Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Методы вычислительной математики

..pdf
Скачиваний:
17
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
3.42 Mб
Скачать

онно под сплайном понимают интерполяцию табличной функции с помощью отрезков кубического полинома.

4.2.1. Построение кубического сплайна

Пусть на отрезке [a,b] определена сеточная область Ωm с неравноотстоящими узлами a = x0 < x1 <…< xm = b , в которых известны табличные значения

функции f (xk )= fk ,

k =

 

. Сплайн S(x)

 

должен удовлетворять следующим

0,m

условиям:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а) на каждом сегменте [xk1, xk ], k =

 

является кубическим полиномом;

1,m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

б) непрерывен на [a,b] вместе с производными Sx (x)

и Sxx (x);

 

 

 

в) совпадает со значениями f (xk ) аппроксимируемой функции в узлах сетки.

Сплайн S(x) на каждом сегменте [xk1, xk ]отрезка [a,b] строится в виде

Sk (x) = ak + bk (x xk )+ ck (x xk )2 2 + dk (x xk )3 6,

k =

 

;

 

 

(4.8)

1,m

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определяются первая Sx (x) и вторая Sxx (x) производные

 

 

 

 

Sk, x (x) = bk + ck (x xk )+ dk (x xk )2 2 ,

 

 

 

 

 

Sk′′,xx (x) = ck + dk (x xk ),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

которые для двух «соседних» сплайнов Sk (x) и Sk+1 (x) в общей точке xk

долж-

ны удовлетворять условию б:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sk (xk )= Sk +1 (xk ),

Sk,x (xk )= Sk+1,x (xk ),

Sk′′,xx (xk )= Sk′′+1,xx (xk ), k =

 

 

 

 

1,m 1.

Отсюда получается система линейных алгебраических уравнений (условия

непрерывности сплайна и его производных):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ak = ak+1 + bk+1 (xk xk+1 )+ ck+1 (xk xk+1 )2 2 + dk+1 (xk xk+1 )3 6, k =

 

 

1, m 1,

bk = bk+1 + ck+1 (xk xk+1 )+ dk+1 (xk xk+1 )2 2, k =

 

 

 

 

 

1,m 1,

 

 

 

 

ck = ck +1 + dk+1 (xk xk+1 ), k =

 

 

.

 

 

 

 

1,m 1

 

 

 

И наконец, условия в дают уравнения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sk (xk ) = ak = fk ,

 

k =

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вводится обозначение: hk+1 = xk +1 xk

– длины отрезков. Предыдущие вы-

ражения можно записать в виде общей системы линейных алгебраических

уравнений относительно искомых коэффициентов ak , bk , ck , dk ,

k =

 

:

1,m

a

 

= a

 

b

h

+ c

 

h

2

2 d

h

3 6, k =

 

 

(4.9)

k

k+1

k+1

1,m 1,

 

 

k+1

k+1

 

k+1

 

 

 

k+1 k +1

 

 

 

 

 

 

b

= b

c

h

+ d

 

h

2

2,

k =

 

,

(4.10)

 

 

 

 

1,m 1

 

 

 

k

k +1

 

k+1

k+1

 

 

k+1 k+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

101

Sxx′′ (a) = 0, Sxx′′ (b) = 0,

ck = ck+1 dk+1hk+1, k =

1,m 1

,

(4.11)

ak = fk , k =

 

.

(4.12)

1,m

Система (4.9)–(4.12) содержит 4m – 3 уравнения с 4m неизвестными. Кроме того, для точки x0 = a имеет место соотношение

S1 (x0 )= a1 + b1 (x0 x1 )+ c1 (x0 x1 )2 2 + d1 (x0 x1 )3 6 = f0 .

Используя соотношения (4.12), в последнем выражении и уравнениях (4.9)

можно исключить неизвестные ak ,

k =

 

 

, а сами уравнения записать в форме

1,m

f

 

= f

 

b

h

+ c

 

h

2

2 d

 

h3

6, k =

 

.

