Квадратура Таншина - Tanh-sinh quadrature

Квадратура Тань-Шина это метод для численное интегрирование введен Хидетоси Такахаси и Масатаке Мори в 1974 году.^[1] Оно использует гиперболические функции в замена переменных

${displaystyle x= anh left({frac {1}{2}}pi sinh tight),}$

преобразовать интеграл на интервале Икс ∈ (−1, +1) до интеграла на всей реальная линия т ∈ (−∞, + ∞), причем два интеграла имеют одинаковое значение. После этого преобразования подынтегральное выражение затухает с двойная экспонента скорость, и поэтому этот метод также известен как Формула двойной экспоненты (DE).^[2]

Для заданного размера шага час, интеграл аппроксимируется суммой

${displaystyle int _{-1}^{1}f(x),dxapprox sum _{k=-infty }^{infty }w_{k}f(x_{k}),}$

с абсциссы

${displaystyle x_{k}= anh left({frac {1}{2}}pi sinh khight)}$

и веса

${displaystyle w_{k}={frac {{frac {1}{2}}hpi cosh kh}{cosh ^{2}left({frac {1}{2}}pi sinh khight)}}.}$

Метод Tanh-Sinh совершенно нечувствителен к поведению конечной точки. Если сингулярности или бесконечные производные существуют в одной или обеих конечных точках интервала (−1, +1), они отображаются в конечные точки (−∞, + ∞) преобразованного интервала, заставляя концевые особенности и бесконечные производные обращаться в нуль. Это приводит к значительному повышению точности процедуры численного интегрирования, которая обычно выполняется с помощью правила трапеции. В большинстве случаев преобразованное подынтегральное выражение показывает быстрое спад (спад), позволяя числовому интегратору быстро достичь сходимости.

Нравиться Квадратура Гаусса, Квадратура Тан-Шина хорошо подходит для произвольная точность интеграция, где желательна точность до сотен или даже тысяч цифр. В конвергенция является экспоненциальным (в смысле дискретизации) для достаточно хороших подынтегральных выражений: удвоение количества точек оценки примерно удваивает количество правильных цифр.

Квадратура Тан-Шина не так эффективна, как квадратура Гаусса для гладких подынтегральных выражений, но, в отличие от квадратур Гаусса, имеет тенденцию одинаково хорошо работать с подынтегральными выражениями, имеющими особенности или бесконечные производные в одной или обеих конечных точках интервала интегрирования, как уже отмечалось. Кроме того, квадратура Тань-Шина может быть реализована постепенно, с уменьшением размера шага вдвое каждый раз, когда уровень правила повышается, и повторным использованием значений функции, вычисленных на предыдущих уровнях. Еще одно преимущество состоит в том, что абсциссы и веса относительно просты для вычисления. Стоимость расчета пар абсцисс – вес для п-цифровая точность составляет примерно п² бревно² п в сравнении с п³ бревно п для квадратуры Гаусса.

Бейли и другие провели обширное исследование квадратур Тань-Шина, квадратур Гаусса и квадратуры функции ошибок, а также некоторых классических квадратурных методов и обнаружили, что классические методы неконкурентоспособны с первыми тремя методами, особенно когда высокоточные результаты необходимы. В статье конференции, представленной на RNC5 по действительным числам и компьютерам (сентябрь 2003 г.), при сравнении квадратуры Тань-Шина с квадратурой Гаусса и квадратуры функции ошибки Бейли и Ли пришли к выводу: «В целом, схема Тань-Шиня кажется лучшей. Он сочетает в себе неизменно превосходную точность с малым временем работы. Это ближе всего к действительно универсальной квадратурной схеме в настоящее время."

При сравнении схемы с квадратурой Гаусса и Квадратура функции ошибки, Bailey et al. (2005) обнаружили, что схема Тан-Шина «кажется лучшей для подынтегральных выражений того типа, который наиболее часто встречается в экспериментальных математических исследованиях».

