Numeerinen integrointi

Transkriptio

1 Numeerinen integrointi Analyyttisesti derivointi triviaalia, integrointi vaikeaa. Numeerisesti laskettaessa tilanne on päinvastainen. Integrointi on yhteenlaskua, joka on tasoittava operaatio: lähtötietojen satunnaiset virheet kumoavat toisensa. Derivointiin sen sijaan liittyy lähes yhtäsuurten suureiden vähennyslasku, joka on virheitä vahvistava operaatio. Vrt. kuvankäsittelyn terävöintioperaatio, joka lisää kohinaa. Jos käsitellään havaintodataa, se voi olla syytä tasoittaa sopivalla suotimella tai kuvata aineistoon sovitettavalla funktiolla. Ei useinkaan tarpeen integroitaessa, välttämätöntä derivoitaessa. Funktio f on integroituva välillä [x 1 = a,x n = b], jos Riemannin summalla n 1 R = f(ξ i )h i, missä i=1 h i = x i+1 x i, ξ i [x i,x i+1 ], on raja-arvo, kun jaon silmä h = max i {h i } 0. Muuttamalla jakovälejä ja pisteiden ξ i valintaa saadaan erilaisia integrointimenetelmiä.

2 Jaetaan integroimisväli yhtä leveisiin viipaleisiin. Olkoon kunkin leveys h. 1) Lasketaan integroitava kunkin välin alkupisteessä: xn f(x) dx = h(f( ) + f( + h) f( + (n 1)h)). Esimerkki: I = 1 0 x dx. Oikea lopputulos on tietenkin 1/3. Lasketaan nyt integraalin likiarvo jakamalla integroimisväli neljään osaan. I 4 = 1 4 ( ) = Koska integroitava funktio on koko välillä kasvava ja funktio lasketaan välin alkupäässä, saadaan liian pieni arvo. ) Lasketaan arvo välin keskikohdalla xn f(x) dx = h(f( + h/) + f( + 3h/) +...). I 4 = 1 4 ( ) =

3 Puolisuunnikasmenetelmä Korvataan integroitava interpolointipolynomilla xn f(x) dx = xn P k (x) dx. Kun k = 1, saadaan yhdelle osavälille x1 f(x) dx = = h x1 (f 0 + s f 0 ) dx s=1 s=0 (f 0 + s f 0 ) ds = h(f f 0) ds = h (f 0 + (f 1 f 0 )) = h (f 0 + f 1 ). Integraali koko välin yli on f(x) dx = h (f 0 + f 1 + f f n 1 + f n ) = h (f() + f( + h) + f( + h) f( + (n 1)h) + f( + nh)).

4 Virhearvio Interpolointipolynomin virhe on korkeintaan samaa luokkaa kuin ensimmäinen poisjätetty termi. f 0 = f 1 f 0 h df dx f 0 = f 1 f 0 h d f dx. n f 0 h n dn f dx n Newtonin-Gregoryn interpolointipolynomin kolmas termi on missä ξ x s. s(s 1) f 0 = s(s 1) h f (ξ), Integroidaan tämä yhden osavälin yli, jolloin saadaan lokaali virhe: x1 s(s 1) h f (ξ) dx = h f (ξ)h 1 0 = 1 1 h3 f (ξ). s s ds Välejä on 1/h kappaletta, joten globaali virhe on luokkaa h f (ξ). Esimerkkitapauksen integraali on I 4 = 1 8 ( ) = Funktion toinen derivaatta on identtisesti, joten virharvion mukaan globaali virhe on korkeintaan 1 1 h f (ξ) = =

5 Simpsonin menetelmä Käytetään mutkikkaampia käyriä, jotka kuvaavat alkuperäistä funktiota vielä paremmin kuin suorat. Luonnollinen parannus on toisen asteen käyrä. Lasketaan ensin integraali yhden osavälin yli. Aikaisemman interpolointikaavan mukaan on f(x) f 0 + s f 0 + s(s 1) f 0. x f(x) dx = h x 0 ( f 0 + s f 0 + ( f 0 + s f 0 + = h(f 0 + f f 0 ) ) s(s 1) f 0 dx ) s(s 1) f 0 ds = h 3 (6f f 0 + f 0 ) Sijoitetaan tähän f 0 = f 1 f 0 f 0 = f 1 f 0 = (f f 1 ) (f 1 f 0 ) = f 0 f 1 + f. Integraali kahden jakoväli yli on x f(x) dx h 3 (f 0 + 4f 1 + f )).

6 Integraali koko välin yli on xn f(x) dx h 3 (f() + 4f( + h) + f( + h) + 4f( + 3h) + f( + 4h) f( + (n 1)h) + f( + nh). Jakovälejä oltava parillinen määrä. Kuten edellä voidaan laskea, että globaali virhe on luokkaa h 4????. Esimerkkitapaus: I 4 = 1 1 ( ) = = 1 3.

