit, dacă , obținem formulele de cubatură cu noduri aşezate în afara domeniului de integrare.
§ 3. Cazuri particulare importante ale formulelor de cubatură precedente
-
13.
Vom considera acum anumite cazuri particulare, care ni se par mai interesante, ale formulei (39).
In cazul majoritatea formulelor care se obtin au fost date de către I. F. Steffensen [6], S. E. Mikeladze [1], W. E. Milne [2], etc.
Schimbînd puțin notațiile, formula (39) în cazul devine
| (48) | |||
unde
| (52) |
şi
-
14.
Dacă se ia în (48) se obtine formula de cuadratură cu un nod
| (49) |
iar dacă facem se găsește formula cu 3 noduri
| (50) | |||
Pentru se obține o binecunoscută formulă de tip închis : formula lui Cavalieri-Simpson.
Pentru se găseşte formula de cuadratură de tip deschis
| (54) | |||
de grad de exactitate 5.
15. In cazul formula de cubatură (39) se scrie
| (51) |
sau mai explicit
unde
iar
Restul are următoarea expresie
| (55) | ||||
-
16.
Dacă în (52) se ia se obține următoarea formulă de cubatură de tip deschis de grad de exactitate
unde
Se obține o formulă de cubatură importantă dacă se ia
unde restul are expresia
Făcînd mai sus se ajunge la formula de cubatură a lui Cavalieri-Simpson pentru două variabile
Am regăsit astfel pe altă cale expresia (25) a restului formulei lui Cavalieri-Simpson.
Pentru avem
cu
Pentru formula (52) devine, luînd pentru simplificare
| (56) | |||
unde
iar
Dacă în (56) se face se obține următoarea formulă de cubatură de tip închis, care are gradul parțial de exactitate :
.
cu
Pentru se obține formula de cubatură de tip deschis
unde
Pentru din (56) se obține o formulă de cubatură cu noduri în afara domeniulıu de integrare, care merită să fie menționată.
17. In cazul formula de cubatură (39) se scrie
minde
| (58) | ||||
iar restul are expresia de la (42) cu modificarea notat,iei deja folosită
Coeficienții formulei (57) au expresiile
.
.
.
.
-
18.
Ne vom opri acum asupra unor cazuri particulare importante ale acestei formule.
Pentru se obține o formulă de cubatură care foloseste un singur nod și are gradul partial de exactitate ( )
| (59) |
unde este paralelipipedul
| (60) |
iar restul are expresia.
.
Se observă că unicul nod pe care e definită această formulă se găseste în centrul de greutate al domeniului , presupus omogen. Această formulă e de tip Gauss, întrucît folosește minimul de noduri posibil.
19. Făcînd în formula (57) , se obține formula de cubatură
| (60) | |||
Din aceasta vom obține imediat următoarea formulă de cubatură care reprezintă extinderea formulei lui Cavalieri-Simpson la trei variabile
unde
Dacă în formula (60) facem se obține următoarea formulă de cubatură de tip deschis, care utilizează același număr de noduri ca și formula (61) și are la fel gradul parțial de exactitate ( )
| (62) | |||
Alte formule de integrare numerică au fost date în lucrarea [4].
§. 4. Formula de integrare numerică a lui Cavalieri-Simpson in
-
20.
In încheiere vom da, sub formă explicită, două din formulele de cubatură mai importante deduse deja în cazurile şi 3 .
Astfel avem formula de cubatură de grad de exactitate
unde este hiperparalelipipedul
iar restul are expresia
-
21.
Dacă în formula (39) se face
se obține următoarea formulă de cubatură, de grad parțial de exactitate , care reprezintă extinderea formulei lui Cavalieri-Sompson în
CONTRIBUTIONS À L’INTÉGRATION NUMÉRIQUE DES FONCTIONS DE PLUSIEURS VARIABLES
(Résumé)
En utilisant certaines formules d’interpolation pour les fonctions de plusieurs variables, on construit plusieurs formules pour le calcul approché des intégrales multiples définies. Pour chaque formule donnée on établit l’expression du reste.
Dans le premier paragraphe, après quelques considérations générales sur l’intégration numérique des fonctions de plusieurs variables, on déduit, en particulier, la formule de Cavalieri-Simpson pour deux variables. A cette occasion on donne aussi une expression précise du reste (25) de cette formule.
Dans le second paragraphe est construite une formule de cubature (39) pour les intégrales s-uples. Au (42) on établit l’expression du reste de cette formule.
Dans le troisième paragraphe on déduit sous une forme explicite, de (39), une série de formules d’intégration numérique poúr les intégrales simple, double et triple.
Dans le dernier paragraphe on donne effectivement deux formules de cubature pour les intégrales s-uples: la formule (62) qui utilise un seul noeud et la formule (64) qui représente la généralisation de la formule de quadrature de Cavalieri-Simpson.