(4.13)

k

k+1

k+1

k+1

0,m 1

 

 

k+1

k+1

 

k+1

 

 

 

 

k+1

 

 

 

 

В результате получена система 3m – 2 уравнений (4.10), (4.11) и (4.13), со-

держащая 3m неизвестныхbk , ck , dk ,

k =

 

. Для «замыкания»

этой системы

1,m

уравнений следует принять

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.14)

(4.15)

что соответствует «нулевым» кривизнам в начальной и конечной точках отрезка [a,b], то есть «свободным» концам сплайна. Возможны и иные условия для замыкания системы уравнений, например задание значения производной (наклона касательной) в конечной и/или начальной точках и некоторые другие. Условие (4.14) с помощью выражения (4.8) удобно представить в форме

S1′′,xx (x0 )= c1 d1h1 = 0 ,

а формулу (4.15) – в виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

(xm )= cm = 0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sm,xx

 

 

 

 

 

 

что позволяет переписать уравнения (4.11)

 

 

 

 

 

 

 

dk hk

= ck

 

ck1,

 

k =

 

,

 

c0 = 0,

 

cm = 0.

 

(4.16)

 

 

1,m

 

 

 

В итоге получена система 3m + 1 уравнений (4.10), (4.13), (4.16), содержа-

щих 3m + 1 неизвестную величину.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассматриваются два уравнения вида (4.13):

 

 

 

 

 

 

 

b h

 

 

= ( f

k

f

k1

)+ c

h

2 2 d

h3 6,

 

 

 

 

k k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k k

 

 

k

k

 

 

 

 

 

 

 

 

h

 

 

= ( f

 

 

 

f

 

)+ c

h2

 

2

d

h3

;

 

b

+1

 

 

k

+1

k

 

 

 

k

 

k+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k+1 k+1

 

 

 

 

k+1

k+1

,

откуда следует

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b = ( f

k

f

k1

) h

 

+ c

h 2 d

 

h

2 6,

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

k k

 

 

k k

 

 

 

 

 

 

 

=

( f

 

 

f

 

)

h

 

+ c

 

h

 

2

d

 

h2

6.

b

+1

k+1

k

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k+1

 

 

 

 

k+1 k+1

 

 

 

k+1

k+1

 

102

Полученные выражения для bk и bk+1 подставляются в уравнения (4.10):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

 

h

d

 

 

h2

 

2 =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ( f

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k+1 k+1

 

 

 

k+1 k+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k+1

f

k

h

 

( f

k

f

k1

)

 

h + c

 

 

h

+1

2 d

 

 

h2

 

 

6 c h 2 + d

h2

2 ,

 

 

 

 

k+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

k+1 k

 

 

k +1 k+1

 

 

 

k k

k k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

 

h

+1

 

+ c h 2d

 

h2

 

3 d

h

2 3 =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k+1 k

 

 

 

k k

 

 

k

+1 k+1

 

 

 

k k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 2[( fk+1 fk ) hk+1 ( fk fk1 ) hk ], k =

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

1,m 1

 

 

Формулы (4.16) позволяют получить выражения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

h2

=

(c

k

c

k

1

)h ,

 

d

 

h2

 

= (c

k+1

c

k

)h

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k k

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

k+1 k+1

 

 

 

 

k+1

 

 

 

 

благодаря чему предыдущее выражение преобразуется к виду

 

 

 

 

 

 

ck+1hk+1 + ck hk 2(ck +1 ck

 

)hk +1 3 (ck ck1 )hk 3 =

 

 

 

 

 

 

 

 

= 2[( fk +1 fk ) hk +1 ( fk fk 1 ) hk ], k =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1, m 1

 

 

 

 

Приведение подобных слагаемых и учет условий (4.14) и (4.15) приводит

к выражениям

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ck

1hk +2ck (hk +hk+1 )+ck+1hk+1 = 6[( fk+1 fk ) hk+1 ( fk fk1 ) hk ],

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.17)

c

=

0, c

m

= 0, k =

1,m 1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В итоге получена система линейных алгебраических уравнений с трехдиагональной матрицей коэффициентов. После решения системы уравнений (4.17)

и определения всех величин ck ,

k =

 

определяются искомые коэффициенты

0,m

сплайнов:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dk = (ck ck1 ) hk ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ak = fk ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= c h 2 d

h2

6 + ( f

 

f

 

)

h , k =1,m.

b

k

k1

k

k k

k k

 

 

 

 

k

4.2.2. Сходимость процесса интерполяции кубическими сплайнами

Необходимо убедиться, что при увеличении числа m узлов на отрезке [a,b] последовательность сплайн-функций сходится к интерполируемой функции. Для упрощения рассматривается последовательность сеток с равномерным расположением узлов,

Ωm = {xk = a + hk, k = 0,m}, h = (b a)m,

что приводит систему уравнений (4.17) к более простому виду:

 