7 program simpson implicit none integer i do i=4,10 write(*,*) i, simpsonint(0.0, 1.0, i) end do contains real function f(x)! integroitava funktio real, intent(in) :: x f=x**4 end function real function simpsonint(a, b, n)! integroidaan funktio f(x) valin [a, b] yli Simpsonin! menetelmalla kayttamalla n jakovalia (n oltava parillinen) real, intent(in) :: a, b integer, intent(in) :: n real :: h, &! askelpituus s, s4! osasummat integer i if (*(n/) /= n) then write(*,*) jakovalien maaran oltava parillinen:,n simpsonint=0.0 return end if h = (b-a)/n s=0.0 s4=0.0 do i=1,n-1, s4=s4+f(a+i*h) end do do i=,n-, s=s+f(a+i*h) end do simpsonint = (h/3)*(f(a)+f(b)+*s+4*s4) end function end program jakovalien maaran oltava parillinen: E jakovalien maaran oltava parillinen: E jakovalien maaran oltava parillinen: E

8 Rombergin menetelmä Lasketaan integraali jollakin yksinkertaisella menetelmällä kahdella eri askelpituudella. Näiden arvojen avulla ekstrapoloidaan uusi tarkempi arvo. Olkoon I on integraalin tarkka arvo. Voidaan osoittaa, että puolisuunnikasmenetelmän arvo askelpituuden funktiona R 0 (h) on R 0 (h) = I + C h + C 4 h , missä kertoimet C i eivät riipu askelesta h. R 0 (h/) = I + C h h C , Lasketaan näistä lineaarikombinaatio R 1 (h) = 1 3 (4R 0(h/) R 0 (h)) = I + C 4h , Alkuperäinen menetelmä on kertalukua h, mutta niistä muodostettu kombinaatio kertalukua h 4. Jos aineistona askelpituudella h taulukoituja arvoja, lasketaan integraalit askelilla h ja h. Menetelmää voidaan jatkaa edelleen korkeampiin kertalukuihin.

9 Newtonin Cotesin menetelmät Kaikki edellä olleet integrointimenetelmät voidaan esittää muodossa I = w i f(x i ), missä (x i ),i = 0,...,n on jokin sopivasti valittu pistejoukko. Jos pisteet x i valitaan tasavälisesti, saadaan Newtonin Cotesin menetelminä tunnetut integrointimenetelmät. Kaikki edellä esiintyneet menetelmät kuuluvat tähän ryhmään. Edellä esitetyt menetelmät ovat yksinkertaisia ja helposti ohjelmoitavia. Moniin tarkoituksiin ne ovat täysin käyttökelpoisia. Suuri tarkkuus vaatii lyhyttä jakoväliä, mikä tekee menetelmistä melko hitaita.

10 Gaussin kvadratuuri Tilannetta voidaan parantaa valitsemalla jakopisteet x i jollakin muulla tavoin kuin tasavälisesti. Oletetaan, että funktio on korkeintaan n-asteinen polynomi. Yritetään löytää sellaiset pisteet x i ja kertoimet w i, että w i f(x i ) antaa polynomien integraaleille täsmälleen oikean arvon. Esimerkki: käytetään vain kahta pistettä. Valitaan vielä integroimisväli symmetriseksi, [ 1,1]. Jotta kaava toimisi oikein kaikille astetta n astetta oleville polynomeille, sen on annettava oikeat arvot myös funktioiden 1, x, x,..., x n integraaleille: dx = = w 1 + w, xdx = 0 = w 1 x 1 + w x, x dx = 3 = w 1x 1 + w x, x 3 dx = 0 = w 1 x w x 3, Tässä on neljä yhtälöä ja neljä tuntematonta, w 1, w, x 1 ja x. Toinen ja neljäs yhtälö toteutuu, jos valitaan x = x 1 ja w 1 = w. Silloin ensimmäisen yhtälön perusteella on w 1 = w = 1, ja kolmannesta yhtälöstä saadaan x 1 = x = 1/ 3.

11 Yleiset kolmannen asteen polynomit saadaan edellä esiintyneiden funktioiden lineaarikombinaatioina. Siten mielivaltaiselle korkeintaan kolmatta astetta olevalle polynomille p 3 pätee 1 1 ( ) ( 1 p 3 (x) dx = p p 3 1 ). 3 Kokeillaan 1 (x 3 + x + 1)dx = 1 1 x x3 3 + x = = ( ) 3 1 = Gaussin kahden pisteen kvadratuurilla: 1 1 (x 3 + x + 1)dx = = = ( ) Korkeampaa astetta oleville polynomeille saadaan vastaavat yhtälöt, joiden ratkaiseminen on työlästä. Pisteiden x i ratkaiseminen suoraan yhtälöryhmistä ei ole kovin käytännöllistä. Siksi polynomit esitetäänkin ensin jonkin ortogonaalin kantafunktiojoukon avulla. Jos pisteitä on n kappaletta, niiden paikat ovat Legendren polynomin P n (x) nollakohtia. P 0 (x) = 1, P 1 (x) = x, P (x) = 1 (3x 1), P 3 (x) = 1 (5x3 3x),. (n + 1)P n (x) = (n + 1)P n+1 (x) + np n 1 (x).

