사다리꼴 법칙

Trapezoidal rule
함수 f(x)(파란색)는 선형 함수(빨간색)에 의해 근사치된다.

수학에서, 그리고 좀 더 구체적으로 수치 분석에서 사다리꼴 규칙(사다리꼴 규칙 또는 사다리꼴 규칙이라고도 함—용어에 대한 자세한 내용은 사다리꼴 참조)은 명확한 적분을 근사하기 위한 기법이다.

사다리꼴 규칙은 사다리꼴) 함수의 그래프 아래 영역을 근사하고 그 영역을 계산하는 방식으로 작동한다. 그 뒤를 잇는다.

사다리꼴 규칙은 좌우 리만 합계를 평균하여 얻은 결과로 볼 수 있으며, 때로는 이렇게 정의되기도 한다. 적분은 통합 간격을 분할하고 사다리꼴 규칙을 각 하위 간격에 적용하고 결과를 합산하여 훨씬 더 잘 추정할 수 있다. 실제로 이 "체인" (또는 "복합") 사다리꼴 규칙은 대개 "사다리꼴 규칙과 통합"하는 것을 의미한다. }}[a, b]{\displaystyle[a,b]}를=-10<>x1개체, ⋯<>)N− 1<>)N)b{\displaystyle a=x_{0}<, x_{1}<, \cdots <, x_{N-1}<, x_{의 파티션{)k}{\displaystyle\와 같이{x_{k}\자.정기{k\displaystyle}-th subinterval의 N}=b}과Δ)k{\displaystyle\Delta x_{k}} 길이를 말한다. (즉, = - 다음

사다리꼴 규칙이 무엇이고 단계 크기가 감소함에 따라 근사치의 오차가 어떻게 감소하는지 보여주는 애니메이션
, {\의 불규칙한 간격 분할에 사용되는 "체인 사다리꼴 규칙"의 그림

근사치는 파티션의 분해능이 증가함에 따라 더 정확해진다(즉, 더 큰 흔히 그렇듯이 파티션의 간격이 일정한 경우 계산 효율을 위해 공식을 단순화할 수 있다.

아래에서 논의한 바와 같이 사다리꼴 규칙을 사용하여 추정된 확정 적분 값의 정확도에 오차 한계를 두는 것도 가능하다.

역사

2016년 한 논문은 기원전 50년 이전에 사다리꼴 규칙이 황토를 따라 목성의 속도를 통합하기 위해 바빌론에서 사용되었다고 보고한다.[1]

수치적 구현

불균일 격자

격자 간격이 균일하지 않을 경우 공식을 사용할 수 있다.

균일 격자

동일한 으로N {\ N 패널로 축소된 도메인의 경우 상당한 단순화가 발생할 수 있다. 내버려두다

적분에 대한 근사치가 되다

계산하는 함수의 평가가 더 적게 필요하다.

오류분석

사다리꼴 규칙 근사치가 = 2 = 의 간격에 대해 스트립이 많을수록 향상되는 방법을 보여주는 애니메이션 의 간격 수가 증가함에 따라 결과의 정확도도도도도 높아진다.

복합 사다리꼴 규칙의 오류는 적분 값과 숫자 결과 간의 차이:

a[2] b 사이에는 다음과 같은 숫자 exists이 존재한다.

따라서 통합이 위로 오목하게 되어(따라서 양의 두 번째 파생상품이 있는 경우), 오차는 음이고 사다리꼴 규칙은 참값을 과대평가한다. 이것은 기하학적 그림에서도 볼 수 있다: 사다리꼴은 곡선 아래의 모든 영역을 포함하며 그 위로 뻗어나간다. 마찬가지로 오목함수는 곡선 아래 면적이 설명되지 않기 때문에 과소평가되지만 위에서 계산된 것은 없다. 근사치되는 적분 간격이 변곡점을 포함하면 오차를 식별하기가 더 어렵다.

N → ∞에 대한 점근오차 추정치는 다음과 같다.

이 오차 추정치의 추가 용어는 오일러-매클라우린 합계 공식에 의해 제시된다.

오류를 분석하기 위해 다음과 같은 몇 가지 기법을 사용할 수 있다.[3]

  1. 푸리에 시리즈
  2. 잔류 미적분학
  3. 오일러-매클라우린 합계식[4][5]
  4. 다항 보간법[6]


사다리꼴 규칙의 수렴 속도는 함수의 평활도 등급의 정의로 사용할 수 있다는 주장이 있다.[7]

증명

h= - N h and . Let be the function such that 은(는) 간격 중 하나에 대한 사다리꼴 규칙의 오류로 [, + 그러면

그리고

( ) ( ), 이(가 충분히 부드럽다면 이 값을 유지한다고 가정합시다. 그 뒤를 잇는다.

which is equivalent to , or

( )= 0 ( 0)= {\0)=이므로

그리고

이 결과를 통해 우리는

그리고

= h 허용

발견된 모든 로컬 오류 용어를 합쳐서

하지만 우리는 또한

그리고

하도록

따라서 총 오차는 다음 범위로 제한된다.

주기 및 피크 함수

사다리꼴 규칙은 주기적인 기능을 위해 빠르게 수렴된다. 이는 Euler-Maclaurin 합계식의 쉬운 결과로서, 만약 (가) T{\과(와) 연속적으로 다른 경우(와)라고 한다.

