Введем несколько определений.
Определение. Квадратурной формулой называется всякая простая формула, аппроксимирующая отдельный интеграл :
, .
Таким образом, любая формула для нахождения – это квадратурная формула.
Определение. Составная квадратурная формула – это формула, дающая приближение к интегралу
в виде суммы приближений по данной квадратурной формуле к отдельным интегралам :
, .
Часто вместо «составная квадратурная» формула говорят просто: «формула».
Рассмотрим две простейшие квадратурные формулы: трапеций и прямоугольников.
Квадратурная формула трапеций
Квадратурная формула трапеций аппроксимирует интеграл: .
Заменяем площадь «маленькой» криволинейной трапеции площадью обычной трапеции (рис. 6.2).
Квадратурная формула трапеций:
Рис. 6.2. Квадратурная формула трапеций
, .
, где – погрешность квадратурной формулы.
Пояснение. Если для , то , где с – константа.
Составная квадратурная формула трапеций
Будем считать, что сетка задана с постоянным шагом .
Запишем интеграл в виде:
, где , .
Здесь – составная квадратурная формула трапеций:
, ;
– остаточный член или погрешность формулы трапеций:
, где с – некоторая точка из ;
.
Квадратурные формулы прямоугольников
Квадратурная формула прямоугольников – .
Формула левых прямоугольников: , (рис. 6.3,а).
Формула правых прямоугольников: (рис. 6.3,б).
Рис. 6.3. Квадратурная формула левых (а) и правых (б) прямоугольников
Формула средних прямоугольников (рис. 6.4):
, .
,
где – погрешность квадратурной формулы прямоугольников; .
Рис. 6.4. Квадратурная формула средних прямоугольников
Составная квадратурная формула прямоугольников
Запишем интеграл I в виде суммы, где – составная квадратурная формула прямоугольников, – остаточный член или погрешность формулы прямоугольников
, .
Считая шаг сетки постоянным , получаем составную квадратурную формулу прямоугольников:
.
Запишем формулу для погрешности , где с – некоторая точка из .
.
Недостатком формулы прямоугольников является необходимость вычисления значения в средних точках.