Newton–Cotes 固定等距节点,Gauss 求积则把节点位置也作为未知量。目标是:只计算 nn 个函数值,尽可能精确地积分高次多项式。

沿用 lecture note 第 5.8–5.9 节记号,在 [−1,1][-1,1] 上用 x1,…,xnx_1,\ldots,x_n 和权重 w1,…,wnw_1,\ldots,w_n,定义

Qn(f)=∑i=1nwif(xi),En(f)=∫−11f(x) dx−Qn(f).Q_n(f)=\sum_{i=1}^n w_if(x_i),\qquad E_n(f)=\int_{-1}^1f(x)\,dx-Q_n(f).

这里 nn 是节点数,不是前面 Newton–Cotes 的插值次数。Legendre 多项式沿用讲义的大写 PnP_n,与一般插值多项式的小写 pnp_n 区分[1][1] S. Rojas, “Lecture Notes on Computational Mathematics,” 2025. Course lecture note distributed with MTH2051; local source course-lecture-notes.pdf., [2][2] M. U. School of Mathematics, “MTH2051: Introduction to Computational Mathematics: Course Lecture Notes and Study Workbooks,” 2026. Monash University course materials and study workbooks, Semester 2, 2026., [3][3] R. L. Burden and J. D. Faires, Numerical Analysis, 9th ed. Brooks/Cole, Cengage Learning, 2011.。

代数精度的上限

定理仅用函数值的 n 点公式的上限

任意具有 nn 个互异实节点的函数值求积公式,都不可能对所有 2n2n 次多项式精确。

证明

令 ω(x)=∏i=1n(x−xi)\omega(x)=\prod_{i=1}^n(x-x_i)。多项式 ω2\omega^2 的次数为 2n2n,在每个节点为零,所以求积值为零。但它非负且不恒为零,积分严格为正。因此公式必在这个多项式上失败,与权重是否为正无关。

正交性怎样选出节点

使用内积

⟨p,q⟩=∫−11p(x)q(x) dx.\langle p,q\rangle=\int_{-1}^1p(x)q(x)\,dx.
定理Gauss 精确性的充要条件

取互异节点,并令 wi=∫−11ℓi(x) dxw_i=\int_{-1}^1\ell_i(x)\,dx。公式对所有次数至多 2n−12n-1 的多项式精确,当且仅当 ω\omega 与所有次数至多 n−1n-1 的多项式正交。

证明

若公式精确,则对任意 deg⁡q≤n−1\deg q\leq n-1,ωq\omega q 在所有节点为零且次数至多 2n−12n-1,故其积分为零。

反之,对 deg⁡p≤2n−1\deg p\leq2n-1 做多项式除法,写成 p=ωq+rp=\omega q+r,其中 deg⁡q≤n−1\deg q\leq n-1、deg⁡r≤n−1\deg r\leq n-1。正交性使 ωq\omega q 的积分为零,节点零值使它的求积值也为零;插值型权重对 rr 精确。因此对 pp 精确。

Legendre 多项式:存在性、根与递推

定义Legendre 多项式

PnP_n 是次数为 nn、与全部低次多项式正交并满足 Pn(1)=1P_n(1)=1 的多项式。

定理Rodrigues 构造与基本性质

这个多项式唯一,且

Pn(x)=12nn!dndxn(x2−1)n.P_n(x)=\frac{1}{2^n n!}\frac{d^n}{dx^n}(x^2-1)^n.

它有 nn 个互异的根,全部位于 (−1,1)(-1,1)。其首项系数与平方范数为

σn=(2n)!2n(n!)2,∫−11Pn(x)2 dx=22n+1.\sigma_n=\frac{(2n)!}{2^n(n!)^2},\qquad \int_{-1}^1P_n(x)^2\,dx=\frac2{2n+1}.
证明

Rodrigues 式显然次数为 nn,首项系数为所列 σn\sigma_n。对低次 qq 分部积分 nn 次:(x2−1)n(x^2-1)^n 在两端的前 n−1n-1 阶导数为零,边界项全消失,剩下 q(n)=0q^{(n)}=0,所以正交。在 x=1x=1,对 (x−1)n(x+1)n(x-1)^n(x+1)^n 求 nn 阶导数,唯一非零项为 n!2nn!2^n,归一化后为一。

证明根的性质:列出 (−1,1)(-1,1) 内全部变号根,令 qq 为这些根对应的一次因子的乘积。PnqP_nq 在区间内不再变号,且不恒为零,所以积分不为零。若变号根少于 nn,deg⁡q<n\deg q<n,这与正交性矛盾。因此恰有 nn 个内根,且次数限制使它们全部为单根。两个首一正交多项式的差次数小于 nn,又与自身正交,故差为零。再归一化得到唯一的 PnP_n。

平方范数同样由 Rodrigues 式分部积分 nn 次得到

∫−11Pn2=σn2nJn,Jn=∫−11(1−x2)n dx.\int_{-1}^1P_n^2=\frac{\sigma_n}{2^n}J_n, \qquad J_n=\int_{-1}^1(1-x^2)^n\,dx.

