Für die Newton-Cotes-Formel folgt dann:
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
≈
∫
a
b
p
n
(
x
)
d
x
=
(
b
−
a
)
∑
i
=
0
n
w
i
f
(
x
i
)
{\displaystyle \int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx\approx \int \limits _{a}^{b}p_{n}(x)\,dx=(b-a)\sum _{i=0}^{n}w_{i}f(x_{i})}
mit den Gewichten
w
i
=
1
b
−
a
∫
a
b
l
i
(
x
)
d
x
{\displaystyle w_{i}={\frac {1}{b-a}}\int \limits _{a}^{b}l_{i}(x)\,dx}
Die Gewichte sind symmetrisch, das heißt
w
n
−
i
=
w
i
{\displaystyle w_{n-i}=w_{i}}
.
l
i
(
x
)
=
∏
0
≤
j
≤
n
j
≠
i
x
−
x
j
x
i
−
x
j
=
(
x
−
x
0
)
⋯
(
x
−
x
i
−
1
)
(
x
−
x
i
+
1
)
⋯
(
x
−
x
n
)
(
x
i
−
x
0
)
⋯
(
x
i
−
x
i
−
1
)
(
x
i
−
x
i
+
1
)
⋯
(
x
i
−
x
n
)
{\displaystyle l_{i}(x)=\prod _{\begin{smallmatrix}0\leq j\leq n\\j\neq i\end{smallmatrix}}{\frac {x-x_{j}}{x_{i}-x_{j}}}={\frac {(x-x_{0})\cdots (x-x_{i-1})(x-x_{i+1})\cdots (x-x_{n})}{(x_{i}-x_{0})\cdots (x_{i}-x_{i-1})(x_{i}-x_{i+1})\cdots (x_{i}-x_{n})}}}
Wegen der speziellen Wahl der Stützstellen integrieren diese Formeln bei ungeradem
n
{\displaystyle n}
Polynome bis zum Grad
n
{\displaystyle n}
, bei geradem
n
{\displaystyle n}
sogar bis zum Grad
n
+
1
{\displaystyle n+1}
exakt. Somit sind Newton-Cotes-Formeln mit geradem
n
{\displaystyle n}
(also einer ungeraden Anzahl an Stützstellen) denen mit ungeradem
n
{\displaystyle n}
vorzuziehen. Diese Eigenschaft nennt man auch Genauigkeitsgrad .
Speziell gilt für
f
(
x
)
=
1
{\displaystyle f(x)=1}
, dass
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
=
∫
a
b
1
d
x
=
b
−
a
=
(
b
−
a
)
∑
i
=
0
n
w
i
⋅
1
=
(
b
−
a
)
∑
i
=
0
n
w
i
{\displaystyle \int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx=\int \limits _{a}^{b}1\,dx=b-a=(b-a)\sum _{i=0}^{n}w_{i}\cdot 1=(b-a)\sum _{i=0}^{n}w_{i}}
und somit
∑
i
=
0
n
w
i
=
1
{\displaystyle \sum _{i=0}^{n}w_{i}=1}
.
Falls
∑
i
=
0
n
|
w
i
|
>
∑
i
=
0
n
w
i
=
1
{\displaystyle \sum _{i=0}^{n}|w_{i}|>\sum _{i=0}^{n}w_{i}=1}
, was bei Gewichten mit verschiedenen Vorzeichen der Fall ist, besteht die Gefahr, dass sich die Rundungsfehler aufschaukeln oder Auslöschung eintritt. Daher sind aus numerischen Gründen Formeln mit positiven Gewichten zu bevorzugen. Da für großes
n
{\displaystyle n}
das Interpolationspolynom
p
n
(
x
)
{\displaystyle p_{n}(x)}
unbrauchbar ist, sind ebenso Formeln mit großem
n
{\displaystyle n}
nicht empfehlenswert. Will man bessere Näherungen erreichen, so empfiehlt sich die Verwendung von summierten Formeln.
