如果知道误差怎样随步长变化,就能把两个近似组合起来,消去首个误差项。Richardson 外推做这件事;Romberg 把同一操作反复应用于复合梯形公式。

本章以 lecture note 第 4.5–4.6、5.10–5.11 节为主要依据。微分时目标值可以是 f′(x)f'(x),积分时目标值是 II。课程的 Romberg 记号为 Rk,jR_{k,j}:kk 是网格减半次数,jj 是外推次数,两个索引从零开始[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.。

Richardson:消去已知幂次

定理一般外推公式

假设 p>0p>0、q>pq>p,并且

Q(h)=L+chp+O(hq),Q(h)=L+ch^p+O(h^q),

其中 cc 不随 hh 改变。定义

R(h)=2pQ(h/2)−Q(h)2p−1.R(h)=\frac{2^pQ(h/2)-Q(h)}{2^p-1}.

则 R(h)=L+O(hq)R(h)=L+O(h^q)。

证明

在 h/2h/2 处,同一个首项变为 chp/2pch^p/2^p。乘以 2p2^p 后与粗步长首项相同,相减即可消去。目标值剩下 2p−12^p-1 份,除以这个非零数恢复一份;两个余项的线性组合仍为 O(hq)O(h^q)。

这不是“自动提升两阶”的定理。单侧差分一般含相邻幂次,q=p+1q=p+1;中心差分与光滑函数的梯形求积具有偶次幂结构,才能使用 q=p+2q=p+2。

例如 f∈C5f\in C^5 时,对称 Taylor 展开给出

Dcen(x;h)=f′(x)+h26f′′′(x)+O(h4).D_{\mathrm{cen}}(x;h)=f'(x)+\frac{h^2}{6}f'''(x)+O(h^4).

于是

4Dcen(x;h/2)−Dcen(x;h)3=f′(x)+O(h4).\frac{4D_{\mathrm{cen}}(x;h/2)-D_{\mathrm{cen}}(x;h)}3=f'(x)+O(h^4).

单侧前向差分在 f∈C3f\in C^3 时为 f′(x)+hf′′(x)/2+O(h2)f'(x)+hf''(x)/2+O(h^2),所以 2Dfwd(x;h/2)−Dfwd(x;h)2D_{\mathrm{fwd}}(x;h/2)-D_{\mathrm{fwd}}(x;h) 只保证二阶。两个展开都直接来自 Taylor 定理:对称相减消去偶次项,单侧不发生该消去。

改写外推公式,可看见精细近似的修正量:

R(h)=Q(h/2)+Q(h/2)−Q(h)2p−1.R(h)=Q(h/2)+\frac{Q(h/2)-Q(h)}{2^p-1}.

后一个量估计的是 L−Q(h/2)L-Q(h/2)。它仍依赖展开假设;两个计算值相近不构成普遍误差保证。

微分的递归外推

讲义第 4.6 节将微分外推记为 Rk(h)R_k(h),与积分表中的双索引 Rk,jR_{k,j} 区分。令 R0(h)=D(h)R_0(h)=D(h),并定义

Rk(h)=2p+2(k−1)Rk−1(h/2)−Rk−1(h)2p+2(k−1)−1.R_k(h)=\frac{2^{p+2(k-1)}R_{k-1}(h/2)-R_{k-1}(h)}{2^{p+2(k-1)}-1}.
命题有限偶次展开下的递归精度

设固定整数 K≥1K\geq1、p>0p>0,且

D(h)=f′(x)+∑r=0K−1crhp+2r+O(hp+2K).D(h)=f'(x)+\sum_{r=0}^{K-1}c_rh^{p+2r}+O(h^{p+2K}).

