נוסחת אוילר-מקלורן

נוסחת אוילר-מקלורן היא נוסחה, שמחשבת את ההפרש בין אינטגרל מסוים והטור שקשור אליו. ניתן להשתמש בה בכדי לתת קירוב לאינטגרלים מסוימים על ידי סכומים סופיים, או להפך להעריך סכומים סופיים וסדרות אינסופיות באמצעות אינטגרלים ומכונות החשבון. לדוגמה, הרחבות אסימפטומטיות רבות נגזרות מהנוסחה, והנוסחה של ברנולי לסכום חזקות של מספרים עוקבים היא תוצאה מיידית.

הנוסחה התגלתה באופן עצמאי על ידי לאונהרד אוילר וקולין מקלורן בסביבות 1735. אוילר נזקק לזה בכדי לחשב סדרות אינסופיות המתכנסות באטיות, בעוד שמקלורן השתמש בה לחישוב אינטגרלים. מאוחר יותר הוא הוכלל לנוסחה של דרבוקס, שניהם לא הצילחו לבטא את שארית השגיאה

רקע תאורטי

אינטגרל מסוים $I=\int _{a}^{b}f(x)dx$ מחשב את השטח שמתחת לגרף של פונקציה $f(x)$ כאשר $f(x)$ היא פונקציה אינטגרבלית.

אינטגרל מסוים כשטח שמתחת לגרף בין [a,b].

בשביל לקבל קירוב לשטח נחלק את השטח למלבנים קטנים שפאה אחת של כל מלבן תהיה תת-קטע של הקטע [a,b] והפאה האנכית לה תהיה הערך של הפונקציה באחד הערכים שנמצאים בתת-הקטע שבחרנו. ניקח כל מלבן שיצרנו נחשב את שטחו שזה פשוט אורך כפול רוחב ונסכום את השטחים.

בעזרת השיטה הזאת שנקראת סכומי דארבו אפשר להגדיר אינטגרל מסוים (להרחבה אינטגרל מסוים) אנחנו נתמקד רק בקירוב שיצרנו ובמקרה בו a וb הם שלמים.

במקרה הזה נבחר לחלק את הקטע [a,b] לתת קטעים כאשר לכל $x>a,x+1<b,x\in \mathrm {N}$, [x,x+1] הוא תת-קטע שלנו.

אם נבחר את x להיות הערך עבורו נחשב את גובה המלבן אז יצא לנו שסכום דארבו שקיבלנו יהיה הסכום הבא: $\sum _{x=a}^{b-1}f(x)$ ואם נבחר בכל מלבן דווקא את הערך ב-x+1 נקבל את הסכום הבא: $\sum _{x=a+1}^{b}f(x)$.

הנוסחה

אם m,n הם מספרים טבעיים ו-$f(x)$ היא פונקציה ממשית או מורכבת רציפה לכל מספר ממשי הגדול מ- n וקטן מ- m אז האינטגרל:

$I=\int _{m}^{n}f(x)$

יכול להיות מקורב לפי הטור (או הטור לפי האינטגרל):

$$S=f(m+1)+f(m+2)...+f(n-1)+f(n)=\sum _{x=m+1}^{n}f(x)$$

נוסחת אוילר-מקלורן נותנת בצורה מפורשת את ההפרש בין הטור S לאינטגרל בעזרת הנגזרות של $f(x)$.

משמעות הנוסחה היא, שעבור $p$ מספר שלם חיובי ופונקציה $f(x)$ הניתנת לגזירה ברציפות $p$ פעמים בקטע $[m,n]$, מתקיים:

$$S-I=\sum _{k=1}^{p}{{\frac {B_{k}}{k!}}(f^{(k-1)}(n)-f^{(k-1)}(m))}+R_{p},$$

כאשר ${B_{k}}$ הוא מספר ברנולי ה-k (כאשר $B_{1}=0.5$) $f^{(k-1)}$היא הנגזרת מסדר k-1 של $f(x)$ ו-$R_{p}$ הוא שארית השגיאה והוא תלוי ב-n,p,m.

מפני שמספרי ברנולי במקומות האי זוגיים שווים ל־0 (חוץ מ-$B_{1}$) אפשר לרשום את הנוסחה גם בצורות הבאות:

$$\sum _{i=m}^{n}f(i)=\int _{m}^{n}f(x)\,dx+{\frac {f(n)+f(m)}{2}}+\sum _{k=1}^{\lfloor p/2\rfloor }{\frac {B_{2k}}{(2k)!}}(f^{(2k-1)}(n)-f^{(2k-1)}(m))+R_{p}$$

או

$$\sum _{i=m+1}^{n}f(i)=\int _{m}^{n}f(x)\,dx+{\frac {f(n)-f(m)}{2}}+\sum _{k=1}^{\lfloor p/2\rfloor }{\frac {B_{2k}}{(2k)!}}(f^{(2k-1)}(n)-f^{(2k-1)}(m))+R_{p}$$

שארית השגיאה

$$R_{p}=(-1)^{p+1}\int _{m}^{n}f^{(p)}(x){\frac {P_{p}(x)}{p!}}\,dx$$

כאשר ${P_{k}}(x)={B_{k}}(x-\lfloor x\rfloor )$ ו-$B_{k}$ הוא מספר ברנולי.

קישורים חיצוניים

• נוסחת אוילר-מקלורן, באתר MathWorld (באנגלית)   

הערות שוליים

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

31919238נוסחת אוילר-מקלורן