E
(
f
)
=
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
−
∫
a
b
p
n
(
x
)
d
x
{\displaystyle E(f)=\int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx-\int \limits _{a}^{b}p_{n}(x)\,dx}
ist der Fehler (Verfahrensfehler), der bei der Anwendung der Newton-Cotes-Formel gemacht wird. Dieser hat bei der speziellen Wahl der Stützstellen für
(
p
+
1
)
{\displaystyle (p+1)}
-mal auf
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
stetig differenzierbar reellwertige Funktionen
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
immer die Form
E
(
f
)
=
K
⋅
f
(
p
+
1
)
(
ξ
)
{\displaystyle E(f)=K\cdot f^{(p+1)}(\xi )}
,
wobei
K
{\displaystyle K}
eine von
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
unabhängige Konstante und
ξ
∈
[
a
,
b
]
{\displaystyle \xi \in [a,b]}
ein nur in Ausnahmefällen bekannter Zwischenwert ist. Wäre er generell bekannt, könnte man
E
(
f
)
{\displaystyle E(f)}
und somit auch das Integral exakt ausrechnen, im Widerspruch zu der Tatsache, dass es unendlich viele Integrale gibt, die man nicht exakt berechnen kann. Der Fehler ist Null für alle Funktionen, deren
(
p
+
1
)
{\displaystyle (p+1)}
-te Ableitung Null ist, also für alle Polynome vom Grad kleiner oder gleich
p
{\displaystyle p}
. Somit ist
p
{\displaystyle p}
der Genauigkeitsgrad. Der Wert
p
+
1
{\displaystyle p+1}
wird auch als (polynomiale) Ordnung der Newton-Cotes-Formel bezeichnet.
Mit Hilfe des Verfahrensfehlers erhält man die Fehlerabschätzung:
|
E
(
f
)
|
≤
|
K
|
⋅
max
a
≤
ξ
≤
b
|
f
(
p
+
1
)
(
ξ
)
|
{\displaystyle |E(f)|\leq |K|\cdot \max _{a\leq \xi \leq b}\left|f^{(p+1)}(\xi )\right|}
.
Der exakte Fehler ist immer kleiner oder gleich dieser Fehlerabschätzung, wie auch die unten angegebenen Beispiele zeigen.
Die angegebenen Stützstellen
t
i
{\displaystyle t_{i}}
gelten für das Integrationsintervall
[
0
,
1
]
{\displaystyle [0,1]}
:
t
0
=
0
,
t
i
=
i
n
,
t
n
=
1
{\displaystyle t_{0}=0,t_{i}={\frac {i}{n}},t_{n}=1}
. Für ein allgemeines Intervall
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
sind die Stützstellen
x
i
=
a
+
t
i
⋅
(
b
−
a
)
{\displaystyle x_{i}=a+t_{i}\cdot (b-a)}
.
n
{\displaystyle n}
Name
Stützstellen
t
i
{\displaystyle t_{i}}
Gewichte
w
i
{\displaystyle w_{i}}
E
(
f
)
{\displaystyle E(f)}
1
Trapezregel Sehnentrapezregel
0
1
{\displaystyle 0\quad 1}
1
2
1
2
{\displaystyle {\frac {1}{2}}\quad {\frac {1}{2}}}
−
(
b
−
a
)
3
12
f
″
(
ξ
)
{\displaystyle -{\frac {(b-a)^{3}}{12}}f''(\xi )}
2
Simpson-Regel Keplersche Fassregel
0
1
2
1
{\displaystyle 0\quad {\frac {1}{2}}\quad 1}
1
6
4
6
1
6
{\displaystyle {\frac {1}{6}}\quad {\frac {4}{6}}\quad {\frac {1}{6}}}
−
(
b
−
a
2
)
5
90
f
(
4
)
(
ξ
)