 

1

+

4ck

+

ck+1

=

6( fk1

2 fk

+

fk+1 ) h

2

, k

=

1,m

1,

ck

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 0, c

 

= 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

103

Предполагается, что аппроксимируемая функция f (x) непрерывна вместе со своими производными вплоть до четвертого порядка, то есть f C[4a,b], а также имеют место равенства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fxx (a)

= 0, fxx (b) = 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вводятся обозначения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

 

 

 

 

 

[a,b

]

= max

 

g(x)

 

– чебышёвская норма на отрезке [a,b],

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x [a,b]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ

 

 

 

 

 

Ωm

= max

 

ϕ(xk )

 

– чебышевская норма на сеточной области Ωm ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk Ωm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h2

разностный аналог второй

производной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fk′′,xx = ( f (xk 1 ) 2 f (xk ) + f (xk +1 ))

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

аппроксимируемой функции f

(x) в узле xk,

M 4 =

 

fxxxxiv

 

 

 

[a,b]

– оценка четвертойпроизводнойаппроксимируемой функции–

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

приводящие систему уравнений (4.17) к виду

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

+

 

=

′′

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

4ck

ck+1

1,m

1,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ck

 

 

 

6 fk ,xx , k

 

 

(4.18)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 0,

c

 

= 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лемма 4.1. Для всех f (x) C[4a,b] справедлива оценка:

fxx′′ − Sxx′′ Ωm 3M 4h2 4.

Доказательство. В силу определения введенной нормы на сеточной области необходимо проверить точки xk , для которых Sxx′′ (xk )= ck . Погрешность

аппроксимации определяется разностью

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 0,m .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zk = ck fxx (xk ), k

 

 

 

 

 

 

 

Для k = 0 и k = m, в частности, z0 = zm = 0 . Уравнения (4.18) в новых пере-

менных принимают вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

+

 

=

′′

′′

 

+

′′

+

 

 

 

′′

=

 

 

 

 

 

 

1

4zk

zk+1

 

 

 

 

1,m

1,

zk

 

 

 

6 fk ,xx

 

[fxx (xk1 )

 

4 fxx (xk )

 

 

 

fxx (xk+1 )], k

 

 

 

 

= 0,

z

 

= 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.19)

z

0

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вводится обозначение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

′′

 

 

′′

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψk = 6 fk ,xx

[fxx (xk1 )+ 4 fxx (xk ) + fxx (xk+1 )]=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

′′

 

 

′′

 

 

′′

 

′′

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

=6 [fk ,xx

fxx (xk )]

[fxx (xk1 ) + 4 fxx (xk ) +

fxx

(xk +1 )]+ 6 fxx (xk )=

 

(4.20)

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

′′

 

′′

1 )

′′

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 6[fk,xx fxx (xk )][fxx (xk

2 fxx (xk )+ fxx (xk+1 )]=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

′′

 

 

′′

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 6[fk ,xx fxx (xk )]

( fxx )k ,xx h

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

104

причем

 

′′

 

 

′′

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

( fxx )k ,xx = [fxx (xk 1 )2 fxx (xk )+

fxx (xk+1 )]

h

 

 

 

 

 

 

 

– разностный аналог второй производной

 

′′

(xk ). Использование формулы

fxx

Тейлора для функции

f (x),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (xk +1 )= f (xk )

(xk ) + h

2

′′

2

+ h

3

′′′

6

+ h

4

iv

24 ,

+ hfx

 

fxx (xk )

 

fxxx (xk )

 

fxxxx (ξ)

f (xk1 )= f (xk )

(xk ) + h

2

′′

2

h

3

′′′

6

+ h

4

iv

24,

hfx

 

fxx (xk )

 

fxxx (xk )

 

fxxxx (ζ)

ξ (xk , xk +1 ), ζ (xk 1 , xk ),

и для ее второй производной

′′

 

 

fxx (x),

 

 

′′

′′

′′′

2

iv

fxx (xk+1 )= fxx (xk )+ hfxxx (xk ) + h

 

fxxxx (η)

′′

′′

′′′

2

iv

fxx (xk1 )= fxx (xk )hfxxx (xk ) + h

 

fxxxx (ϑ)

2, η (xk , xk+1 ), 2, ϑ (xk1, xk ),

позволяет оценить погрешность разностных аппроксимаций производных:

fk′′,xx

( fxx′′ )k ,xx =

= [h

2

′′

 

4

 

iv

24 + h

4

iv

24] h

2

=

 

fxx (xk ) + h

 

fxxxx (ξ)

 

fxxxx (ζ)

 

 

 

′′

 

 

2

iv

iv

 

 

 

 

 

 

= fxx (xk )+ h

 

 

,

 

 

 

 

[fxxxx (ξ)+ fxxxx (ζ)] 24

 

 

[h2 fxxxxiv (η)

2 + h2 fxxxxiv (ϑ)

2] h2

= [fxxxxiv (η)+ fxxxxiv (ϑ)] 2 .