积分 [x(1−x2)n]′[x(1-x^2)^n]',边界项为零,得到 (2n+1)Jn=2nJn−1(2n+1)J_n=2nJ_{n-1}。从 J0=2J_0=2 出发,

Jn=22n+1(n!)2(2n+1)!.J_n=\frac{2^{2n+1}(n!)^2}{(2n+1)!}.

代入首项系数便得范数公式。

命题三项递推

从 P0=1P_0=1、P1=xP_1=x 出发,有

(n+1)Pn+1=(2n+1)xPn−nPn−1,n≥1.(n+1)P_{n+1}=(2n+1)xP_n-nP_{n-1},\qquad n\geq1.
证明

将 xPnxP_n 在正交基中展开。对 k≤n−2k\leq n-2,⟨xPn,Pk⟩=⟨Pn,xPk⟩=0\langle xP_n,P_k\rangle=\langle P_n,xP_k\rangle=0。Rodrigues 式给出 PnP_n 的奇偶性,故 ⟨xPn,Pn⟩=0\langle xP_n,P_n\rangle=0。只剩 Pn+1P_{n+1} 与 Pn−1P_{n-1}。比较首项系数,前者系数为 (n+1)/(2n+1)(n+1)/(2n+1);在 x=1x=1 代入,后者为 n/(2n+1)n/(2n+1)。移项得到递推。

前几个多项式为

P0=1,P1=x,P2=3x2−12,P3=5x3−3x2.P_0=1,\quad P_1=x,\quad P_2=\frac{3x^2-1}{2},\quad P_3=\frac{5x^3-3x}{2}.

以 PnP_n 的根为节点,充要条件定理与精度上限定理共同证明:Gauss–Legendre 的代数精度恰为 2n−12n-1。

二次和三次 Legendre 多项式及其根

二次和三次 Legendre 多项式及其根

权重:唯一、正且可计算

节点确定后,积分 Lagrange 基给出唯一权重。唯一性来自插值:若两组权重都对次数至多 n−1n-1 的多项式精确,将它们分别作用于 ℓi\ell_i 就得到同一个第 ii 项权重。

权重为正也有简短证明。ℓi2\ell_i^2 的次数至多 2n−22n-2,Gauss 精确性给出

wi=Qn(ℓi2)=∫−11ℓi(x)2 dx>0.w_i=Q_n(\ell_i^2)=\int_{-1}^1\ell_i(x)^2\,dx>0.

对常数精确还给出 ∑iwi=2\sum_iw_i=2。反射对称性和权重唯一性保证对称节点的权重相同。

nn节点与对应权重代数精度
1节点 00,权重 221
2节点 ±1/3\pm1/\sqrt3,权重各 113
3节点 00 权重 8/98/9;节点 ±3/5\pm\sqrt{3/5} 权重各 5/95/95

这些权重可由常数和二次矩条件求出。例如三点公式设外侧权重为 uu、中心为 vv,有 2u+v=22u+v=2 与 2u(3/5)=2/32u(3/5)=2/3,解得表中结果。

四点公式由递推得到 P4(x)=(35x4−30x2+3)/8P_4(x)=(35x^4-30x^2+3)/8。

对应节点与权重分成内外两组:

xinner=±15−23035,winner=18+3036,x_{\mathrm{inner}}=\pm\sqrt{\frac{15-2\sqrt{30}}{35}},\qquad w_{\mathrm{inner}}=\frac{18+\sqrt{30}}{36}, xouter=±15+23035,wouter=18−3036.x_{\mathrm{outer}}=\pm\sqrt{\frac{15+2\sqrt{30}}{35}},\qquad w_{\mathrm{outer}}=\frac{18-\sqrt{30}}{36}.

