On the Quadratures of Gauss-Type

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工程与物理上,人们经常要遇到某类积分的近似计算问题。其必要性在Davis和Rabinowitz的专著[17]里已有充分的论述,我们不再多费笔墨。在众多的数值积分方法中,Gauss型求积公式无疑是相当重要的。我们的主要目的是讨论Gauss型求积公式.包括Gauss-Radau公式,Gauss-Lobatto公式,Gauss-Kronrod公式和新近发展的带函数导数值的Gauss-Turán公式等等。 设μ:R→R为给定的非降函数,它有无穷多个递增点,且它的所有矩都存在且有限,β0=fRdμ(x)>0。那么,对于任意的多项式p,广义Stieltjes积分fRp(x)dμ(x)都存在。把Lebesgue-Stieltjes积分fRf(x)dμ(x)用于集合的特征函数上,则函数μ产生一个Lebesgue-Stieltjes测度dμ(x),该测度被称为m分布,有时我们也称之为(正)测度。其次,若x→dμ(x)是绝对连续的函数,则我们称其导数μ′(x)=w(x)为权函数。 对于任何的m分布来讲,总存在相应的正交多项式序列pn(·)=pn(·;dμ),n=0,1,…,它们满足pn(x)=knxn+低次项,kn>0,(pm,Pn)=δmn,m,n≥0,其中(·,·)为内积,定义为 给定实直线上的m分布dμ,其n次正交多项式的零点为x1,x2,…,xn。考虑数值求解积分 Gauss型求积公式的共同特征是用被积函数在上述零点(有时还需按某种规则加上其它的点)的函数值(某些时候再加上其导数值)的线性组合来逼近上述积分。它们的优点是具有很高的代数精确度,因而它们理应成为我们实用上的首选。但正交多项式的零点往往是些无理数,所以其高精度的优势往往因实际计算的舍入误差大打折扣。现代32位64位乃至高性能计算机的出现,使得舍入误差的影响已可有效地加以控制。所以,Gauss型求积公式重又成为数值求积中的新贵。 本论文按内容共分为五章。 在第一章中,我们首先粗略地回顾了一下数值积分的历史,接着为后续的章节大致地定下一个讨论问题的框架,并且引进一些必要的记号与预备的知识,作为后四章的铺垫。在第二节,我们回忆插值理论中重要的Langrange插值法,Hermite插值法以及Newton插值公式。设N为自然数集,N0=Nu{0},Pn表示所有次数不超n的多项式集合,Tn(x),Un(x)分别表示浙学博论浙乳‘天军僻士花犬U。次第一、第二类Chebyshev多项式.又设X一X云xj一x‘葱,j=l,…,几(0 .0.2)。ll 一一 X饭“1,葱为为任意n个不同点x,,xZ,…,x。处的Langrange插值基函数,而。。(二)=fl(x一x‘) 云=1(0.0.3)为节点多项式.引理O.0.L第一章中第一个重要的引理来自【49}.设石:,…,认为。个不同点,且f(川在乐,‘=1,…,。,的近旁连续,则f畔+1,…,票十‘卜亡共碑蕊或J“’:{,(。211(;一“)一‘一‘}·(0 .0.4)粼=1,p祷F当jl二…二九二2j一1,我们得到 升l,,x一石‘、,;,,,、、‘2,一l、 f‘I荟犷J,…,否护]=》二二丁一一二石((=升琴)‘,f,(z))之二‘,,(0 .0.5) 言(Zj一1)!“。。(x)·一一二一“其中山。(x)二n几1(x一公),f[《‘十‘,…,聆+11表示函数f(x)的重节点差商,节点石‘出现j‘+1次,下同. 上述引理及其特例在第四、第五章起着关键的作用. 在第一章的后两节,我们主要是汇集了正交多项式的若干重要性质,如零点是实单重的,都位于相应测度的支集内部,等等.当然,论及正交多项式与Gauss型求积公式,三项递归公式与Christoffel一Darboux恒等式自然是免不了的.而前者又把我们引向Gauss求积公式的特征值特征向量的计算方法,这是Golub及其合作者诸多重要结果中的一个.具体说来,是下面的定理【42」.定理0.0.1.Gos,节点x:为Jac的i矩阵人的特征值,而Goss权叨‘由下式给出二‘=口。。子,1,‘=1,2,…,。,其中。‘是人对应于x:的归一化特征向量,。‘,1为其第一个分量. 我们也把相当多的注意力放在了经典的正交多项式一Jacobi正交多项式、Laguerre正交多项式、Hermite正交多项式一的特殊性质上.我们关心的另一类权是最近由Gori和Micchelli于阵51中引进的.这是一个权函数类,其中的权函数能够展开成余弦级数.具体地说, C兄二了i万万一艺’,,(二)几‘。(x),n oN, l二0(0 .0.6)其中求和号上‘的表示对应于l二0的项须折半.我们称之为Gori一Micchelli权函数类,wn,其中的权函数称为Gor卜M‘cche‘l‘权·它包含了第一类Chebyshev权分净广义Gegenbauer权l装过l”+‘(1一二,)入,*>一1.黔记为以及 浙江大学博士论文亩 在第二章,我们主要讨论。分布的G凡记翻公式和GauJ姐Lobatto公式.对于左闭的Gauss-Radau公式(对右闭的Gau,R“au公式,其结果是类似的,我们略去),我们首先获得了一个一般性的结果,它把Gauss.Radau公式与Gaus。公式紧密地联系在一起,即 定理0.
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