После подстановки полученных выражений в формулу (4.20)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψk

6

 

 

 

fk ,xx fxx (xk )

+

 

( fxx )k ,xx h

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h2

 

 

fxxxxiv

(ξ)

 

 

 

 

 

 

4 + h2

 

 

 

fxxxxiv (ζ)

 

 

 

 

 

4 + h2

 

 

 

fxxxxiv

(η)

 

 

 

2 + h2

 

fxxxxiv (ϑ)

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

– получается оценка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ

 

 

 

 

 

Ωm

 

 

= max

 

ψk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h2 max

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk Ωm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f iv

 

(ξ)

 

 

 

 

 

+ max

 

f iv

 

 

(ζ)

 

 

 

+ 2max

 

f iv

 

(η)

 

+ 2max

 

 

 

f iv

 

(ϑ)

 

4=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ξ Ωm

 

 

 

xxxx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ζ Ωm

 

 

 

xxxx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

η Ωm

 

 

 

 

xxxx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϑ Ωm

 

 

 

 

 

 

xxxx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 6h2

 

 

 

f iv

 

 

 

 

 

 

 

 

4 3h2

 

f iv

 

 

 

 

 

[a,b]

2 = 3M

4

h2

 

 

2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xxxx

 

 

 

Ωm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xxxx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из формул (4.19) следует:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4zk = ψk zk+1 zk1 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

zk

 

 

ψk

 

+

 

zk

+1

 

+

 

zk1

 

max

 

ψk

 

 

 

 

+ max

 

zk+1

 

 

+ max

 

zk1

 

 

 

=

 

 

 

ψ

 

 

 

 

 

+ 2

 

 

 

z

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk Ωm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk Ωm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk Ωm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ωm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ωm

105

Поскольку эта оценка имеет место во всех точках сеточной области Ωm ,

она справедлива и в точке, где

zk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

достигает максимума, то есть

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zk

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

zk

 

 

 

Ω

m

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

z

 

 

 

Ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ

 

 

 

Ω

 

 

 

+ 2

 

 

 

z

 

 

 

Ω

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 3M

4

h2 4,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ωm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ωm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

откуда следует утверждение леммы 4.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема 4.3. Для любой функции f C[4a,b] справедливы оценки:

 

 

 

 

 

 

f S

 

 

 

[a,b]

 

 

M 4 h4 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.21)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f ′− S

 

 

 

[a,b] M 4 h3 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.22)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fxx Sxx

 

 

 

 

[a,b] M

 

4h

 

.

 

 

 

 

 

 

(4.23)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство.

Рассматривается

 

 

 

 

произвольный отрезок [xk1, xk ],

k =

 

. Определение сплайна (4.8), а также формулы (4.11) дают

1,m

 

 

 

Sk′′,xx (x) = ck + dk (x xk )= ck + (ck ck1 )(x xk ) h =

 

 

 

 

= ck (x xk 1 ) h + ck 1 (xk x) h,

 

или

 

 

 

Sk′′,xx (x) = αck + (1 − α)ck1 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

с использованием обозначений

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α = (x xk1 ) h, 0 ≤ α ≤1.

 

 

Справедливо следующее тождество:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

]}+

 

 

′′

′′

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

fxx (x) Sxx (x)={α[fxx

(xk ) ck ]+ (1 − α)[fxx (xk1 )ck1

 

 

 

′′

 

 

′′

(xk

)]+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

(4.24)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ {α[fxx (x)fxx

 

 

 

 

(1 − α)[fxx (x)fxx (xk1 )]}.