节点由二次方程求得,权重可代入下文的一般权重公式验证。这也明确了较大权重应与内侧节点配对。

误差公式:Hermite 用于证明

定理Gauss–Legendre 误差

若 f∈C2n[−1,1]f\in C^{2n}[-1,1],存在 ξ∈[−1,1]\xi\in[-1,1],使

En(f)=f(2n)(ξ)(2n)!22n+1(n!)4(2n+1)[(2n)!]2.E_n(f)=\frac{f^{(2n)}(\xi)}{(2n)!} \frac{2^{2n+1}(n!)^4}{(2n+1)[(2n)!]^2}.
证明

构造在每个节点匹配值和导数的 Hermite 多项式 H2n−1H_{2n-1}。这个构造唯一存在:齐次条件使多项式被 ω2\omega^2 整除,而其次数至多 2n−12n-1,所以只能为零;一个维数均为 2n2n 的线性映射因此可逆。

Gauss 对 H2n−1H_{2n-1} 精确,且它在节点与 ff 相同,所以 Qn(f)=∫H2n−1Q_n(f)=\int H_{2n-1}。对不在节点上的任意 xx,考虑

Φ(t)=f(t)−H2n−1(t)−Cω(t)2,C=f(x)−H2n−1(x)ω(x)2.\Phi(t)=f(t)-H_{2n-1}(t)-C\omega(t)^2, \qquad C=\frac{f(x)-H_{2n-1}(x)}{\omega(x)^2}.

每个节点是双零点,再加上 xx 共 2n+12n+1 个零点。反复 Rolle 定理给出 C=f(2n)(ξx)/(2n)!C=f^{(2n)}(\xi_x)/(2n)!。节点处误差为零。

将连续的 f(2n)f^{(2n)} 夹在其最小值与最大值之间,乘上非负的 ω2\omega^2 并积分。除以 ∫ω2>0\int\omega^2>0,由介值定理得到一个共同 ξ\xi。这无需假设 ξx\xi_x 连续。最后 ω=Pn/σn\omega=P_n/\sigma_n,所以

∫−11ω2=1σn222n+1=22n+1(n!)4(2n+1)[(2n)!]2.\int_{-1}^1\omega^2 =\frac{1}{\sigma_n^2}\frac2{2n+1} =\frac{2^{2n+1}(n!)^4}{(2n+1)[(2n)!]^2}.

代入即得公式。

二点公式的误差系数为 1/1351/135,三点为 1/157501/15750。这里的导数阶数随 nn 增大,不能不检查光滑性就断言提高 nn 一定按某固定幂次改善。

区间变换与交互实验

将 [−1,1][-1,1] 映射到任意 [a,b][a,b]:

x=c+dξ,c=a+b2,d=b−a2>0.x=c+d\xi,\qquad c=\frac{a+b}{2},\qquad d=\frac{b-a}{2}>0.

换元公式给出

∫abf(x) dx=d∫−11f(c+dξ) dξ≈d∑iwif(c+dxi).\int_a^b f(x)\,dx =d\int_{-1}^1f(c+d\xi)\,d\xi \approx d\sum_iw_if(c+dx_i).

讲义用 ξ\xi 表示标准区间变量;c,dc,d 是这里明确引入的辅助常数。记映射后的节点为 x~i=c+dxi\widetilde x_i=c+dx_i,权重为 w~i=dwi\widetilde w_i=dw_i,与标准区间上的 xi,wix_i,w_i 区分。误差常数另乘 d2n+1d^{2n+1}:2n2n 次导数贡献 d2nd^{2n},积分换元贡献 dd。

这个交互图需要启用 JavaScript。

实验列出的节点与权重已经映射到 [0,1][0,1]。先观察二、三点公式,再增加节点数。不同 nn 的节点通常不嵌套,不能像 Romberg 那样直接复用全部旧节点。对平方根与窄峰例子,应同时检查真实误差,不能只看节点数。

复合 Gauss 求积

讲义第 5.9 节还把 nn 点 Gauss 公式逐块应用。这里保持 nn 为每块节点数,另用 NN 表示块数,令 h=(b−a)/Nh=(b-a)/N、yj=a+jhy_j=a+jh。以 Qn(f;[yj,yj+1])Q_n(f;[y_j,y_{j+1}]) 表示映射到该块的公式,定义

Qn,N(f)=∑j=0N−1Qn(f;[yj,yj+1]).Q_{n,N}(f)=\sum_{j=0}^{N-1}Q_n(f;[y_j,y_{j+1}]).
命题复合 Gauss 的全局阶数