{\displaystyle -{\frac {\left({\frac {b-a}{2}}\right)^{5}}{90}}f^{(4)}(\xi )}
3
3/8-Regel Pulcherrima
0
1
3
2
3
1
{\displaystyle 0\quad {\frac {1}{3}}\quad {\frac {2}{3}}\quad 1}
1
8
3
8
3
8
1
8
{\displaystyle {\frac {1}{8}}\quad {\frac {3}{8}}\quad {\frac {3}{8}}\quad {\frac {1}{8}}}
−
3
(
b
−
a
3
)
5
80
f
(
4
)
(
ξ
)
{\displaystyle -{\frac {3\left({\frac {b-a}{3}}\right)^{5}}{80}}f^{(4)}(\xi )}
4
Milne -Regel Boole -Regel
0
1
4
2
4
3
4
1
{\displaystyle 0\quad {\frac {1}{4}}\quad {\frac {2}{4}}\quad {\frac {3}{4}}\quad 1}
7
90
32
90
12
90
32
90
7
90
{\displaystyle {\frac {7}{90}}\quad {\frac {32}{90}}\quad {\frac {12}{90}}\quad {\frac {32}{90}}\quad {\frac {7}{90}}}
−
8
(
b
−
a
4
)
7
945
f
(
6
)
(
ξ
)
{\displaystyle -{\frac {8\left({\frac {b-a}{4}}\right)^{7}}{945}}f^{(6)}(\xi )}
5
6-Punkt-Regel
0
1
5
2
5
3
5
4
5
1
{\displaystyle 0\quad {\frac {1}{5}}\quad {\frac {2}{5}}\quad {\frac {3}{5}}\quad {\frac {4}{5}}\quad 1}
19
288
75
288
50
288
50
288
75
288
19
288
{\displaystyle {\frac {19}{288}}\quad {\frac {75}{288}}\quad {\frac {50}{288}}\quad {\frac {50}{288}}\quad {\frac {75}{288}}\quad {\frac {19}{288}}}
−
275
(
b
−
a
5
)
7
12
096
f
(
6
)
(
ξ
)
{\displaystyle -{\frac {275\left({\frac {b-a}{5}}\right)^{7}}{12\,096}}f^{(6)}(\xi )}
6
Weddle-Regel (nach Thomas Weddle , 1817–1853)[ 1]
0
1
6
2
6
3
6
4
6
5
6
1
{\displaystyle 0\quad {\frac {1}{6}}\quad {\frac {2}{6}}\quad {\frac {3}{6}}\quad {\frac {4}{6}}\quad {\frac {5}{6}}\quad 1}
41
840
216
840
27
840
272
840
27
840
216
840
41
840
{\displaystyle {\frac {41}{840}}\quad {\frac {216}{840}}\quad {\frac {27}{840}}\quad {\frac {272}{840}}\quad {\frac {27}{840}}\quad {\frac {216}{840}}\quad {\frac {41}{840}}}
−
9
(
b
−
a
6
)
9
1400
f
(
8
)
(
ξ
)
{\displaystyle -{\frac {9\left({\frac {b-a}{6}}\right)^{9}}{1400}}f^{(8)}(\xi )}
Die gekürzten Werte aller Gewichte bis
n
=
10
{\displaystyle n=10}
betragen:[ 2]
n
Gewichte
1
{
1
2
,
1
2
}
{\displaystyle \{{\tfrac {1}{2}},{\tfrac {1}{2}}\}}
2
{
1
6
,
2
3
,
1
6
}
{\displaystyle \{{\tfrac {1}{6}},{\tfrac {2}{3}},{\tfrac {1}{6}}\}}
3
{
1
8
,
3
8
,
3
8
,
1
8
}
{\displaystyle \{{\tfrac {1}{8}},{\tfrac {3}{8}},{\tfrac {3}{8}},{\tfrac {1}{8}}\}}
4
{
7
90
,
16
45
,
2
15
,
16
45
,
7
90
}
{\displaystyle \{{\tfrac {7}{90}},{\tfrac {16}{45}},{\tfrac {2}{15}},{\tfrac {16}{45}},{\tfrac {7}{90}}\}}
5
{
19
288
,
25
96
,
25
144
,
25
144
,
25
96
,
19
288
}
{\displaystyle \{{\tfrac {19}{288}},{\tfrac {25}{96}},{\tfrac {25}{144}},{\tfrac {25}{144}},{\tfrac {25}{96}},{\tfrac {19}{288}}\}}
6
{
41
840
,
9
35
,
9
280
,
34
105
,
9
280
,
9
35
,
41
840
}
{\displaystyle \{{\tfrac {41}{840}},{\tfrac {9}{35}},{\tfrac {9}{280}},{\tfrac {34}{105}},{\tfrac {9}{280}},{\tfrac {9}{35}},{\tfrac {41}{840}}\}}
7
{
751