 

Оценка первого слагаемого в правой части (4.24):

α[ fxx′′(xk ) ck ]+ (1−α)[ fxx′′(xk1) ck1 ] ≤ α fxx′′(xk ) ck + (1−α) fxx′′(xk1) ck1

≤ αmax

 

′′

 

 

+ (1 − α)max

 

 

′′

(x)ck1

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

fxx (xk )ck

 

fxx

 

 

 

xk Ωm

 

′′

 

+ (1 − α)

′′

xk Ωm

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

′′

 

 

2

 

= α

fxx Sk ,xx

Ω

m

fxx Sk1,xx

Ω

3M 4h

 

4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

106

Для оценки второго слагаемого используется формула Тейлора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

′′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

iv

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fxx (xk )=

fxx (x)+ (xk

x)fxxx (x)+ (xk

 

 

 

 

 

)

2

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

x)

fxxxx (ξk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

′′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

iv

 

 

)

2,

ξk ,ζk (xk1, xk ).

 

fxx (xk1 )= fxx (x)+ (xk1 x)fxxx (x)+ (xk1 x)

fxxxx (ζk

 

 

Отсюда получаются соотношения для разностей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

′′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

iv

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fxx (x)fxx (xk )= (x xk )fxxx (x)(xk

 

 

 

(ξk

)

2

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x)

fxxxx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

′′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

iv

 

 

 

 

2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fxx (x) fxx (xk1 )= (x xk1 )fxxx (x)(xk1 x)

fxxxx (ζk )

 

 

 

 

 

 

 

Второе слагаемое в правой части формулы (4.24) преобразуется к виду

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α[fxx

(x) fxx (xk )]+

(1 − α)[fxx (x)fxx (xk1 )]=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= α (x x

 

)f

 

 

 

 

′′

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

)f

′′

(x)(x x) f

 

 

(ζ ) 2 =

 

′′′

(x)(x x) f

 

(ξ ) 2 +(1−α)(x x

 

 

′′′

 

 

 

[

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

iv

 

 

 

 

]

 

 

 

[

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

iv

 

 

 

]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= f

 

 

 

 

k

 

xxx

 

 

k

 

 

xxxx k

 

 

 

 

 

f

 

 

 

k1 xxx

 

 

 

k1

 

 

 

) f

xxxx

 

k

 

 

(x)[α(x x )+(1−α)(x x )]− α(x x

 

)

 

 

(ξ )+(1−α)(x x

 

 

 

 

(ζ ) 2 =

 

′′′

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

k1

 

 

[

 

 

 

k

2

 

 

iv

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

k1

2

iv

 

 

k

]

 

xxx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xxxx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xxxx

 

= f

′′′

(x)[(1 − α)αh (1 − α)αh]− αh (1 − α) f

 

 

(ξ ) + (1 − α)α h f

 

(ζ ) 2 =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[

 

 

2

 

 

2

 

 

iv

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

iv

 

 

]

 

 

 

 

 

 

xxx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xxxx

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xxxx

 

k

 

 

= −αh2 (1 − α)[(1 − α)fxxxxiv (ξk ) + αfxxxxiv (ζk )]2 .

Выполняется оценка

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α[fxx (x)

fxx (xk )]+(1−α)[fxx

(x)fxx (xk1 )]

 

 

 

≤ αh2 (1 − α) (1 − α)

 

 

 

fxxxxiv

(ξk )

 

+ α

 

fxxxxiv (ζk )

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M 4αh2 (1 − α) 2 M 4h2 8 .

 

 

 

 

 

 

 

При выводе последнего соотношения учтено, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

max

 

f iv

(x)

 

max

 

f iv

(x)

 

= M

4

,

α(1 − α)1 4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

x [xk 1 ,xk ]

 

xxxx

 

 

x [a,b]

 

xxxx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оценивается левая часть тождества (4.24):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x [xk1, xk ]. (4.25)

 

′′

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fxx (x)Sk (x)

3M

4h

2

4 + M 4h

2

 

 

 

8 = 7M 4h

2

8

M 4h

2

,

 

Поскольку выражение (4.25) справедливо для любого отрезка, его можно

использовать для оценки погрешности

 

′′

 

 

 

 

 

′′

(x)

 

на всем рассматриваемом

 

 

 

 

 

 

 

 

fxx (x) Sxx

 

отрезке [a,b]:

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

′′

(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M 4h .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fxx (x)Sxx

 

 

 

 

 

 

Отсюда получается

f ′′

S′′

 

 

 

[a,b]

= max

 

f ′′

(x) S′′

(x)

 

M

 

h2

,

 

 

 

 

 

 

xx

xx

 

 

 

x [a,b]

 

xx

xx

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

то есть утверждение (4.23) теоремы.

