Wegen der speziellen Wahl der Stützstellen integrieren diese Formeln bei ungeradem Polynome bis zum Grad , bei geradem sogar bis zum Grad exakt. Somit sind Newton-Cotes-Formeln mit geradem (also einer ungeraden Anzahl an Stützstellen) denen mit ungeradem vorzuziehen. Diese Eigenschaft nennt man auch Genauigkeitsgrad.
Speziell gilt für , dass und somit .
Falls , was bei Gewichten mit verschiedenen Vorzeichen der Fall ist, besteht die Gefahr, dass sich die Rundungsfehler aufschaukeln oder Auslöschung eintritt. Daher sind aus numerischen Gründen Formeln mit positiven Gewichten zu bevorzugen. Da für großes das Interpolationspolynom unbrauchbar ist, sind ebenso Formeln mit großem nicht empfehlenswert. Will man bessere Näherungen erreichen, so empfiehlt sich die Verwendung von summierten Formeln.
ist der Fehler (Verfahrensfehler), der bei der Anwendung der Newton-Cotes-Formel gemacht wird. Dieser hat bei der speziellen Wahl der Stützstellen für -mal auf stetig differenzierbar reellwertige Funktionen immer die Form
,
wobei eine von unabhängige Konstante und ein nur in Ausnahmefällen bekannter Zwischenwert ist. Wäre er generell bekannt, könnte man und somit auch das Integral exakt ausrechnen, im Widerspruch zu der Tatsache, dass es unendlich viele Integrale gibt, die man nicht exakt berechnen kann. Der Fehler ist Null für alle Funktionen, deren -te Ableitung Null ist, also für alle Polynome vom Grad kleiner oder gleich . Somit ist der Genauigkeitsgrad. Der Wert wird auch als (polynomiale) Ordnung der Newton-Cotes-Formel bezeichnet.
Mit Hilfe des Verfahrensfehlers erhält man die Fehlerabschätzung:
.
Der exakte Fehler ist immer kleiner oder gleich dieser Fehlerabschätzung, wie auch die unten angegebenen Beispiele zeigen.
Abgeschlossene Newton-Cotes-Formeln
Die angegebenen Stützstellen gelten für das Integrationsintervall : . Für ein allgemeines Intervall sind die Stützstellen .
Von diesen Formeln ist nur die Rechteckregel empfehlenswert. Die Formel für hat bei höherem Aufwand die gleiche Ordnung wie die Rechteckregel, die höheren Formeln haben negative Gewichte.
Beispiel:
Näherung mit der Formel für . Es gilt und .
.
Verfahrensfehler: Mit erhält man mit .
Fehlerabschätzung:
Exakter Fehler:
Maclaurin-Formeln
Diese Formeln sind nach Colin Maclaurin benannt. Die Stützstellen gelten für das Integrationsintervall : . Für ein allgemeines Intervall sind die Stützstellen .
Ab Grad 8 treten bei vielen Newton-Cotes-Formeln negative Gewichte auf, was die Gefahr der Auslöschung mit sich bringt. Außerdem kann man im Allgemeinen keine Konvergenz erwarten, da die Polynominterpolation schlecht konditioniert ist. Bei größeren Integrationsbereichen unterteilt man diese daher in einzelne Teilintervalle und wendet auf jedes einzelne Teilintervall eine Formel niedriger Ordnung an.
Literatur
Hans R. Schwarz, Norbert Köckler: Numerische Mathematik. 6. Auflage. Teubner, Stuttgart 2006, ISBN 3-519-42960-8, S. 311–316.
Roland W. Freund, Ronald H. W. Hoppe: Stoer/Bulirsch: Numerische Mathematik 1. 10. Auflage. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-45389-5, S. 164–169.
Michael R. Schäferkotter, Prem K. Kythe: Handbook of Computational Methods for Integration. Chapman & Hall, Boca Raton 2005, ISBN 1-58488-428-2, S. 54–62, 503–505.
Günter Bärwolf: Numerik für Ingenieure, Physiker und Informatiker. Spektrum, München 2007, ISBN 978-3-8274-1689-6, S. 128.
Gisela Engeln-Müllges, Klaus Niederdrenk, Reinhard Wodicka: Numerik-Algorithmen: Verfahren, Beispiele, Anwendungen. Springer, Berlin / Heidelberg 2011, ISBN 978-3-642-13472-2.
Thomas Weddle (Newcastle-upon-Tyne):A new simple and general method of solving numerical equations of all orders. Hamilton, Adams & Co. and J. Philipson, London 1842 (Internet Archive– 52S.).