Бейли (2006) обнаружил, что: «Квадратурная схема Тань-Шинь это самая быстрая из известных в настоящее время высокоточных квадратурных схем, особенно если считать время для вычисления абсцисс и весов. Он успешно используется для квадратурных вычислений с точностью до 20 000 цифр ».

Таким образом, квадратурная схема Тань-Шина разработана таким образом, что дает наиболее точный результат при минимальном количестве оценок функций. На практике квадратурное правило Тань-Шина почти всегда является лучшим правилом и часто является единственным эффективным правилом при поиске результатов с повышенной точностью.^{[нужна цитата ]}.

Реализации

Квадратура Тань-Шин, ехр-шин и Шин-Шин реализована в C ++ библиотека Boost^[3]

Квадратура Тань-Шина реализована в Excel с поддержкой макросов таблица Грэма Деннеса.^[4]

Примечания

1. Такахаси и Мори (1974)
2. Мори (2005)
3. Томпсон, Ник; Мэддок, Джон. «Двойная экспоненциальная квадратура». boost.org.
4. Деннес, Грэм. «Численное интегрирование с квадратурой Тань-Шина». Newton Excel Bach, а не (просто) блог об Excel.

Рекомендации

• Бейли, Дэвид Х, "Высокоточная квадратура Tanh-Sinh ". (2006).
• Молин, Паскаль, Числовая интеграция и вычисление функций L (На французском), докторская диссертация (2010 г.).
• Бейли, Дэвид Х., Картик Джеябалан и Сяое С. Ли, "Сравнение трех высокоточных квадратурных схем ". Экспериментальная математика, 14.3 (2005).
• Бейли, Дэвид Х., Джонатан М. Борвейн, Дэвид Бродхерст и Вадим Зудлин, Экспериментальная математика и математическая физика, in Gems in Experimental Mathematics (2010), American Mathematical Society, pp. 41–58.
• Джонатан Борвейн, Дэвид Х. Бейли и Роланд Гирдженсон, Эксперименты в математике - вычислительные пути к открытиям. А. К. Петерс, 2003. ISBN  1-56881-136-5.
• Мори, Масатаке; Сугихара, Масааки (15 января 2001 г.). «Двойное экспоненциальное преобразование в численном анализе». Журнал вычислительной и прикладной математики. 127 (1–2): 287–296. Дои:10.1016 / S0377-0427 (00) 00501-X. ISSN  0377-0427.
• Мори, Масатаке (2005), «Открытие двойного экспоненциального преобразования и его развитие», Публикации НИИ математических наук, 41 (4): 897–935, Дои:10.2977 / prims / 1145474600, ISSN  0034-5318. Этот документ также доступен по адресу Вот.
• Нажмите, WH; Теукольский С.А.; Феттерлинг, штат Вашингтон; Фланнери, BP (2007), «Раздел 4.5. Квадратура переменным преобразованием», Числовые рецепты: искусство научных вычислений (3-е изд.), Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета, ISBN  978-0-521-88068-8
• Такахаси, Хидетоси; Мори, Масатаке (1974), "Двойные экспоненциальные формулы для численного интегрирования", Публикации НИИ математических наук, 9 (3): 721–741, Дои:10.2977 / prims / 1195192451, ISSN  0034-5318. Этот документ также доступен по адресу Вот.

внешняя ссылка

• Кук, Джон Д. "Двойная экспоненциальная интеграция " с исходный код.
• Деннес, Грэм "Численное интегрирование с квадратурой Тан-Шина "Рабочая тетрадь Microsoft Excel, содержащая четырнадцать квадратурных программ, демонстрирующих Тань-Шинь и другие квадратурные методы. Демонстрирует поразительную скорость и точность метода Тань-Шина, в частности, и методов двойной экспоненты в целом. Квадратурные программы выполняются с использованием широкого , разнообразные тестовые интегралы с результатами, полный открытый исходный код VBA и документация.