17280
,
3577
17280
,
49
640
,
2989
17280
,
2989
17280
,
49
640
,
3577
17280
,
751
17280
}
{\displaystyle \{{\tfrac {751}{17280}},{\tfrac {3577}{17280}},{\tfrac {49}{640}},{\tfrac {2989}{17280}},{\tfrac {2989}{17280}},{\tfrac {49}{640}},{\tfrac {3577}{17280}},{\tfrac {751}{17280}}\}}
8
{
989
28350
,
2944
14175
,
−
464
14175
,
5248
14175
,
−
454
2835
,
5248
14175
,
−
464
14175
,
2944
14175
,
989
28350
}
{\displaystyle \{{\tfrac {989}{28350}},{\tfrac {2944}{14175}},-{\tfrac {464}{14175}},{\tfrac {5248}{14175}},-{\tfrac {454}{2835}},{\tfrac {5248}{14175}},-{\tfrac {464}{14175}},{\tfrac {2944}{14175}},{\tfrac {989}{28350}}\}}
9
{
2857
89600
,
15741
89600
,
27
2240
,
1209
5600
,
2889
44800
,
2889
44800
,
1209
5600
,
27
2240
,
15741
89600
,
2857
89600
}
{\displaystyle \{{\tfrac {2857}{89600}},{\tfrac {15741}{89600}},{\tfrac {27}{2240}},{\tfrac {1209}{5600}},{\tfrac {2889}{44800}},{\tfrac {2889}{44800}},{\tfrac {1209}{5600}},{\tfrac {27}{2240}},{\tfrac {15741}{89600}},{\tfrac {2857}{89600}}\}}
10
{
16067
598752
,
26575
149688
,
−
16175
199584
,
5675
12474
,
−
4825
11088
,
17807
24948
,
−
4825
11088
,
5675
12474
,
−
16175
199584
,
26575
149688
,
16067
598752
}
{\displaystyle \{{\tfrac {16067}{598752}},{\tfrac {26575}{149688}},-{\tfrac {16175}{199584}},{\tfrac {5675}{12474}},-{\tfrac {4825}{11088}},{\tfrac {17807}{24948}},-{\tfrac {4825}{11088}},{\tfrac {5675}{12474}},-{\tfrac {16175}{199584}},{\tfrac {26575}{149688}},{\tfrac {16067}{598752}}\}}
Für
n
=
8
{\displaystyle n=8}
gilt
w
i
<
0
{\displaystyle w_{i}<0}
für
i
=
2
,
4
,
6
{\displaystyle i=2,4,6}
und
∑
i
=
0
n
|
w
i
|
=
1
,
45
…
{\displaystyle \textstyle \sum _{i=0}^{n}|w_{i}|=1{,}45\dots }
Für
n
=
10
{\displaystyle n=10}
gilt
∑
i
=
0
n
|
w
i
|
=
3,064
794
…
{\displaystyle \sum _{i=0}^{n}|w_{i}|=3{,}064794\dots }
Beispiel :
∫
1
3
1
x
d
x
=
ln
(
3
)
−
ln
(
1
)
=
ln
(
3
)
=
1,098
612
…
{\displaystyle \int \limits _{1}^{3}{\frac {1}{x}}\,dx=\ln(3)-\ln(1)=\ln(3)=1{,}098612\dots }
Näherung mit Simpson-Regel (
n
=
2
{\displaystyle n=2}
). Es gilt
h
=
b
−
a
n
=
2
2
=
1
{\displaystyle h={\frac {b-a}{n}}={\frac {2}{2}}=1}
und
x
0
=
a
=
1
{\displaystyle x_{0}=a=1}
.
∫
1
3
p
2
(
x
)
d
x
=
2
⋅
(
1
6
f
(
1
)
+
4
6
f
(
2
)
+
1
6
f
(
3
)
)
=
2
⋅
(
1
6
⋅
1
+
4
6
⋅
1
2
+
1
6
⋅
1
3
)
=
10
9
=
1
,
1
¯
{\displaystyle \int \limits _{1}^{3}p_{2}(x)\,dx=2\cdot \left({\frac {1}{6}}f(1)+{\frac {4}{6}}f(2)+{\frac {1}{6}}f(3)\right)=2\cdot \left({\frac {1}{6}}\cdot 1+{\frac {4}{6}}\cdot {\frac {1}{2}}+{\frac {1}{6}}\cdot {\frac {1}{3}}\right)={\frac {10}{9}}=1{,}{\overline {1}}}
Verfahrensfehler : Mit
f
(
4
)
(
ξ
)
=
4
!
ξ
5
{\displaystyle f^{(4)}(\xi )={\frac {4!}{\xi ^{5}}}}
erhält man
E
(
f
)
=
−
1
90
⋅
(
2
2
)
5
⋅
4
!
