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과학

리처드슨 외삽법

리처드슨 외삽법과학
영문명
Richardson extrapolation
입력
서로 다른 간격의 근삿값
핵심 가정
주도 오차항의 차수
목표
h=0 극한값의 더 나은 근사
리처드슨 외삽법은 서로 다른 간격에서 얻은 근삿값을 결합해 주된 오차항을 제거하는 방법이다. 간격 h가 0으로 갈 때 오차가 어떤 거듭제곱 형태로 줄어드는지 이용한다. 수치 미분이나 수치적분의 정확도를 높이는 데 사용한다.

같은 오차항을 약분하기

근삿값이 F(h)=L+chᵖ+더 작은 항으로 표현된다고 하자. F(h/2)의 주된 오차는 chᵖ/2ᵖ다. 따라서 (2ᵖF(h/2)-F(h))/(2ᵖ-1)로 결합하면 chᵖ 항이 사라진다. p는 임의로 정하는 숫자가 아니라 사용한 근사 공식의 오차 구조에서 얻는다.

전진 차분에 적용하기

f(x)=x²의 x=3에서의 전진 차분은 ((3+h)²-9)/h = 6+h다. h=0.4에서는 6.4, h=0.2에서는 6.2가 된다. 주도 오차가 h에 비례하므로 2×6.2-6.4=6을 얻고 이 예제에서는 정확한 미분값과 같다.

중앙 차분에서는 계수가 다르다

f(x)=x³의 x=1에서 중앙 차분은 ((1+h)³-(1-h)³)/(2h) = 3+h²다. h=0.2와 0.1에서 각각 3.04와 3.01이다. 이번에는 p=2이므로 (4×3.01-3.04)/3=3으로 결합한다. 앞 예제의 계수 2를 그대로 쓰면 오차항을 제거하지 못한다.

오차가 항상 없어지는 것은 아니다

두 다항식 예제에서는 제거 뒤 남을 항이 없어 정확한 값이 나왔다. 일반 함수에서는 더 높은 차수의 오차가 남는다. 간격이 지나치게 작아 반올림 오차가 지배하거나 가정한 오차 전개가 성립하지 않으면 외삽도 기대만큼 개선되지 않을 수 있다.

관련 문서

수치 미분 / 사다리꼴 공식 / 심프슨 공식 / 적응형 구적법 / 극한 / 다항식 / 부동소수점