求定积分的近似值的数值方法。即用被积函数的有限个抽样值的离散或加权平均近似值代替定积分的值。

简介

数值积分公式

代数精度

插值型求积公式

牛顿-科茨公式

高斯型公式

简介

numerical integration

求某函数的定积分时，在多数情况下，被积函数的原函数很难用初等函数表达出来，因此能够借助微积分学的牛顿-莱布尼兹公式计算定积分的机会是不多的。另外，许多实际问题中的被积函数往往是列表函数或其他形式的非连续函数，对这类函数的定积分，也不能用不定积分方法求解。由于以上原因，数值积分的理论与方法一直是计算数学研究的基本课题。对微积分学作出杰出贡献的数学大师，如I.牛顿、L.欧拉、C.F.高斯等人也在数值积分这个领域作出了各自的贡献，并奠定了它的理论基础。

构造数值积分公式最通常的方法是用积分区间上的n 次插值多项式代替被积函数，由此导出的求积公式称为插值型求积公式。特别在节点分布等距的情形称为牛顿-柯茨公式，例如梯形公式与抛物线公式就是最基本的近似公式。但它们的精度较差。龙贝格算法是在区间逐次分半过程中，对梯形公式的近似值进行加权平均获得准确程度较高的积分近似值的一种方法，它具有公式简练、计算结果准确、使用方便、稳定性好等优点，因此在等距情形宜采用龙贝格求积公式。当用不等距节点进行计算时，常用高斯型求积公式计算，它在节点数目相同情况下，准确程度较高，稳定性好，而且还可以计算无穷积分。数值积分还是微分方程数值解法的重要依据。许多重要公式都可以用数值积分方程导出。

数值积分公式

一般是形如的近似公式，又称求积公式，xj和Aj(i=0,1,…，m)分别称为求积结点和求积系数，通常xj∈【α,b】；式（2）右端称为求积和；两端之差

称为求积余项或求积误差；区间【α，b】可以是有限的或无限的。　构造求积公式的问题就是确定xj和Aj使得E()在某种意义下尽可能地小。

代数精度

若式（2）对(x)=xk(k=0,1，…，d)精确成立，亦即E(?)=0，而当?(x)=x时（2）不再是精确等式，则说求积公式（2）的代数精度是d。根据K.外尔斯特拉斯的多项式逼近定理，就一般的连续函数?而言，d越大E(?)越小，因此可以用代数精度的高低说明求积公式的优劣。

插值型求积公式

通过插值途径构成的求积公式。用(x)的以x0,x1，…，xm为结点的插值多项式近似替代(x)后，经过积分可以得到形如（2）的插值型求积公式，其中求积系数特别，若所有的xj都属于【α,b】，则称它为内插型求积公式。这是一类最基本的求积公式。由于m+1个结点的插值型求积公式的代数精度至少是m，所以具有一定代数精度的求积公式总是存在的。

牛顿-科茨公式

等距结点情形下的权函数为1的内插型求积公式。设[α，b]为有限区间，ω(x)呏1。，Aj由式（3）确定，则求积公式称为[α,b]上的m+1点牛顿-科茨公式，它的代数精度至少是m。当m=1时，式（4）变成

此式右端等于以(α)和(b)为底，以b-α为高的梯形的面积值，故通称为梯形公式，它的代数精度是1。若″（x)在【α，b】上连续，则通过积分插值余项，可知它的求积误差为当m=2时，式（4）变成

这是辛普森公式，由于求积结点选得恰当，它的代数精度是3。当（4）(x)在[α，b]上连续时，它的求积误差为当m≥10，牛顿-科茨公式中的求积系数总有一些是负的。这样的公式在计算上会带来较大的误差，一般不被采用。

由上述两个求积公式的误差表达式看出，积分区间越小，求积误差就越小。因此为了提高求积精度，可使用复化求积公式。若用将【α,b】n等分，然后对每个子区间【xj,xj+1】应用梯形公式，并对i=0,1，…， n-1求和，即得复化梯形公式若用分 将【α,b】2n等分，然后对子区间【x2j,x2j+2】应用辛普森公式，并对i=0,1，…，n-1求和，即得复化辛普森公式　逐次分半算法和龙贝格公式 递推关系和逐次分半算法是数值方法的重要技巧，可用以节省计算时间和计算机的存储量。龙贝格求积方法正是利用逐次分半算法和递推关系构成的一种在现代计算机上十分有效的数值积分法。

下面以梯形公式为例说明逐次分半算法。在整个区间【α,b】上应用梯形公式算出积分近似值T1；将【α,b】二等分，应用n=2的复化梯形公式算出T2；再将每个小区间二等分（即将[α,b]四等分），应用n=4的复化梯形公式算出T4，如此进行，可得T1,T2,T4，…。在计算T2n时可利用已算出的Tn值：

式中

为复化中矩形公式，这样，只需要计算(x)的n个新值即可从Tn得到T2n。显然，逐次分半算法充分地利用了前次的计算结果。

比较复化公式S2n、T2n和Tn发现， 适当地组合T2n与Tn可得到代数精度为3的辛普森公式，即有

同样，适当组合S4n与S2n可得到代数精度为5的求积公式如此可以引出一系列新公式（递推关系）：

此处，呏Tn。上式的代数精度是2k+1。通常称上式为逐次分半加速公式或龙贝格公式。实际计算可按表1所示进行：当对角线上相邻两个近似之差的绝对值小于允许误差时，计算即可停止并为积分近似值。

高斯型公式

一类具有最高的代数精度的内插型求积公式（表2）。求积公式（2）含有2(m+1）个自由参数（xj和Aj），恰当选择这些参数，能使公式（2）的代数精度达到2m+1。高斯求积理论中的一个基本定理断言：只要把结点x0,x1，…，xm取为区间[α,b]上关于权函数ω(x)的m+1次正交多项式的零点，内插型求积公式（2）即达到最高代数精度2m+1。这里[α,b] 可以是有限或无限区间，ω(x)为取正值的权函数。许多有关数值积分的论著都列举出各种高斯型公式的结点和系数的数值。可以证明：对每个连续函数，当结点个数趋于无穷时，高斯型公式所给出的近似值序列收敛到相应积分的精确值，而牛顿－科茨公式则不具有这种性质。

高维数值积分的主要方法有蒙特卡罗法、代数方法和数论方法。