ξ
5
=
−
4
15
⋅
1
ξ
5
{\displaystyle E(f)=-{\frac {1}{90}}\cdot \left({\frac {2}{2}}\right)^{5}\cdot {\frac {4!}{\xi ^{5}}}=-{\frac {4}{15}}\cdot {\frac {1}{\xi ^{5}}}}
mit
ξ
∈
[
1
,
3
]
{\displaystyle \xi \in [1,3]}
Fehlerabschätzung :
|
E
(
f
)
|
≤
4
15
⋅
max
1
≤
ξ
≤
3
|
1
ξ
5
|
=
4
15
⋅
1
1
=
0
,
2
6
¯
{\displaystyle |E(f)|\leq {\frac {4}{15}}\cdot \max _{1\leq \xi \leq 3}\left|{\frac {1}{\xi ^{5}}}\right|={\frac {4}{15}}\cdot {\frac {1}{1}}=0{,}2{\overline {6}}}
Exakter Fehler :
a
˘
|
E
(
f
)
|
=
|
∫
1
3
1
x
d
x
−
∫
1
3
p
2
(
x
)
d
x
|
=
|
1,098
612
…
−
1
,
1
¯
|
=
0,012
498
…
<
0
,
2
6
¯
{\displaystyle {\breve {a}}|E(f)|=\left|\int \limits _{1}^{3}{\frac {1}{x}}\,dx-\int \limits _{1}^{3}p_{2}(x)\,dx\right|=\left|1{,}098612\ldots -1{,}{\overline {1}}\right|=0{,}012498\ldots <0{,}2{\overline {6}}}
Die Stützstellen
t
i
{\displaystyle t_{i}}
gelten für das Integrationsintervall
[
0
,
1
]
{\displaystyle [0,1]}
:
t
0
=
1
n
+
2
,
t
i
=
i
+
1
n
+
2
,
t
n
=
n
+
1
n
+
2
{\displaystyle t_{0}={\tfrac {1}{n+2}},t_{i}={\tfrac {i+1}{n+2}},t_{n}={\tfrac {n+1}{n+2}}}
. Für ein allgemeines Intervall
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
sind die Stützstellen
x
i
=
a
+
t
i
⋅
(
b
−
a
)
{\displaystyle x_{i}=a+t_{i}\cdot (b-a)}
.
n
{\displaystyle n}
Name
Stützstellen
t
i
{\displaystyle t_{i}}
Gewichte
w
i
{\displaystyle w_{i}}
E
(
f
)
{\displaystyle E(f)}
0
Rechteckregel Mittelpunktsregel Tangententrapezregel
1
2
{\displaystyle {\frac {1}{2}}}
1
{\displaystyle 1\quad }
(
b
−
a
)
3
24
f
″
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {(b-a)^{3}}{24}}f''(\xi )}
1
1
3
2
3
{\displaystyle {\frac {1}{3}}\quad {\frac {2}{3}}}
1
2
1
2
{\displaystyle {\frac {1}{2}}\quad {\frac {1}{2}}}
3
(
b
−
a
3
)
3
4
f
″
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {3\left({\frac {b-a}{3}}\right)^{3}}{4}}f''(\xi )}
2
1
4
2
4
3
4
{\displaystyle {\frac {1}{4}}\quad {\frac {2}{4}}\quad {\frac {3}{4}}}
2
3
−
1
3
2
3
{\displaystyle {\frac {2}{3}}\quad -{\frac {1}{3}}\quad {\frac {2}{3}}}
14
(
b
−
a
4
)
5
45
f
(
4
)
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {14\left({\frac {b-a}{4}}\right)^{5}}{45}}f^{(4)}(\xi )}
3
1
5
2
5
3
5
4
5
{\displaystyle {\frac {1}{5}}\quad {\frac {2}{5}}\quad {\frac {3}{5}}\quad {\frac {4}{5}}}
11
24
1
24
1
24
11
24
{\displaystyle {\frac {11}{24}}\quad {\frac {1}{24}}\quad {\frac {1}{24}}\quad {\frac {11}{24}}}
95
(
b
−
a
5
)
5
144
f
(
4
)
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {95\left({\frac {b-a}{5}}\right)^{5}}{144}}f^{(4)}(\xi )}
4
1
6
2
6
3
6
4
6
5
6
{\displaystyle {\frac {1}{6}}\quad {\frac {2}{6}}\quad {\frac {3}{6}}\quad {\frac {4}{6}}\quad {\frac {5}{6}}}
11
20
−
14
20
26
20
−
14
20
11
20
{\displaystyle {\frac {11}{20}}\quad -{\frac {14}{20}}\quad {\frac {26}{20}}\quad -{\frac {14}{20}}\quad {\frac {11}{20}}}
41
(
b
−
a
6
