Применение сплайнов для численного интегрирования

В разделе 2.5 рассмотрена интерполяция кубическими сплайнами, коэффициенты которых определяются из условий Лагранжа, условий непрерывности первой и второй производных в узлах и условий на кон­цах интервала. Вследствие этого коэффициенты всех сплайнов оказы­ваются связанными системой линейных алгебраических уравнений с трехдиагональной матрицей.

Рассмотрим применение сплайнов для вычисления определенных интегралов или так называемую сплайн-квадратуру [9]. Пусть необхо­димо вычислить интеграл вида

(4.40)

Разобъем интервал на участки

на каждом из которых подынтегральную функцию f(x) заменим куби­ческим

сплайном :

где

Тогда интеграл (4.40) запишется как сумма интегралов от сплайнов:

 

Последняя формула упрощается при подстановке в нее выражений (2.25), (2.33) и (2.34) для коэффициентов и .

(4.41)

Нетрудно видеть, что первая сумма в формуле (4.41) есть форму­ла трапеций, а вторая сумма — поправочное слагаемое для формулы трапеций, примененное к сплайнам, так как при малых значениях коэффициенты и близки по величине, коэффициент сле­довательно,

.

Значит, погрешность сплайн-квадратуры меньше, чем погрешность ме­тода трапеций. Однако алгоритм интегрирования с помощью сплай­нов сложнее методов трапеций и Симпсона за счет необходимости ре­шения системы линейных уравнений для определения коэффициентов сплайнов . Поэтому рационально использовать сплайн-квадратурыв комплексе, когда сплайны применяются для сглаживания зависимо­стей, обработки экспериментальных данных и т.п.