高斯型多维积分公式

高中数学高斯积分高斯积分是数学中的一个重要概念，它在高中数学中也是一个常见的考点。

高斯积分是对高斯函数的积分运算。

在解决一些复杂的数学问题时，高斯积分经常发挥着重要的作用。

高斯积分的表达式为∫e^(-x^2)dx，其中e是自然对数的底数，x 为变量。

这个积分在数学中非常有特殊性，它的积分结果不能用有限的初等函数来表示，因此只能用一个特殊的函数来定义，即高斯函数。

高斯积分常常出现在概率论、统计学和量子力学等领域的计算中。

在概率论中，高斯积分被用来计算正态分布的概率密度函数。

在统计学中，高斯积分则用来计算样本均值的概率分布。

在量子力学中，高斯积分是计算波函数的模长平方的重要工具。

高斯积分的计算方法有多种，其中一种常见的方法是使用换元法。

通过适当的变量替换，可以将高斯积分转化为标准的形式，从而简化计算过程。

另外，高斯积分还有一些特殊的性质，比如它是奇函数的积分结果为0，对称轴为x轴的高斯函数的积分结果等于对称轴为y轴的高斯函数的积分结果。

在解决实际问题时，高斯积分也经常被应用。

比如在计算机图像处理中，高斯积分可以用来进行图像的模糊处理。

当我们希望对图像进行模糊处理时，可以通过对图像进行高斯滤波来实现。

高斯积分可以帮助我们计算滤波器的权重，从而得到模糊效果。

除了在数学和应用领域中的重要性，高斯积分还具有一些有趣的性质。

例如，高斯积分在实数轴上的积分结果等于π的平方根。

这个性质不仅令人惊奇，也反映了高斯函数的特殊性。

高斯积分是数学中一个重要的概念，它在高中数学中被广泛应用。

高斯积分的计算方法和应用领域多种多样，包括概率论、统计学和量子力学等。

它在解决实际问题时发挥着重要的作用，同时也具有一些有趣的性质。

对高斯积分的理解和运用，不仅可以提高数学水平，还可以帮助我们更好地理解和应用数学知识。

⾼斯求积公式⽬录数值积分考虑带权的积分如下：∫b a f(x)w(x)dx其中w(x)≥0,∫b a w(x)dx>0 称为权。

⼀般的数值积分公式有如下的形式：∫b a w(x)f(x)dx≈n∑i=0w i f(x i)即⽤n+1 个函数值的加权和来近似积分的值。

以x i(i=0,1,⋯,n) 为节点的拉格朗⽇(Langrange)插值多项式为：L n(x)=n∑i=1f(x i)l i(x)l i(x)是拉格朗⽇插值基函数，则：f(x)=L n(x)+R[f],R[f]=1(n+1)!f(n+1)(ξ)(x−x0)(x−x1)⋯(x−x n)∫b a w(x)f(x)dx=n∑i=0∫b a w(x)l i(x)dx f(x i)+∫b a w(x)R[f]dx⼀般我们取w i=∑n i=0∫b a w(x)l i(x)dx，则数值积分公式的误差就是上式等号右侧的第⼆项，当f(x) 是不超过n次的多项式时，容易看出误差为0。

若数值积分公式对不超过k次的多项式精确成⽴，我们就称它的代数精度为k。

所以上述数值积分公式的代数精度⾄少为n。

数值积分公式中含有n+1 个w i和n+1个x i，共2n+2 个⾃由度，所以可以想象通过适当选取节点x i，它的代数精度最多可以为2n+1 。

我们把具有2n+1 次代数精度的求积公式称为⾼斯求积公(GaussianQuadrature)，其节点x i(i=0,1,⋯,n) 称为⾼斯点。

正交多项式与⾼斯点称多项式p(x),q(x) （带权）正交如果：∫b a w(x)p(x)q(x)dx=0假设以x i(i=0,1,⋯,n) 为零点的多项式p(x)=(x−x0)(x−x1)⋯(x−x n) 与任何不超过n次的多项式正交，由多项式的带余除法可知，对于不超过2n+1次的多项式f(x) ，有不超过n次的多项式q(x),r(x) 使得：f(x)=p(x)q(x)+r(x)那么：∫b a w(x)f(x)dx=∫b a w(x)p(x)q(x)dx+∫b a w(x)r(x)dx=∫b a w(x)r(x)dx=n∑i=0w i r(x i)⼜：()f(x i)=p(x i)q(x i)+r(x i)=r(x i)所以：∫b a w(x)f(x)dx=n∑i=0w i f(x i)通过这种⽅式，我们发现只要选取节点为正交多项式的零点就可以得到⾼斯求积公式。