)
7
140
f
(
6
)
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {41\left({\frac {b-a}{6}}\right)^{7}}{140}}f^{(6)}(\xi )}
5
1
7
2
7
3
7
4
7
5
7
6
7
{\displaystyle {\frac {1}{7}}\quad {\frac {2}{7}}\quad {\frac {3}{7}}\quad {\frac {4}{7}}\quad {\frac {5}{7}}\quad {\frac {6}{7}}}
611
1440
−
453
1440
562
1440
562
1440
−
453
1440
611
1440
{\displaystyle {\frac {611}{1440}}\quad -{\frac {453}{1440}}\quad {\frac {562}{1440}}\quad {\frac {562}{1440}}\quad -{\frac {453}{1440}}\quad {\frac {611}{1440}}}
5257
(
b
−
a
7
)
7
8640
f
(
6
)
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {5257\left({\frac {b-a}{7}}\right)^{7}}{8640}}f^{(6)}(\xi )}
6
1
8
2
8
3
8
4
8
5
8
6
8
7
8
{\displaystyle {\frac {1}{8}}\quad {\frac {2}{8}}\quad {\frac {3}{8}}\quad {\frac {4}{8}}\quad {\frac {5}{8}}\quad {\frac {6}{8}}\quad {\frac {7}{8}}}
460
945
−
954
945
2196
945
−
2459
945
2196
945
−
954
945
460
945
{\displaystyle {\frac {460}{945}}\quad -{\frac {954}{945}}\quad {\frac {2196}{945}}\quad -{\frac {2459}{945}}\quad {\frac {2196}{945}}\quad -{\frac {954}{945}}\quad {\frac {460}{945}}}
3956
(
b
−
a
8
)
9
14
175
f
(
8
)
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {3956\left({\frac {b-a}{8}}\right)^{9}}{14\,175}}f^{(8)}(\xi )}
Für
n
=
5
{\displaystyle n=5}
gilt
∑
i
=
0
n
|
w
i
|
=
3252
1440
=
2,258
333
…
{\displaystyle \textstyle \sum _{i=0}^{n}|w_{i}|={\frac {3252}{1440}}=2{,}258333\dots }
Für
n
=
6
{\displaystyle n=6}
gilt
∑
i
=
0
n
|
w
i
|
=
9679
945
=
10
,
24
…
{\displaystyle \textstyle \sum _{i=0}^{n}|w_{i}|={\frac {9679}{945}}=10{,}24\dots }
Von diesen Formeln ist nur die Rechteckregel empfehlenswert. Die Formel für
n
=
1
{\displaystyle n=1}
hat bei höherem Aufwand die gleiche Ordnung wie die Rechteckregel, die höheren Formeln haben negative Gewichte.
Beispiel :
∫
1
3
1
x
d
x
=
ln
(
3
)
−
ln
(
1
)
=
ln
(
3
)
=
1,098
612
…
{\displaystyle \int \limits _{1}^{3}{\frac {1}{x}}\,dx=\ln(3)-\ln(1)=\ln(3)=1{,}098612\dots }
Näherung mit der Formel für
n
=
2
{\displaystyle n=2}
. Es gilt
h
=
b
−
a
n
+
2
=
2
4
=
1
2
{\displaystyle h={\frac {b-a}{n+2}}={\frac {2}{4}}={\frac {1}{2}}}
und
x
0
=
a
+
h
=
3
2
{\displaystyle x_{0}=a+h={\frac {3}{2}}}
.
∫
1
3
p
2
(
x
)
d
x
=
2
⋅
(
2
3
f
(
3
2
)
−
1
3
f
(
4
2
)
+
2
3
f
(
5
2
)
)
=
2
⋅
(
2
3
⋅
2
3
−
1
3
⋅
2
4
+
2
3
⋅
2
5
)
=
49
45
=
1
,
0
8
¯
{\displaystyle \int \limits _{1}^{3}p_{2}(x)\,dx=2\cdot \left({\frac {2}{3}}f\!\left({\frac {3}{2}}\right)-{\frac {1}{3}}f\!\left({\frac {4}{2}}\right)+{\frac {2}{3}}f\!\left({\frac {5}{2}}\right)\right)=2\cdot \left({\frac {2}{3}}\cdot {\frac {2}{3}}-{\frac {1}{3}}\cdot {\frac {2}{4}}+{\frac {2}{3}}\cdot {\frac {2}{5}}\right)={\frac {49}{45}}=1{,}0{\overline {8}}}
.
Verfahrensfehler : Mit
f
(
4
)
(
ξ
)
=
4
!
ξ
5
{\displaystyle f^{(4)}(\xi )={\frac {4!}{\xi ^{5}}}}
erhält man
E
(
f
)
=
14
45
⋅
(
2
4
)
5
⋅
4
!