12 Esim. kolmen pisteen menetelmän pisteet saadaan yhtälöstä 5x 3 3x = 0, josta x 1 = 3/5 = , x = 0, x 1 = 3/5 = Näitä ei kannata ratkaista joka kerta uudestaan, vaan käytetään valmiiksi taulukoituja arvoja. Pistettä x i vastaava paino on w i = (1 x i )[P (x i )]. Polynomien derivaatat saadaan kaavoista P 0(x) = 0, P 1(x) = 1, P (x) = 3x, P 3(x) = 1 (15x 3),. P n+1(x) = P n 1(x) + (n + 1)P n (x).

13 Mielivaltainen integroimisväli voidaan muuntaa väliksi [-1, 1] sijoituksella y = b a t + b + a, jolloin integraali on b a dy = b a f(y) dy = b a dt, wi f(y i ), missä ( ) b a y i = x i + ( b + a ), Esimerkki: π/ sinxdx 0 Lasketaan tämä Gaussin kolmen pisteen menetelmällä. Integroimisvälin muunnos on y i = π 4 x i + π 4. Integraalin laskemiseen tarvitaan seuraavat suureet: i w i x i y i w i sin y i Integraalin arvo on (π/4) Integraalin tarkka arvo on 1. Kolmen pisteen integrointikaavalla saatiin tulos, jonka suhteellinen virhe on alle 10 5.

14 n x i w i

15 Useampiulotteiset integraalit Voidaan laskea soveltamalla yksiulotteista integrointia erikseen kuhunkin dimensioon. Esimerkiksi kaksiulotteinen integraali: b d f(x,y) dxdy a c = ( ) d w i f(x i,y) dy c = w i w j f(x i,y j ). Painoista ja pisteistä riippuen menetelmä voi tässä olla Gauss tai jokin Newton-Cotes. Kun dimensio suurempi kuin noin 5, kannattaa käyttää Monte Carlo -menetelmää.

16 Epäoleelliset integraalit Esimerkiksi 0 f(x) dx. Erilaisia mahdollisuuksia: 1) Tehdään muunnos [0, ] [a, b]. ) Jatketaan yhä pitemmälle, kunnes tulos ei enää muutu. 3) Integroidaan paloittain. Funktiolla todennäköisesti häntä, jossa arvot hyvin pieniä, joten voidaan käyttää pitkää askelta.

17 Monte Carlo -menetelmä Integraalin I = 1 0 f(x) dx suorakaidemenetelmällä laskettu arvo on n 1 i=0 f(x i ) n. Tämä on funktion keskiarvo välillä [0,1]. Yleisessä tapauksessa integraali on funktion keskiarvo kerrottuna välin pituudella. Periaatteessa sama tulos saadaan, jos integraali lasketaan satunnaisissa pisteissä t i, jotka jakautuvat tasaisesti integrointivälille: I = n 1 i=0 f(t i ) n. Tämä on satunnaismuuttuja, jonka odotusarvo on integraalin oikea arvo: EI = I, Kun N, I I. Jos on laskettava integraali A f dv jonkin mutkikkaan alueen yli, lasketaan B g dv, missä A B ja g(x) = f(x), jos x A ja 0 muuten. Integraalin likiarvo on I = g(x i ), missä satunnaisluvut x i ovat jakautuneet tasaisesti alueeseen B.

18 Esimerkiksi n-ulotteisen pallon tilavuuden laskeminen. Tuotetaan kuution sisälle tasaisesti jakautuneita pisteitä r i = (X 1,X,...,X n ). Nyt g(r i ) = 1, jos r i on pienempi kuin pallon säde ja 0 muuten. Summa g(r i ) lähenee pallon ja ympäröivän kuution tilavuuksien suhdetta. Virhe on suuruusluokkaa 1/ n. Laskentaa voidaan jatkaa tarpeen mukaan. Jos käytetään tavallista kiinteän laskentahilan menetelmää, koko homma on uusittava, jos tarkkuutta halutaan parantaa. Tarkkuus paranee hitaasti, joten menetelmä ei sovellu kaikkiin tehtäviin. Virhe ei riipu avaruuden dimensiosta, joten menetelmää kannattaa käyttää, kun on laskettava moniulotteisia integraaleja.

19 Havaintodatan integrointi Jos tasavälinen aineisto, voidaan käyttää mitä tahansa Newton-Cotes -tyyppistä menetelmää. Jos aineisto ei tasavälistä, korjataan menetelmiä niin, että askelpituus muuttuu; esimerkiksi puolisuunnikassääntö: f(x) dx = ( 1 (x 1 )f( ) + (x )f(x 1 ) +... ) + (x n x n )f(x n 1 ) + (x n x n 1 )f(x n ). Toinen mahdollisuus: sovitetaan aineistoon jokin funktio, jolloin voidaan käyttää mitä tahansa menetelmää tai laskea integraali analyyttisesti. Jos aineisto saadaan esimerkiksi simuloinnista tai on muuten raskas lakea, mutta voidaan laskea mielivaltaiselle pisteelle, kannattaa käyttää Gaussin menetelmää.