一阶牛顿-柯特斯闭型积分公式称为梯形法则(trapezoidal rule),下面先介绍
牛顿-柯特斯公式。
牛顿-柯特斯公式(Newton-Cotes formulas)是一种常用的
数值积分公式。它的基本策略是用另一个易于积分的近似函数替换被积函数或表格型数据,即
n为
多项式的系数。例如,图1用一次多项式(即直线)作为近似函数;图2)用抛物线作为近似函数。
也可以将整个积分区间分成若干个等距的子区间,每个子区间上使用分段多项式来逼近函数或等距间隔的数据。例如,图3使用三个直线段与坐标轴所围成的面积来逼近积分。还可以使用更高阶的多项式去计算积分。
牛顿-柯特斯公式分为闭型(closed forms)和开型(open forms)两类。在积分过程中,如果积分区间两端的数据点是已知的,则称为闭型积分,如图4所示。反之,若积分区间超出了数据范围,则称为开型积分,如图5所示。开型公式一般不用于定积分,但可用于计算
广义积分和
常微分方程的求解。这里主要介绍闭型积分公式。
如图6所示,从几何上看,梯形法则相当于用连接 和 的直线与坐标轴所围梯形的面积来逼近积分。回顾几何的知识知,梯形的面积等于高乘以上底和下底的
算术平均值(图7))。这个概念在此依然是成立的,只是梯形的方位改变了(图8)。因此,
积分公式可近似地表示为: 宽 平均高度,或者 平均高度。