ξ
5
=
7
30
⋅
1
ξ
5
{\displaystyle E(f)={\frac {14}{45}}\cdot \left({\frac {2}{4}}\right)^{5}\cdot {\frac {4!}{\xi ^{5}}}={\frac {7}{30}}\cdot {\frac {1}{\xi ^{5}}}}
mit
ξ
∈
[
1
,
3
]
{\displaystyle \xi \in [1,3]}
.
Fehlerabschätzung :
|
E
(
f
)
|
≤
7
30
⋅
max
1
≤
ξ
≤
3
|
1
ξ
5
|
=
7
30
⋅
1
1
=
0
,
2
3
¯
{\displaystyle |E(f)|\leq {\frac {7}{30}}\cdot \max _{1\leq \xi \leq 3}\left|{\frac {1}{\xi ^{5}}}\right|={\frac {7}{30}}\cdot {\frac {1}{1}}=0{,}2{\overline {3}}}
Exakter Fehler :
|
E
(
f
)
|
=
|
∫
1
3
1
x
d
x
−
∫
1
3
p
2
(
x
)
d
x
|
=
|
1,098
612
…
−
1
,
0
8
¯
|
=
0,009
723
…
<
0
,
2
3
¯
{\displaystyle |E(f)|=\left|\int \limits _{1}^{3}{\frac {1}{x}}\,dx-\int \limits _{1}^{3}p_{2}(x)\,dx\right|=\left|1{,}098612\ldots -1{,}0{\overline {8}}\right|=0{,}009723\ldots <0{,}2{\overline {3}}}
Diese Formeln sind nach Colin Maclaurin benannt. Die Stützstellen
t
i
{\displaystyle t_{i}}
gelten für das Integrationsintervall
[
0
,
1
]
{\displaystyle [0,1]}
:
t
0
=
1
2
n
+
2
,
t
i
=
2
i
+
1
2
n
+
2
,
t
n
=
2
n
+
1
2
n
+
2
{\displaystyle t_{0}={\tfrac {1}{2n+2}},t_{i}={\tfrac {2i+1}{2n+2}},t_{n}={\tfrac {2n+1}{2n+2}}}
. Für ein allgemeines Intervall
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
sind die Stützstellen
x
i
=
a
+
t
i
⋅
(
b
−
a
)
{\displaystyle x_{i}=a+t_{i}\cdot (b-a)}
.
n
{\displaystyle n}
Name
Stützstellen
t
i
{\displaystyle t_{i}}
Gewichte
w
i
{\displaystyle w_{i}}
E
(
f
)
{\displaystyle E(f)}
0
Rechteckregel Mittelpunktsregel Tangententrapezregel
1
2
{\displaystyle {\frac {1}{2}}}
1
{\displaystyle 1\quad }
(
b
−
a
)
3
24
f
″
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {(b-a)^{3}}{24}}f''(\xi )}
1
1
4
3
4
{\displaystyle {\frac {1}{4}}\quad {\frac {3}{4}}}
1
2
1
2
{\displaystyle {\frac {1}{2}}\quad {\frac {1}{2}}}
(
b
−
a
2
)
3
12
f
″
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {\left({\frac {b-a}{2}}\right)^{3}}{12}}f''(\xi )}
2
1
6
1
2
5
6
{\displaystyle {\frac {1}{6}}\quad {\frac {1}{2}}\quad {\frac {5}{6}}}
3
8
2
8
3
8
{\displaystyle {\frac {3}{8}}\quad {\frac {2}{8}}\quad {\frac {3}{8}}}
21
(
b
−
a
3
)
5
640
f
(
4
)
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {21\left({\frac {b-a}{3}}\right)^{5}}{640}}f^{(4)}(\xi )}
3
1
8
3
8
5
8
7
8
{\displaystyle {\frac {1}{8}}\quad {\frac {3}{8}}\quad {\frac {5}{8}}\quad {\frac {7}{8}}}
13
48
11
48
11
48
13
48
{\displaystyle {\frac {13}{48}}\quad {\frac {11}{48}}\quad {\frac {11}{48}}\quad {\frac {13}{48}}}
103
(
b
−
a
4
)
5
1440
f
(
4
)
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {103\left({\frac {b-a}{4}}\right)^{5}}{1440}}f^{(4)}(\xi )}
