数值微积分
牛顿-科茨与高斯求积公式数值计算定积分,欧拉法、龙格-库塔法数值求解 ODE,有限差分法离散 PDE。
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01定义
把连续的积分与微分方程交给离散算术:求积公式用加权和逼近定积分,ODE 求解器用步进格式推进解,有限差分把导数换成差商——误差阶与稳定性是评价一切离散格式的两大标尺。
02核心要点
01
求积公式
牛顿-科茨用等距节点(梯形、辛普森);高斯求积选 个非均匀节点达到 次代数精度——节点与权重一起优化,精度翻倍。
02
ODE 步进格式
欧拉法一阶、RK4 四阶;隐式法(后向欧拉、BDF)牺牲每步求解代价换取刚性稳定;自适应步长用嵌入对估计局部误差自动调速。
03
PDE 的差分格式
热方程用显式格式受 CFL 条件限制(),隐式 Crank-Nicolson 无条件稳定但每步解线性系统——格式选择 = 精度、稳定、成本三方权衡。
03关键公式
04历史沿革
牛顿与科茨 17 世纪末建立求积公式;高斯 1814 年给出最优节点;库塔 1901 年提出四阶格式,至今仍是 ODE 求解的默认选择。
05应用与延伸
轨道力学与航天轨迹计算、化学反应动力学的刚性 ODE、金融 PDE 定价的有限差分实现、物理引擎的实时仿真。
06交互演示
梯形法则:分段梯形逼近积分增多分段:逼近误差快速下降