Asymptotically accurate error estimates of exponential convergence for the trapezoidal rule

In many applied problems, efficient calculation of quadratures with high accuracy is required. The examples are: calculation of special functions of mathematical physics, calculation of Fourier coefficients of a given function, Fourier and Laplace transformations, numerical solution of integral equations, solution of boundary value problems for partial differential equations in integral form, etc. For grid calculation of quadratures, the trapezoidal, the mean and the Simpson methods are usually used. Commonly, the error of these methods depends quadratically on the grid step, and a large number of steps are required to obtain good accuracy. However, there are some cases when the error of the trapezoidal method depends on the step value not quadratically, but exponentially. Such cases are integral of a periodic function over the full period and the integral over the entire real axis of a function that decreases rapidly enough at infinity. If the integrand has poles of the first order on the complex plane, then the Trefethen-Weidemann majorant accuracy estimates are valid for such quadratures. In the present paper, new error estimates of exponentially converging quadratures from periodic functions over the full period are constructed. The integrand function can have an arbitrary number of poles of an integer order on the complex plane. If the grid is sufficiently detailed, i.e., it resolves the profile of the integrand function, then the proposed estimates are not majorant, but asymptotically sharp. Extrapolating, i.e., excluding this error from the numerical quadrature, it is possible to calculate the integrals of these classes with the accuracy of rounding errors already on extremely coarse grids containing only ~ 10 steps.

Во многих прикладных задачах требуется экономичное вычисление квадратур с высокой точностью. Примерами являются: вычисление специальных функций математической физики, расчёт коэффициентов Фурье заданной функции, преобразования Фурье и Лапласа, численное решение интегральных уравнений, решение краевых задач для уравнений в частных производных в интегральной форме и т.д. Для сеточного вычисления квадратур обычно используют методы трапеций, средних и Симпсона. Обычно погрешность этих методов зависит от шага степенным образом, и для получения хорошей точности требуется большое число шагов. Однако существует ряд случаев, когда погрешность метода трапеций зависит от величины шага не квадратично, а экспоненциально. Такими случаями являются интеграл от периодической функции по полному периоду и интеграл по всей числовой прямой от функции, достаточно быстро убывающей на бесконечности. Если подынтегральная функция имеет полюса первого порядка в комплексной плоскости, то для таких квадратур справедливы мажорантные оценки точности Трефетена и Вайдемана. В работе построены новые оценки погрешности экспоненциально сходящихся квадратур от периодических функций по полному периоду. Подынтегральная функция может иметь произвольное число полюсов целого порядка на комплексной плоскости. Если сетка достаточно подробная (разрешает профиль подынтегральной функции), то предлагаемые оценки являются не мажорантными, а асимптотически точными. Экстраполируя, то есть исключая эту погрешность из численной квадратуры, можно вычислять интегралы указанных классов с точностью ошибок округления уже на чрезвычайно грубых сетках, содержащих всего ~ 10 шагов.