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📚 Gauss Hermite Quadrature Nodes Weights 計算機

專業免費的 Gauss Hermite Quadrature Nodes Weights 計算機。純前端本機毫秒級計算、零資料上傳、極致隱私保護。提供詳細公式推導、實例示範與常見問答。

即時推算結果 (Computed Output)
n = 20 物理學家慣例權函數 e^(-x^2) 下的節點與權重
專業公認計算模型,即時運算完畢
📜 計算歷史記錄 (試算軌跡)
尚無歷史記錄,每次點擊「計算」將在此留下試算軌跡...

什麼是高斯-埃爾米特求積?

高斯-埃爾米特求積(Gauss-Hermite quadrature)是一種數值方法,用來近似計算整條實數線上、帶有高斯權函數 e^{-x^2} 的積分。所謂 n 點公式,就是把積分近似成被積函數在 n 個精挑細選的點上的加權總和:從負無限大到正無限大對 e^{-x^2}f(x) dx 的積分,約等於各項 w_i f(x_i) 的總和。其中節點 x_i 是物理學家慣例下埃爾米特多項式 H_n 的根,而權重 w_i 則由這些多項式的正交性所決定。

\int_{-\infty}^{\infty} e^{-x^2} f(x) dx ≈ \sum_{i=1}^{Order n} w_i f(x_i)

計算器使用方法

先選定階數 n(也就是節點數,可從 2 到 100),再設定顯示位數,接著就能直接讀取節點與權重的表格。由於底層計算採用標準雙精度浮點數,顯示精度大約上限為 15 位有效數字——若想要更多有意義的位數,就必須改用任意精度運算。n 點公式可以對所有次數不超過 2n-1 的多項式做到完全精確的積分。

公式說明

節點即為 H_n(x) 的 n 個實零點,而 H_n(x) 由遞迴關係定義:H_0=1、H_1=2x、H_{k+1}=2x H_k - 2k H_{k-1}。權重為

w_i = ((2^{n-1} n! √(π)) ÷ (n^2 [H_{n-1}(x_i)]^2))
本計算器採用數值穩定的 Golub-Welsch 方法:先建構對稱三對角的 Jacobi 矩陣(對角線為零,次對角線為 √(k/2)),求出其特徵值(即節點)與特徵向量,再把每個權重設為 √(π) 乘以對應正規化特徵向量第一分量的平方。這個做法可避免大階乘造成的數值溢位。

\begin{gathered} \int_{-\infty}^{\infty} e^{-x^2} f(x) dx ≈ \sum_{i=1}^{Order n} w_i f(x_i) \\[1.5em] where ≤ft{ \begin{aligned} J v_i &= x_i v_i, J_{kk}=0, J_{k,k+1}=J_{k+1,k}=\sqrt{\tfrac{k}{2}} \\ w_i &= √(π) \big(v_{i,1}\big)^2 \end{aligned} \right. \end{gathered}

實例演算(n = 2)

H_2(x) = 4x^2 - 2 的根為 x = ± ((1) ÷ (√(2))) = ± 0.7071067811865475。每個權重為 ((2^1 · 2! · √(π)) ÷ (2^2 · [H_1(x_i)]^2))。因為 H_1(x)=2x,所以 [H_1]^2 = 2,於是每個權重

= ((2 · 2 · 1.7724538509055160) ÷ (4 · 2)) = 0.8862269254527580
兩者相加恰為 √(π) = 1.7724538509055160,是個很方便的自我檢驗。

使用注意事項與精準校對原則(6 大核心守則)

📐 1. 嚴格對齊輸入量綱與單位

輸入各項數值時請務必確認量綱(例如小時、天數、金額、百分比),避免單位不匹配引發推算偏差。

🔒 2. 純前端本機毫秒級隱私保障

所有計算邏輯 100% 在您的終端瀏覽器內完成,資料絕不上傳伺服器,嚴格守護商業與個人隱私。

📊 3. 符合公認學術與產業計算模型

演算法嚴格遵循國際通用數學公式與標準計算模型,經多重情境交叉核對,數值嚴密精確。

📋 4. 一鍵複製與免登入 PDF 匯出

支援一鍵複製推算結果字串至剪貼簿,亦可直接點擊列印按鈕輸出純淨 PDF 工作報表。

🔄 5. 多情景敏感度動態對比

建議針對極端值與多組預期情景分別試算,觀察輸出數據的波動區間,輔助做出更穩健的決策。

🛡️ 6. 專業諮詢與日常參考免責聲明

本工具運算結果供日常排程、學業研習與事前參考之用,如涉及重大法規或投資決策請諮詢持證專家。

常見問題 (FAQ)

為什麼權重的總和永遠等於 \(\sqrt{\pi}\)?
當 \(f(x)=1\) 時,積分就變成 \(e^{-x^2}\) 在整條實數線上的積分,其值正好是 \(\sqrt{\pi}\);而求積公式對此能完全精確地重現。
這是哪一種埃爾米特慣例?
是物理學家慣例,權函數為 \(e^{-x^2}\)。若採用機率學家慣例(權函數為 \(e^{-x^2/2}\)),則節點與權重會差一個縮放因子。
如果我的函數沒有 \(e^{-x^2}\) 這個因子,還能用嗎?
可以——只要令 \(g(x) = e^{x^2}f(x)\),那麼 \(g\) 的積分就約等於各項 \(w_i\,e^{x_i^2}g(x_i)\) 的總和。