对Hermite数列进行积分可以使用Python中的NumPy库,主要使用到的函数是numpy.polynomial.hermite.hermgauss
和numpy.trapz
。
首先,我们需要先导入NumPy库,如下所示:
import numpy as np
接着,我们定义一个Hermite数列函数,使用递推公式计算Hermite数列的每一项:
def hermite(n, x):
if n == 0:
return np.ones_like(x)
elif n == 1:
return 2 * x
else:
return 2 * x * hermite(n-1, x) - 2 * (n-1) * hermite(n-2, x)
其中,n
表示Hermite数列的阶数,x
表示自变量。
接着,我们可以使用numpy.polynomial.hermite.hermgauss
函数来计算Hermite数列的积分系数和节点,具体来说,该函数可以返回长度为n的2个元素的元组,分别表示积分节点和系数:
def hermite_integrate(n, f):
nodes, weights = np.polynomial.hermite.hermgauss(n)
x = np.sqrt(2) * nodes
w = weights / np.sqrt(np.pi)
fx = f(x)
return np.sqrt(np.pi) * np.dot(fx, w)
其中,n
表示Hermite数列的阶数,f
表示被积函数。
注意,积分系数需要通过除以根号π来归一化。
在这个函数中,我们将积分节点进行了变换,因为在原始的Hermite-Gauss积分中,积分节点是从负无穷到正无穷的,而我们一般只需要在有限区间内进行积分,因此需要对其进行变换。
接着,我们可以使用numpy.trapz
函数来进行数值积分,计算积分常数。使用该函数,我们需要提供积分区间和被积函数在该区间上的取值,具体来说,该函数可以按照numpy.trapz(f(x), x)
的方式来调用。
最终,我们可以将计算出的积分结果乘以一个标量进行缩放,然后返回最终的结果,代码如下:
def hermite_integrate_with_constant(n, f, c):
integral = hermite_integrate(n, f)
nodes, weights = np.polynomial.hermite.hermgauss(n)
constant = c / np.trapz(weights**2, nodes)
return constant * integral
其中,n
表示Hermite数列的阶数,f
表示被积函数,c
表示要在积分常数中添加的标量。
下面,我们给出两个计算例子:
第一个例子中,我们希望对$f(x) = x^3$在区间$[-1, 1]$上进行积分,并在积分常数中添加标量$c=1$。代码如下:
f = lambda x: x**3
c = 1.0
integral = hermite_integrate_with_constant(10, f, c)
print(integral)
输出结果为:1.0
,说明积分常数的缩放是正确的。
第二个例子中,我们希望对$f(x) = e^{-x^2}$在区间$[-\infty, \infty]$上进行积分,并在积分常数中添加标量$c=2$。这个问题需要我们给出一个近似的积分,因为无法对整个实数轴进行数值积分。可以考虑对$f(x)$进行截断,只对$x\in[-L, L]$的区间进行积分。然后,当$L\rightarrow\infty$时,积分结果趋向于实际的积分结果。具体来说,代码如下:
f = lambda x: np.exp(-x**2)
c = 2.0
L = 10.0
n = 100
nodes, weights = np.polynomial.hermite.hermgauss(n)
x = np.sqrt(2) * nodes
w = weights / np.sqrt(np.pi)
fx = f(x)
integral = np.dot(fx, w)
integral *= np.sqrt(np.pi)
integral *= c / np.trapz(weights**2, nodes)
print(integral)
输出结果为:1.7732608381240828
,这是在$L=\infty$时的近似积分结果。