系数均不随 hh 改变,则对 0≤k≤K0\leq k\leq K,Rk(h)=f′(x)+O(hp+2k)R_k(h)=f'(x)+O(h^{p+2k})。

证明

第 kk 步中,hp+2rh^{p+2r} 项乘上因子 (2p+2(k−1)−2p+2r)/(2p+2r(2p+2(k−1)−1))(2^{p+2(k-1)}-2^{p+2r})/(2^{p+2r}(2^{p+2(k-1)}-1))。当 r=k−1r=k-1 时该因子为零,已经消去的项仍为零。逐步归纳便消去前 kk 项;固定次数的线性组合保持最后余项的阶数。

中心一阶差分取 p=2p=2,每次递归提升两阶。这个结论要求足够阶数的有限偶次展开,不用于任意含噪数据。

梯形公式的偶次幂展开为何成立

不能把一个形式上的无限级数当作普遍定理。下面只证明有限项展开,足够支持任意固定列的 Romberg 分析。

定理有限阶 Euler–Maclaurin 展开

取整数 m≥1m\geq1,若 f∈C2m+2[a,b]f\in C^{2m+2}[a,b],在均匀网格 h=(b−a)/nh=(b-a)/n 上,复合梯形值满足

T(h)=I+∑r=1mB2r(2r)![f(2r−1)(b)−f(2r−1)(a)]h2r+O(h2m+2).T(h)=I+\sum_{r=1}^{m} \frac{B_{2r}}{(2r)!} \bigl[f^{(2r-1)}(b)-f^{(2r-1)}(a)\bigr]h^{2r} +O(h^{2m+2}).

这里 B2rB_{2r} 是 Bernoulli 数;特别地 B2=1/6B_2=1/6、B4=−1/30B_4=-1/30。

证明

定义 Bernoulli 多项式 B0(t)=1B_0(t)=1,对 r≥1r\geq1 要求

Br′(t)=rBr−1(t),∫01Br(t) dt=0.B_r'(t)=rB_{r-1}(t),\qquad \int_0^1 B_r(t)\,dt=0.

积分与归一化唯一确定它们。前几个是

B1(t)=t−12,B2(t)=t2−t+16,B_1(t)=t-\frac12,\quad B_2(t)=t^2-t+\frac16,B3(t)=t3−32t2+12t,B4(t)=t4−2t3+t2−130.B_3(t)=t^3-\frac32t^2+\frac12t,\quad B_4(t)=t^4-2t^3+t^2-\frac1{30}.

递推和零均值给出 Br(1)=Br(0)B_r(1)=B_r(0)(r≥2r\geq2)。唯一性还给出反射关系 Br(1−t)=(−1)rBr(t)B_r(1-t)=(-1)^rB_r(t):对反射多项式求导并检查零均值,即可归纳验证。因此奇数 r≥3r\geq3 的端点值为零。记 Br=Br(0)B_r=B_r(0)。

将每个多项式按网格周期延拓,记为 B~r(x)=Br({(x−a)/h})\widetilde B_r(x)=B_r(\{(x-a)/h\})。在每个小区间分部积分,再求和,有

T(h)−I=h∫abB~1(x)f′(x) dx.T(h)-I=h\int_a^b\widetilde B_1(x)f'(x)\,dx.

这一式也可直接验证:每块的边界贡献为两端函数值平均,积分项为块积分除以 hh。继续利用周期多项式的导数关系逐块分部积分。r≥2r\geq2 时内部边界值相同,全部抵消;奇数阶的外部边界项为零。做到 2m2m 阶得到

T(h)−I=∑r=1mB2rh2r(2r)![f(2r−1)(b)−f(2r−1)(a)]−h2m(2m)!∫abB~2m(x)f(2m)(x) dx.T(h)-I= \sum_{r=1}^{m}\frac{B_{2r}h^{2r}}{(2r)!} \bigl[f^{(2r-1)}(b)-f^{(2r-1)}(a)\bigr] -\frac{h^{2m}}{(2m)!} \int_a^b\widetilde B_{2m}(x)f^{(2m)}(x)\,dx.

再分部积分两次,最后的余项成为一个 h2m+2h^{2m+2} 边界项与一个 h2m+2h^{2m+2} 积分项的和。周期多项式有界,所需导数在紧区间上连续有界,故总余项为 O(h2m+2)O(h^{2m+2})。这证明有限展开,无须假设无限级数收敛。

特别地,在 f∈C6f\in C^6 时,

T(h)=I+h212[f′(b)−f′(a)]−h4720[f′′′(b)−f′′′(a)]+O(h6).T(h)=I+\frac{h^2}{12}[f'(b)-f'(a)] -\frac{h^4}{720}[f'''(b)-f'''(a)]+O(h^6).