4
1
10
3
10
5
10
7
10
9
10
{\displaystyle {\frac {1}{10}}\quad {\frac {3}{10}}\quad {\frac {5}{10}}\quad {\frac {7}{10}}\quad {\frac {9}{10}}}
275
1152
100
1152
402
1152
100
1152
275
1152
{\displaystyle {\frac {275}{1152}}\quad {\frac {100}{1152}}\quad {\frac {402}{1152}}\quad {\frac {100}{1152}}\quad {\frac {275}{1152}}}
5575
(
b
−
a
5
)
7
193
536
f
(
6
)
(
ξ
)
{\displaystyle {\frac {5575\left({\frac {b-a}{5}}\right)^{7}}{193\,536}}f^{(6)}(\xi )}
Für
n
=
6
{\displaystyle n=6}
gilt
∑
i
=
0
n
|
w
i
|
=
1,363
…
{\displaystyle \sum _{i=0}^{n}|w_{i}|=1{,}363\dots }
Für
n
=
8
{\displaystyle n=8}
gilt
∑
i
=
0
n
|
w
i
|
=
3,433
…
{\displaystyle \sum _{i=0}^{n}|w_{i}|=3{,}433\dots }
Beispiel :
∫
1
3
1
x
d
x
=
ln
(
3
)
−
ln
(
1
)
=
ln
(
3
)
=
1,098
612
…
{\displaystyle \int \limits _{1}^{3}{\frac {1}{x}}\,dx=\ln(3)-\ln(1)=\ln(3)=1{,}098612\dots }
Näherung mit der Formel für
n
=
2
{\displaystyle n=2}
. Es gilt
h
=
b
−
a
n
+
1
=
2
3
{\displaystyle h={\frac {b-a}{n+1}}={\frac {2}{3}}}
und
x
0
=
a
+
h
2
=
4
3
{\displaystyle x_{0}=a+{\frac {h}{2}}={\frac {4}{3}}}
.
∫
1
3
p
2
(
x
)
d
x
=
2
⋅
(
3
8
f
(
4
3
)
+
2
8
f
(
6
3
)
+
3
8
f
(
8
3
)
)
=
2
⋅
(
3
8
⋅
3
4
+
2
8
⋅
3
6
+
3
8
⋅
3
8
)
=
105
96
=
1,093
75
{\displaystyle \int \limits _{1}^{3}p_{2}(x)\,dx=2\cdot \left({\frac {3}{8}}f\!\left({\frac {4}{3}}\right)+{\frac {2}{8}}f\!\left({\frac {6}{3}}\right)+{\frac {3}{8}}f\!\left({\frac {8}{3}}\right)\right)=2\cdot \left({\frac {3}{8}}\cdot {\frac {3}{4}}+{\frac {2}{8}}\cdot {\frac {3}{6}}+{\frac {3}{8}}\cdot {\frac {3}{8}}\right)={\frac {105}{96}}=1{,}09375}
Verfahrensfehler : Mit
f
(
4
)
(
ξ
)
=
4
!
ξ
5
{\displaystyle f^{(4)}(\xi )={\frac {4!}{\xi ^{5}}}}
erhält man
E
(
f
)
=
21
640
⋅
(
2
3
)
5
⋅
4
!
ξ
5
=
14
135
⋅
1
ξ
5
{\displaystyle E(f)={\frac {21}{640}}\cdot \left({\frac {2}{3}}\right)^{5}\cdot {\frac {4!}{\xi ^{5}}}={\frac {14}{135}}\cdot {\frac {1}{\xi ^{5}}}}
mit
ξ
∈
[
1
,
3
]
{\displaystyle \xi \in [1,3]}
.
Fehlerabschätzung :
|
E
(
f
)
|
≤
14
135
⋅
max
1
≤
ξ
≤
3
|
1
ξ
5
|
=
14
135
⋅
1
1
=
0
,
1
037
¯
{\displaystyle |E(f)|\leq {\frac {14}{135}}\cdot \max _{1\leq \xi \leq 3}\left|{\frac {1}{\xi ^{5}}}\right|={\frac {14}{135}}\cdot {\frac {1}{1}}=0{,}1{\overline {037}}}
Exakter Fehler :
|
E
(
f
)
|
=
|
∫
1
3
1
x
d
x
−
∫
1
3
p
2
(
x
)
d
x
|
=
|
1,098
612
…
−
1,093
75
|
=
0,000
486
…
<
0
,
1
037
¯
{\displaystyle |E(f)|=\left|\int \limits _{1}^{3}{\frac {1}{x}}\,dx-\int \limits _{1}^{3}p_{2}(x)\,dx\right|=|1{,}098612\ldots -1{,}09375|=0{,}000486\ldots <0{,}1{\overline {037}}}