重积分的高斯积分和狄利克雷积分重积分是微积分中的重要分支之一，它可以用来求解在三维空间中的体积、质量、重心、转动惯量等问题。

而其中的高斯积分和狄利克雷积分是重积分中比较常见的两种类型。

在本文中，我们将详细讨论这两种积分的定义、性质以及应用。

一、高斯积分高斯积分也称为三重积分，它是一种在三维空间中对于标量或矢量场的积分。

它的表达式为：$\iiint_{\Omega}f(x,y,z)dV$其中，$\Omega$是积分区域，$dV$表示三维空间中的体积元素，$f(x,y,z)$是被积函数。

高斯积分在物理学、工程学以及数学分析等领域中都有广泛的应用。

在物理学中，它可以用来求解电场、磁场等问题；在工程学中，它可以用来求解流体动力学、结构力学等问题。

在数学分析中，它则可以用来求解曲面积分、体积积分等。

由于高斯积分的计算比较复杂，常常需要利用公式或特殊性质进行简化。

以下是一些常用的高斯积分公式：1.球面高斯积分公式$\iiint_{\Omega}f(x,y,z)dV=\int_{0}^{R}\int_{0}^{\pi}\int_{0}^{ 2\pi}f(r\sin\theta\cos\phi,r\sin\theta\sin\phi,r\cos\theta)r^2\sin\thetad\phi d\theta dr$其中，$R$是球的半径。

2.柱面高斯积分公式$\iiint_{\Omega}f(x,y,z)dV=\int_{a}^{b}\int_{0}^{2\pi}\int_{h(x, y)}^{g(x,y)}f(x,y,z)rdzd\theta dr$其中，$a$和$b$表示柱体的上下底面，$h(x,y)$和$g(x,y)$分别表示左右侧面的方程，$r=\sqrt{x^2+y^2}$是柱体的半径。

二、狄利克雷积分狄利克雷积分是一种对于无限积分的形式变换。

它的定义为：$\int_{-\infty}^{\infty}\frac{f(x)}{\sqrt{x^2+a^2}}dx=\pi e^{-a}f(i a)+\pi e^{a}f(-i a)$其中，$a$是常数，$f(x)$是定义在实数轴上有界的连续函数。

G a u s s型积分公式-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1摘要求函数在给定区间上的定积分，在微积分学中已给出了许多计算方法，但是，在实际问题计算中，往往仅给出函数在一些离散点的值，它的解析表达式没有明显的给出，或者，虽然给出解析表达式，但却很难求得其原函数。

这时我们可以通过数值方法求出函数积分的近似值。

当然再用近似值代替真实值时，误差精度是我们需要考虑因素，但是除了误差精度以外，还可以用代数精度来判断其精度的高低。

已知n+1点的Newton-Cotes型积分公式，当n为奇数时，其代数精度为n；当n为偶数时，其代数精度达到n+1。

若对随机选取的n+1个节点作插值型积分公式也仅有n次代数精度。

如何选取适当的节点，能使代数精度提高Gauss型积分公式可是实现这一点，但是Gauss型求积公式，需要被积函数满足的条件是正交，这一条件比较苛刻。

因此本实验将针对三种常用的Gauss型积分公式进行讨论并编程实现。

关键词：Newton-Cotes型积分公式正交多项式代数精度1、实验目的1)通过本次实验体会并学习Gauss型积分公式，在解决如何取节点能提高代数精度这一问题中的思想方法。

2)通过对Gauss型积分公式的三种常见类型进行编程实现，提高自己的编程能力。

3)用实验报告的形式展现，提高自己在写论文方面的能力。

2、算法流程下面介绍三种常见的Gauss型积分公式1)高斯-勒让德（Gauss-Legendre）积分公式勒让德（Legendre）多项式如下定义的多项式称作勒让德多项式。