若 f∈C2n[a,b]f\in C^{2n}[a,b],并且 ∣f(2n)∣≤B2n|f^{(2n)}|\leq B_{2n},则

∣I−Qn,N(f)∣≤(n!)4(2n+1)[(2n)!]3(b−a)B2nh2n.|I-Q_{n,N}(f)|\leq \frac{(n!)^4}{(2n+1)[(2n)!]^3}(b-a)B_{2n}h^{2n}.
证明

标准区间误差先乘每块的缩放因子 (h/2)2n+1(h/2)^{2n+1},于是局部界为 B2nh2n+1(n!)4/((2n+1)[(2n)!]3)B_{2n}h^{2n+1}(n!)^4/((2n+1)[(2n)!]^3)。对 N=(b−a)/hN=(b-a)/h 块求和即得结论。因此 n=1n=1 是二阶复合中点公式,n=2n=2 给出四阶全局精度。

注标准区间与任意区间的误差常数

讲义第 5.9 节列出的 CnC_n 与其任意区间表达式不一致。上面的证明明确区分标准区间系数与 (h/2)2n+1(h/2)^{2n+1} 缩放;取 n=1n=1 得到中点误差 h3f′′(ξ)/24h^3f''(\xi)/24,可作为独立核验。

实验中一般权重公式的依据

数值实现用 Newton 法求 PnP_n 的根,并用

wi=2(1−xi2)[Pn′(xi)]2.w_i=\frac{2}{(1-x_i^2)[P_n'(x_i)]^2}.

下面说明这个公式与积分 Lagrange 基一致。

证明

三项递推相乘相减并逐项相加,内部项抵消,得到 Christoffel–Darboux 恒等式

∑k=0n−12k+12Pk(x)Pk(y)=n2Pn(x)Pn−1(y)−Pn−1(x)Pn(y)x−y.\sum_{k=0}^{n-1}\frac{2k+1}{2}P_k(x)P_k(y) =\frac n2\frac{P_n(x)P_{n-1}(y)-P_{n-1}(x)P_n(y)}{x-y}.

其推导只需将第 kk 项递推分别乘 Pk(y)P_k(y)、Pk(x)P_k(x) 后相减:右侧相邻项的系数分别为 k+1k+1、kk,求和即望远镜消去。令 y=xiy=x_i,右侧是 nPn−1(xi)Pn(x)/(2(x−xi))nP_{n-1}(x_i)P_n(x)/(2(x-x_i))。再除以 x→xix\to x_i 的极限 nPn−1(xi)Pn′(xi)/2nP_{n-1}(x_i)P_n'(x_i)/2,得到 ℓi(x)\ell_i(x)。左侧关于 xx 的积分为一,因为除 k=0k=0 外都与常数正交。因此

wi=2nPn−1(xi)Pn′(xi).w_i=\frac{2}{nP_{n-1}(x_i)P_n'(x_i)}.

最后证明导数恒等式。多项式 G=(1−x2)Pn′+nxPnG=(1-x^2)P_n'+nxP_n 的最高次项消去,次数至多 n−1n-1。对任意 deg⁡q≤n−2\deg q\leq n-2 分部积分,边界项为零,得到

∫−11Gq=∫−11Pn[(n+2)xq−(1−x2)q′]=0.\int_{-1}^1Gq =\int_{-1}^1P_n\bigl[(n+2)xq-(1-x^2)q'\bigr]=0.

因此 GG 是 Pn−1P_{n-1} 的倍数。在 x=1x=1 代入得倍数为 nn,于是 G=nPn−1G=nP_{n-1};n=1n=1 也可直接验证。在根处得到 (1−xi2)Pn′(xi)=nPn−1(xi)(1-x_i^2)P_n'(x_i)=nP_{n-1}(x_i),代入权重式即可。

这也说明分母不会为零:所有根都在开区间内,且都是单根。实际求根仍需限制迭代次数,检查收敛,并通过多项式矩验证节点和权重。

参考文献

  1. [1] S. Rojas, “Lecture Notes on Computational Mathematics,” 2025. Course lecture note distributed with MTH2051; local source course-lecture-notes.pdf. ↩
  2. [2] M. U. School of Mathematics, “MTH2051: Introduction to Computational Mathematics: Course Lecture Notes and Study Workbooks,” 2026. Monash University course materials and study workbooks, Semester 2, 2026. ↩
  3. [3] R. L. Burden and J. D. Faires, Numerical Analysis, 9th ed. Brooks/Cole, Cengage Learning, 2011. ↩