ニュートン・コーツの公式
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数値解析におけるニュートン・コーツの公式(-のこうしき、Newton-Cotes formulas; Newton-Cotes rules)とは、区分求積法に関する公式の総称である。名前は、アイザック・ニュートンとロジャー・コーツにちなんだものである。
関数 f の値が等間隔の点 xi(i = 0, ..., n) に関して既知であると仮定する(そうでない場合に関しては、別の公式、ガウス求積が用いられる)。ニュートン・コーツの公式は、2 つ存在する。全ての点を使いうる「閉じた」場合と、端点を用いない「開いた」場合である。n 次の閉じたニュートン・コーツの公式は、次のようになる。
ただし、xi = h i + x0 で、h (ステップ長)は (xn - x0)/n に等しい。wi は重みと呼ばれる。
以下の導出からもわかるように、重みはラグランジュ補間から導かれる。これは、ニュートン・コーツの公式のとる値が、関数 f 全体ではなく xi のみで決まることを意味する。L(x) は与えられたデータ点 (x0, f(x0) ),..,(xn, f(xn) ) に関するラグランジュ補間による補間多項式である。
n 次の開いたニュートン・コーツの公式は、次のようになる。
重みは、閉じた場合のそれと同様である。
ニュートン・コーツの公式は、いかなる次数に関しても構成することができる。低次の公式には、既に有名なものもある。下表は、閉じたニュートン・コーツの公式の一覧である。ここで、fi という表記は、f(x0) を略記したものとする。
次数 | 名前 | 式 | 誤差項 |
1 | 台形公式 | ||
2 | シンプソンの公式 | ||
3 | 3/8 公式 | ||
4 | ブールの公式 |
誤差項において、ステップ長 h の次数は、近似による誤差の程度を表している。また、f の導関数は、厳密に積分できる(即ち、誤差が 0 になる)多項式を表している。なお、f の導関数の階数は、他の公式に対して 2 ずつ増加する。ξ は a と b の数である。
下表は、開いたニュートン・コーツの公式の一覧である。
次数 | 名前 | 式 | 誤差項 |
0 | 矩形公式 | 2hf1 | |
1 | |||
2 | |||
3 |
ニュートン・コーツの公式の精密性を意識した場合、ステップ長 h は小さくある必要がある。つまり、積分区間 [a, b] 自身が小さくある必要があるが、これはどのような場合でも成り立つとは限らない。従って、通常は、[a, b] を小さな部分区間に分割し、各部分区間にニュートン・コーツの公式を適用し、その結果を足し合わせるという数値積分の方法が取られる。これは、合成積分公式と呼ばれる。
[編集] 参考文献
- M. Abramowitz and I. A. Stegun, eds. Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables. New York: Dover, 1972. (See Section 25.4.)
- George E. Forsythe, Michael A. Malcolm, and Cleve B. Moler. Computer Methods for Mathematical Computations. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1977. (See Section 5.1.)
- William H. Press, Brian P. Flannery, Saul A. Teukolsky, William T. Vetterling. Numerical Recipes in C. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1988. (See Section 4.1.)
- Josef Stoer and Roland Bulirsch. Introduction to Numerical Analysis. New York: Springer-Verlag, 1980. (See Section 3.1.)