由于是次多项式，所以是n次多项式，其最高次幂的系数与多项式的系数相同。

也就是说n 次勒让德多项式具有正交性即勒让德多项式是在上带的n次正交多项式，而且这时Gauss 型积分公式的节点就取为上述多项式的零点，相应的Gauss型积分公式为12此积分公式即成为高斯-勒让德积分公式。

其中Gauss-Legendre 求积公式的系数其中k 的取值范围为Gauss 点和系数不容易计算，但是在实际计算中精度要求不是很高，所以给出如下表所示的部分Gauss 点，在实际应用中只需查表即可。

Gauss型（Gaussianquadrature）求积公式和⽅法⽬录0、Gauss型积分通⽤形式1、Gauss–Legendre quadrature勒让德2、Gauss–Laguerre quadrature拉盖尔——积分区间[0，inf]3、Chebyshev–Gauss quadrature切⽐雪夫0、Gauss型积分通⽤形式The integration problem can be expressed in a slightly more general way by introducing a positive weight functionω into the integrand（被积函数）, and allowing an interval other than（除了，不同于） [−1, 1]. That is, the problem is to calculatefor some choices of a, b, and ω. For a = −1, b = 1, and ω(x) = 1, the problem is the same as that considered above（勒让德问题）. Other choices lead to other integration rules. Some of these are tabulated（列表） below.1、Gauss–Legendre quadrature勒让德——积分区间[-1，1]The most common domain of integration for such a rule is taken as [−1, 1], so the rule is stated aswhich is exact for polynomials of degree 2n − 1 or less. This exact rule is known as the Gauss-Legendre quadrature rule. The quadrature rule will only be an accurate approximation to the integral above if f(x) is well-approximated by a polynomial of degree 2n − 1 or less on [−1, 1]. The Gauss-Legendre quadrature rule is not typically used for integrable functions with endpoint singularities.（端点奇点）（1）基本概念注：P0没有根（与x轴⽆交点），P1有1个根（与x轴有⼀个交点），P2有2个根（与x轴有两个交点），。

高斯积分公式及推广
高斯积分公式是上世纪拉格朗日在求解经典古代力学中的微分方程的问题时发
现的一组不可积分函数的定积分求解公式，因德国数学家G.F.B.Riemann提出，故又称拉格朗日-高斯积分公式。

所谓高斯积分公式，就是把一个形如∫f(x)dx 的无穷积分用拉格朗日-高斯
积分公式变形后，使其转换为一个具有特定、有计算意义的无穷和，从而求出该无穷积分的结果。

高斯积分公式有两个形式，一种叫做Leibniz公式，另一种叫做Cauchy公式。

它们都有不同的推广形式，如Gauss-Jacobi积分公式和Gauss-Legendre积分等。

特别是Gauss-Legendre积分等，它更特殊，是用于几何空间定义形式、计算无穷
积分的一般积分公式，可以用它来求解具有几何意义的定积分问题。

高斯积分公式最终导出的结果是求解出无穷积分用有限普通求和运算得到一种
特殊函数和结果，它既节约了计算耗费，而且计算准确度还是比较高的，这样从几何意义上讲，也是一种成功的突破。

在科学计算中，它的许多应用为众多的计算机应用提供了可靠的支撑。

总之，高斯积分公式有其独特的特性和巨大的实践意义，从多角度都受到大家
的热捧。

通过对高斯积分公式的探究，可以让我们了解数学、理解科学，并进一步加深我们对宇宙认识的理解。

高等数学高斯公式
高斯公式是数学中的一项重要公式，它是数学家高斯（Carl Friedrich Gauss）在18世纪初提出的。

这个公式在数学、物理和工程等领域中有广泛的应用，尤其是在概率论和统计学中起到了重要的作用。

高斯公式的全称是高斯-勒让德公式（Gauss-Legendre Formula），它用于计算定积分的近似值。

定积分是微积分中的重要概念，用于求解曲线下面的面积或者曲线与坐标轴之间的有界区域的面积。

而高斯公式则可以通过一系列的近似计算来得到定积分的近似值，从而解决实际问题。

高斯公式的表达形式如下：
∫(a,b) f(x)dx ≈ Σ[w(i) * f(x(i))]
其中，∫(a,b) f(x)dx表示在区间[a,b]上的函数f(x)的定积分，Σ表示求和，w(i)和x(i)分别表示权重和节点。