여기서 / N ~ 베르누이 확장이다[8] 주기성으로 인해 엔드포인트의 파생상품이 취소되고 오류가 ) O 입니다

가우스, 기하급수적으로 수정된 가우스와 같은 피크 유사 기능 및 무시할 수 있는 통합 한계에서 파생상품을 갖는 기타 기능에도 유사한 효과를 사용할 수 있다.[9] 정확도가 1%인 사다리꼴 규칙에 의한 가우스 함수의 전체 적분 평가는 단 4점을 사용하여 수행할 수 있다.[10] 심슨의 법칙은 같은 정확도를 얻기 위해서는 1.8배 이상의 점수를 필요로 한다.[10][11]

오일러-매클라우린 합계식을 보다 높은 차원으로 확장하기 위한 노력이 어느 정도 이루어졌지만,[12] 보다 높은 차원에 있어서의 사다리꼴 규칙의 급속한 정합화를 증명하는 가장 직접적인 증거는 푸리에 시리즈의 정합화로 문제를 줄이는 것이다. 이 추론에서는 p f}이 n {\ -차원 공간에서 주기적인 경우, 수렴 O( p{\ O 매우 큰 차원에 대해서는 Monte-Carlo 통합이 가장 가능성이 높다는 것을 보여준다. 더 나은 선택이지만, 2차원과 3차원의 경우 등분 표본 추출이 효율적이다. 이는 상호 격자 내 원시 세포에 대한 등분비 샘플링을 Monkhorst-Pack 통합으로 알려진 계산 솔리드 스테이트 물리학에서 활용된다.[13]

"경계" 함수

C2 없는 함수의 경우 위에 주어진 오차범위는 적용되지 않는다. 그러나 이러한 대략적인 기능에 대한 오차 한계는 도출될 수 있으며, 이는 일반적으로 위에 주어진 (- )의 동작보다 함수 평가 N의 수와 더 느린 수렴을 나타낸다. 흥미롭게도, 이 경우 사다리꼴 규칙은 동일한 수의 함수 평가에 대한 심슨의 규칙보다 더 명확한 경계를 가지고 있다.[14]

적용 가능성 및 대안

사다리꼴 규칙은 뉴턴-코테스 공식이라고 불리는 숫자 통합 공식의 한 계열이며, 중간점 규칙은 사다리꼴 규칙과 유사하다. 심슨의 규칙은 같은 가족의 또 다른 구성원이며, 일반적으로 모든 특정한 경우는 아니지만 지속적으로 두 배씩 차이가 나는 기능에 대한 사다리꼴 규칙보다 융합 속도가 빠르다. 그러나 다양한 등급의 거친 기능(평활도가 약한 기능)의 경우 사다리꼴 규칙은 일반적으로 심슨의 규칙보다 더 빠른 정합성을 가진다.[14]

더욱이 사다리꼴 규칙은 주기적인 기능이 그 기간에 걸쳐 통합될 때 극히 정확해지는 경향이 있어, 이를 다양한 방법으로 분석할 수 있다.[7][11] 피크 기능에도 유사한 효과를 사용할 수 있다.[10][11]

그러나 비주기적 함수의 경우 일반적으로 가우스 사분법 클렌쇼-커티스 사분법처럼 뚜렷하게 간격을 두는 방법이 훨씬 더 정확하다. 클렌쇼-커티스 사분법은 주기적 통합의 관점에서 임의적 통합을 표현하기 위한 변수의 변화로 볼 수 있으며, 이때 사다리꼴 규칙이 적용될 수 있다.경솔하게

참고 항목

메모들

  1. ^ Ossendrijver, Mathieu (Jan 29, 2016). "Ancient Babylonian astronomers calculated Jupiter's position from the area under a time-velocity graph". Science. 351 (6272): 482–484. doi:10.1126/science.aad8085. PMID 26823423. S2CID 206644971.
  2. ^ 앳킨슨(1989, 방정식 5.1.7)
  3. ^ (Weideman 2002, 페이지 23, 섹션 2)
  4. ^ 앳킨슨(1989, 방정식 5.1.9)
  5. ^ 앳킨슨(1989, 페이지 285)
  6. ^ 부담 & 연금술사(2011, 페이지 194) (
  7. ^ Jump up to: a b (라만 & 슈마이서 1990)
  8. ^ Kress, Rainer (1998). Numerical Analysis, volume 181 of Graduate Texts in Mathematics. Springer-Verlag.
  9. ^ Goodwin, E. T. (1949). "The evaluation of integrals of the form". Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. 45 (2): 241–245. doi:10.1017/S0305004100024786. ISSN 1469-8064.
  10. ^ Jump up to: a b c Kalambet, Yuri; Kozmin, Yuri; Samokhin, Andrey (2018). "Comparison of integration rules in the case of very narrow chromatographic peaks". Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems. 179: 22–30. doi:10.1016/j.chemolab.2018.06.001. ISSN 0169-7439.
  11. ^ Jump up to: a b c (Weideman 2002)
  12. ^ "Euler-Maclaurin Summation Formula for Multiple Sums". math.stackexchange.com.
  13. ^ Thompson, Nick. "Numerical Integration over Brillouin Zones". bandgap.io. Retrieved 19 December 2017.
  14. ^ Jump up to: a b (Cruz-Uribe & Neugebauer 2002)

참조

외부 링크