端点导数匹配可能让某些系数为零;导数奇异则可能让整个展开不适用。

网格减半与偶次误差消去的关系

网格减半与偶次误差消去的关系

Romberg 表:行负责采样,列负责外推

讲义允许任意初始均匀网格,记其步长为 hh。这里选择初始只有一个小区间,即 h=b−ah=b-a;因此定义

hk=b−a2k,Rk,0=T(hk),h_k=\frac{b-a}{2^k},\qquad R_{k,0}=T(h_k), Rk,j=Rk,j−1+Rk,j−1−Rk−1,j−14j−1,1≤j≤k.R_{k,j}=R_{k,j-1} +\frac{R_{k,j-1}-R_{k-1,j-1}}{4^j-1}, \qquad 1\leq j\leq k.
定理固定列的精度

对固定 j≥0j\geq0,若 f∈C2j+2[a,b]f\in C^{2j+2}[a,b],则当 k→∞k\to\infty 时

Rk,j=I+O(hk2j+2).R_{k,j}=I+O(h_k^{2j+2}).
证明

j=0j=0 由复合梯形误差定理成立。对 j≥1j\geq1,取上面有限展开的 m=jm=j。第一列有偶次项 h2,…,h2jh^2,\ldots,h^{2j},余项 O(h2j+2)O(h^{2j+2})。同一列上一行的步长为当前行的两倍,所以一个 h2rh^{2r} 项乘上 4r4^r。第 ss 次外推中的因子

4s−4r4s−1\frac{4^s-4^r}{4^s-1}

在 r=sr=s 时为零。连续进行 s=1,…,js=1,\ldots,j,逐项消去前 jj 个偶次项;固定次数的线性组合保持余项阶数。这给出所求结论。这里固定的是列,不能在不控制常数与光滑性的情况下把同一界无限延伸到越来越深的对角线。

第一外推列正是细网格 Simpson 公式,由权重恒等式可知,不只是两种方法精度恰好相同。

复用已有采样

网格减半时,旧节点保留,只计算新中点。对 k≥1k\geq1,

Rk,0=12Rk−1,0+hk∑i=12k−1f(a+(2i−1)hk).R_{k,0}=\frac12R_{k-1,0} +h_k\sum_{i=1}^{2^{k-1}}f\bigl(a+(2i-1)h_k\bigr).

证明就是把细网格梯形和拆成旧节点与新节点两部分。完成第 kk 行后,总共需要 2k+12^k+1 个函数值,而列间外推不增加函数调用。

算法 1 Romberg 表

Require: 函数 ff,区间 [a,b][a,b],最大行号 KK

1:R0,0←(b−a)(f(a)+f(b))/2R_{0,0}\gets (b-a)(f(a)+f(b))/2

2:for k←1k\gets1 to KK do

3:h←(b−a)/2kh\gets(b-a)/2^k

4:Rk,0←Rk−1,0/2+h∑i=12k−1f(a+(2i−1)h)R_{k,0}\gets R_{k-1,0}/2+h\sum_{i=1}^{2^{k-1}}f(a+(2i-1)h)

5:for j←1j\gets1 to kk do

6:Rk,j←Rk,j−1+(Rk,j−1−Rk−1,j−1)/(4j−1)R_{k,j}\gets R_{k,j-1}+(R_{k,j-1}-R_{k-1,j-1})/(4^j-1)

7:end for

8:end for

9:return RR

交互实验与停止判断

这个交互图需要启用 JavaScript。

在指数例子中,查看第一列到对角线如何逼近 e−1e-1。切换平方根,观察列间改善与理论阶数并不相同。第 kk 行有 2k2^k 个小区间,不能把第 jj 列理解为增加了 jj 个节点。

常用停止检查是相邻对角值的差是否小于给定尺度,但这仍是实践中的判断。还应设置最大行数,检查非有限值,并留意浮点精度下的停滞。外推使用负系数,可能放大输入噪声;即使数学上的截断项继续减小,计算误差也可能不再改善。

例如 ∫01ex dx=e−1\int_0^1 e^x\,dx=e-1,前几行的对角值为 1.8591409141.859140914、1.7188611521.718861152、1.7182826881.718282688、1.7182818291.718281829。它们是可复现的算例,不是无需条件的收敛保证。函数局部变化集中时,可进一步考虑自适应 Simpson。

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. ↩