通过选择合适的权重和节点，可以使得高斯公式的近似值更加精确。

高斯公式的核心思想是将定积分转化为一系列的加权求和。

通过选择合适的权重和节点，可以使得近似值的误差最小化。

在实际应用中，通常使用数值计算方法来计算高斯公式的近似值。

高斯公式的优点在于它的收敛速度较快，可以在相对较少的节点上得到较高的精度。

这使得高斯公式成为计算定积分的一种重要工具。

在数值积分领域中，高斯公式有很多变种，如高斯-勒让德公式、高斯-拉盖尔公式、高斯-赫尔米特公式等。

高斯积分点及其权重高斯积分点（Gaussian quadrature）是一种精确计算定积分的方法，它通过在一定的区间内选择特定的积分点和相应的权重系数，可有效提高积分的精度。

高斯积分点的数量与区间大小相关，积分点越多，则积分精度越高。

在实际应用中，高斯积分点已被广泛应用于数值分析、信号处理、图像处理等领域。

一、一维高斯积分在一维情况下，计算定积分的公式为：$\int_{-1}^{1} f(x)dx \approx \sum_{i=1}^{n}w_{i}f(x_i)$其中$n$为积分点的数量，$x_i$为积分点，$w_i$为权重系数。

在高斯积分中，$n$个积分点的位置和权重系数都是固定的，因此可以先预先计算出它们的值，然后直接套用式子进行计算。

以2个积分点的高斯积分为例，积分点的位置为$x_1=-0.57735$,$x_2=0.57735$，权重系数为$w_1=w_2=1$。

在计算积分时，只需将函数在积分点的值乘以相应的权重系数，然后相加即可得到积分的值。

二、二维高斯积分在二维情况下，计算定积分的公式为：$\int_{-1}^{1}\int_{-1}^{1}f(x,y)dxdy \approx\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}w_{i}w_{j}f(x_i,x_j)$其中$n$为积分点的数量，$(x_i,x_j)$为二维积分点的位置，$w_i$和$w_j$为权重系数。

在高斯积分中，二维积分点的位置和权重系数也是固定的，因此可以先预先计算出它们的值，然后直接套用式子进行计算。

以2个积分点的高斯积分为例，积分点的位置和权重系数如下所示：$(x_1,x_2)=(-0.57735,-0.57735)$，$(x_3,x_4)=(-0.57735,0.57735)$，$(x_5,x_6)=(0.57735,-0.57735)$，$(x_7,x_8)=(0.57735,0.57735)$；$w_1=w_2=w_3=w_4=0.25$，$w_5=w_6=w_7=w_8=0.25$。

高斯-勒让德积分公式
作为代数学的一部分内容，高斯-勒让德积分公式具有重要价值。

高斯-勒让德积分公式又称椭圆积分，是一种特殊的积分形式，由德国数学家高斯（Gauss）和法国数学家勒让德（Legendre）两人独立发现并推导得出。

高斯-勒让德积分公式的一般形式为∫(dx/√(a^2x^2-b^2c^2))，其中a、b、c都是常数，x是变量。

在现实中，我们会看到许多这样的公式出现在物理，工程和其他科学领域的计算中，比如椭圆轨道的面积计算，以及电学和磁学中的一些问题。

此外，高斯-勒让德积分公式还有一种等价的形式，即通常所说的椭圆积分，形式为∫(dx/√(1-k^2sin^2φ))，其中φ是角度，k是偏度参数，也是一个常数。

根据高斯-勒让德积分公式，我们可以推导出其他一些重要的积分公式和恒等式，这在数学研究和实际应用中具有重要的作用。

例如，可以通过积分变换将其转化为某些特殊函数的积分，进一步计算出所需的结果。

需要指出的是，不同的场合，高斯-勒让德积分公式需要配合相应的推导方式来求解。

在使用的过程中，需要具备一定的数学技巧和知识。

总的来说，高斯-勒让德积分公式以其独特的形式，为解决复杂问题提供了有效的工具，具有广泛的应用价值。