使用Python中的NumPy对Hermite数列进行积分,并在积分常数加入前将结果乘以一个标量

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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.hermgaussnumpy.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。