Ostatnie trzy wykłady poświęcimy numerycznemu całkowaniu funkcji
wielu zmiennych. Dokładniej, dla danej funkcji
Zakładamy, że powyższa całka istnieje.
W ogólniejszym sformułowaniu, chcielibyśmy obliczyć całkę
z wagą
Waga
Zauważmy, że ograniczenie się w ostatnim przypadku do
Zadanie całkowania funkcji wielu zmiennych ma ogromne znaczenie praktyczne i dlatego warto znać skuteczne metody numeryczne jego rozwiązywania.
Wycena obecnej wartości wielu instrumentów finansowych, w tym
tzw. opcji, opiera się na założeniu, że przyszłe ceny podlegają
losowym zmianom kolejnych odcinkach czasowych. Obecna wartość
opcji obliczana jest jako wartość oczekiwana funkcji wypłaty.
Odpowiada to obliczaniu całki oznaczonej funkcji
przy czym
Z podstawowego wykładu z metod numerycznych każdy z nas wie jak numerycznie całkować funkcje jednej zmiennej. Stosowane metody w znakomitej większości przypadków sprowadzają się do scałkowania funkcji, która jest kawałkami wielomianem określonego stopnia interpolującym funkcję podcałkową. Pomysł ten może być uogólniony na przypadek funkcji wielu zmiennych. Aby jednak mówić o kwadraturach interpolacyjnych w wielu wymiarach, musimy najpierw zastanowić się nad rozwiązywalnością odpowiedniego zadania interpolacyjnego.
Niech
Jeśli
gdzie
(przy czym
W tym celu zakładamy, że na każdej współrzędnej dany jest przedział,
a w nim układ
Oznaczając przez
dla wszystkich
Wielomiany
gdzie
Jeśli wielomian
Dowód przeprowadzimy przez indukcję ze względu na wymiar
Niech
Wielomian ten zeruje się w
gdzie współczynniki
oraz stosując założenie indukcyjne mamy, że
Lemat 13.1 wykorzystamy do pokazania następującego twierdzenia.
Wielomiany
Zauważmy, że podobnie jak w przypadku
Stąd, jeśli kombinacja liniowa
czyli układ
(13.1) |
Rzeczywiście, w przeciwnym przypadku różnica wielomianu
Stąd już jeden krok do następującego wniosku podsumowującego nasze dotychczasowe rozważania. Niech
będzie
Dla dowolnej funkcji
jest jedynym wielomianem w
dla wszystkich
Zastanówmy się teraz jaki jest błąd otrzymanej interpolacji.
Dla uproszczenia będziemy od teraz zakładać, że
gdzie
jest pewną ustaloną siatką na odcinku jednostkowym.
W przypadku skalarnym, o ile funkcja
przy czym
(13.2) |
gdzie
Załóżmy, że zamiast dokładnych wartości
(13.3) |
Niech dalej
gdzie
Stąd i z formuły na błąd interpolacji dla dokładnych danych otrzymujemy
(13.4) |
Wprowadzimy jeszcze klasę
Niech
gdzie
Rozpatrzymy tylko
Dla
(13.5) |
Zauważmy, że dla ustalonych z kolei pierwszych
Jesteśmy już dobrze uzbrojeni w mechanizm interpolacyjny
i możemy zdefiniować wielowymiarowe kwadratury interpolacyjne
dla całkowania funkcji
Kwadratury te dane są równością
(13.6) |
gdzie
Chociaż postać (13.6) kwadratury znakomicie nadaje się do rozważań teoretycznych, nie jest jednak praktyczna ze względu na obliczenia. Zauważmy, że
gdzie
kwadraturę interpolacyjną można zapisać w postaci
Zauważmy, że
Na koniec tego podrozdziału podamy oszacowanie błędu
kwadratury
z twierdzenia 13.2 natychmiast otrzymujemy następujący wniosek.
Jeśli
Podobnie jak w przypadku funkcji jednej zmiennej, definiujemy
kwadratury złożone dla funkcji wielu zmiennych. Dla uproszczenia
zakładamy, że całkujemy po kostce jednostkowej
Dla danego
Następnie na każdej podkostce stosujemy prostą kwadraturę
interpolacyjną opartą na siatce regularnej składającej się
z
Jeśli bazową kwadraturą jednowymiarową jest reguła punktu środkowego,
to wynikową kwadraturą złożoną na
Nasze rozważania wieńczy twierdzenie o błędzie kwadratury złożonej, które natychmiast wynika z wniosku 13.2 oraz sposobu konstrukcji kwadratury.
Kwadratura złożona
wartości funkcji
Złożone kwadratury interpolacyjne mogą być z powodzeniem
stosowane dla niskich wymiarów, powiedzmy
To jednak nie koniec złych wiadomości. Przyjrzyjmy się
jeszcze błędowi złożonej kwadratury interpolacyjnej.
Twierdzenie 13.3 mówi, że błąd ten jest
ograniczony z góry proporcjonalnie do
Załóżmy, że chcemy całkować funkcję
Rzeczywiście jest tak źle, a nawet gorzej. Okazuje się, że
rzędu zbieżości
Istnieje
Załóżmy, że dana aproksymacja całki oblicza wartości
funkcji w punktach
dla pewnej
Wybierzmy
Niech dalej
Każdej kostce
naszej regularnej siatki przyporządkujemy funkcję
Zauważmy, że
Jasne jest, że istnieje co najmniej
Wtedy obie funkcje zerują się w
Podstawiając
Opisane zjawisko nosi nazwę przekleństwa wymiaru.
Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.
strona główna | webmaster | o portalu | pomoc
© Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW, 2009-2010. Niniejsze materiały są udostępnione bezpłatnie na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa-Użycie niekomercyjne-Bez utworów zależnych 3.0 Polska.
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.