Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
otvety_k_ekzamenu.docx
Скачиваний:
50
Добавлен:
17.04.2019
Размер:
1.25 Mб
Скачать

43. Постановка и решение задачи интерполирования функции.

44. Алгебраическое интерполирование.

Начнем с рассмотрения задачи интерполяции в наиболее простом и хорошо исследованном случае интерполирования алгебраическими многочленами. Для заданной таблицы (1) многочлен Pn(x)=a0+a1x+a2x2+… +anxn степени n называется интерполяционным многочленом, если он удовлетворяет условиям (2):

Pn(xi)=yi, i= 0, 1, …, n. (7)

Равенства (7) можно записать в виде системы уравнений:

a0+a1x0+a2x02+… +anx0n= y0,

a0+a1x1+a2x12+… +anx1n= y1, (8)

……………………………………………….

a0+a1xn+a2xn2+… +anxnn= yn

относительно коэффициентов многочлена. Эта система однозначно разрешима, так как система функций 1, x, x2,…,xn линейно независима. Однозначная разрешимость системы следует и из того хорошо известного факта, что определитель этой системы - определитель Вандермонда:

1 x0 x02 … x0n

1 x1 x12 … x1n

Dn(x0, x1,…, xn) = ………….…

1 xn xn2 … xnn

отличен от нуля, если узлы интерполяции попарно различны. Таким образом, существует единственный интерполяционный многочлен степени n, удовлетворяющий условиям (7).

В курсе математического анализа доказывается теорема Вейерштрасса: если функция f непрерывна на конечном замкнутом отрезке [a,b], то для всякого >0 существует многочлен Pm некоторой степени m, для которого при любых x[a,b] выполняется неравенство

f(x)-Pm(x).

Иначе говоря, для любого конечного замкнутого отрезка семейство алгебраических многочленов является полным в классе непрерывных на этом отрезке функций. Этот факт позволяет ожидать, что при надлежащем выборе узлов и их числа n непрерывную на [a,b] функцию можно на этом отрезке интерполировать сколь угодно точно алгебраическим многочленом.

На практике система (8) редко используется для вычисления коэффициентов интерполяционного многочлена ak, так как в большинстве приложений они просто не нужны. Кроме того, при n>4 система (8) становится плохо обусловленной. Существуют различные удобные явные формы записи интерполяционного многочлена, которые и применяются на практике.

45. Интерполяционный полином в форме Лагранжа.

Приведем одну из форм записи интерполяционного многочлена, не требующий знания коэффициентов ak, – полином Лагранжа.

Из системы (6) видно, что коэффициенты ak будут линейно зависеть от значений f(xi) (i= 0, 1, …, n). Поэтому и многочлен Pn(x) линейно зависит от величин f(xi) и представим, следовательно, в форме

Pn(x)=Ln(x)=l0(x)y0+l1(x)y1+…+ln(x)yn. (10)

Такое выражение для Pn можно получить, например, если разложить определитель в (8) по элементам последнего столбца. Но коэффициенты li(x) можно найти, не выполняя операции разложения, а используя простые алгебраические соображения. Рассмотрим lk(x). Он будет совпадать с Pn(x), как следует из (9) , если функция f(x), а стало быть, и многочлен Pn(x) будут обладать следующими свойствами:

Pn(xi)= f(xi)= 0 (ik) и Pn(xk)= f(xk)=1.

Как нетрудно видеть, li(x) представляет собой многочлен степени n, удовлетворяющий условию

li(xj)=1 при i=j;

li(xj)=0 при ij.

Таким образом, степень многочлена li равна n и при x=xi в сумме (10) обращаются в ноль все слагаемые, кроме слагаемого с номером j=i, равного fi. Поэтому многочлен Лагранжа (9) действительно является интерполяционным.

Если известны корни многочлена и их кратности, можно записать разложение многочлена на множители:

lk(x)= Ck(x-x0)…(x-xk-1)(x-xk+1)…(x-xn).

Постоянный множитель Ck может быть определен из условия lk(xk)=1 , что дает Ck= [(xk-x0)…(xk-xk-1)(xk-xk+1)…(xk-xn)]-1 и, следовательно,

lk(x)= [(x-x0)…(x-xk-1)(x-xk+1)…(x-xn)]/[(xk-x0)…(xk-xk-1)(xk-xk+1)…(xk-xn)].

Введем многочлен степени n+1, положив (x)= (x-x0)(x-x1)…(x-xn). Он связан с расположением всех узлов интерполирования, которые для него являются корнями первой кратности. При помощи (x) многочлен lk(x) записывается в виде

lk(x)=(x)/(x-xk)(xk),

и представление (9) интерполирующего многочлена Pn(x) будет следующим:

Pn(x)=lk(x)f(xk)=[(x)/((x-xk)(x)k)]f(xk). (10)

Это равенство называют формулой Лагранжа для интерполирующего многочлена Pn(x), а множители lk(x) называют лагранжевыми многочленами влияния соответствующих узлов интерполирования или множители Лагранжа.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]