107

Для доказательства соотношения (4.22) на отрезке [xk1, xk ]вводится вспомогательная функция r(x)= f (x)Sk (x). Согласно определению сплайна, r(xk1 )= r(xk )= 0 . Но тогда, в соответствии с теоремой Ролля1, существует хотя бы одна точка ξ [xk1, xk ], rx(ξ)= 0 . В этом случае, используя теорему Лагранжа, можно выполнить оценку

rx(x) = rx(x)rx(ξ) = rxx′′ (ζ)(x − ξ) rxx′′ (ζ)h ,

откуда с учетом соотношения (4.25) получается

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

′′

 

 

 

h M 4h

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fx

(x) Sk ,x (x)

 

 

fxx (ζ)Sk ,xx (ζ)

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку это

неравенство

 

 

 

справедливо на

любом отрезке [xk1, xk ], с его

помощью можно получить утверждение (4.22)

теоремы:

 

 

 

 

 

 

f

′ − S

 

 

 

[a,b]

= max

 

f (x) S

 

(x)

 

M

 

h3 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

x

 

 

 

 

 

x [a,b]

 

 

x

k

,x

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для получения последнего утверждения (4.21) на отрезке [xk1, xk ] строится функция

g(t)= f (t) Sk (t)K(t xk 1 )(t xk ).

Из условия обращения этой функции в нуль в произвольно выбранной точ-

ке x [xk1, xk ]

g(x) = f (x) Sk (x) K(x xk1 )(x xk )= 0

определяется значение константы

K = [f (x) Sk (x)](x xk 1 )(x xk ).

Очевидно, что теперь

g(x)= g(xk )= g(xk1 )= 0 .

 

 

′′

Это означает, что существует хотя бы одна точка ξ [xk1, xk ], gxx (ξ) = 0.

Отсюда следует:

 

 

′′

′′

′′

gxx (ξ) = fxx (ξ) Sk ,xx (ξ)2K = 0 ,

fxx′′(ξ)Sk′′,xx (ξ)= 2K = 2[f (x) Sk (x)](x xk1 )(x xk ), f (x) Sk (x) = [fxx′′(ξ)Sk′′,xx (ξ)](x xk1 )(x xk )2 .

1 Ролль Мишель [21.4.1652 – 8.11.1719] – французский математик. С 1685 года является членом Парижской академии наук.

Теорема Ролля [2]: если функция f(x) непрерывна в замкнутом интервале [a,b], дифференцируема во всех его внутренних точках и имеет на концах интервала равные значения, то существует хотя бы одна точка ξ [a,b], f (ξ) = 0 .

108

Отсюда, с использованием неравенства (4.25), следует оценка отклонения значения сплайн-аппроксимации от значения функции для выбранной точки x [xk1, xk ]:

f(x)Sk (x) = fxx′′(ξ)Sk′′,xx (ξ)(x xk1 )(x xk )2

M 4h2 (x xk1 )(x xk )2 M 4h4 8.

Здесь учтено, что

 

 

 

max

 

(x xk1 )(x xk )

 

= h2

4 .

 

 

 

 

 

 

 

x [xk 1 ,xk ]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку последнее неравенство справедливо для любого x [xk1, xk ],

отсюда следует выражение (4.21) теоремы:

 

 

f S

 

[a,b]

= max

 

f (x)Sk (x)

 

M 4h4

8 M 4h4 ,

 

 

 

 

 

 

 

x [a,b]

 

 

 

 

 

что и требовалось доказать.

4.3. Наилучшее приближение в гильбертовом1 пространстве

Рассматривается линейное нормированное пространство H, в котором задана конечная система линейно-независимых элементов ϕk H , k = 0,m. Требуется заменить элемент f H линейной комбинацией

m

 

ϕ = c0ϕ0 + c1ϕ1 +…+ cmϕm = ck ϕk ,

(4.26)

k=0

где ϕ – обобщенный полином. Задача о наилучшем приближении заключается в поиске среди множества линейных комбинаций вида (4.26) такой, для кото-

 

 

m

 

 

рой отклонение

f

ck ϕk

было бы наименьшим. Такой элемент (обобщен-

 

 

k=0

 

 

~

 

m ~

является элементом наилучшего приближения. Для

ный полином) ϕ =

ck ϕk

k=0

построения элемента наилучшего приближения в гильбертовом пространстве H определяется норма,

1 Гильберт Давид [23.1.1862 – 14.2.1943] – немецкий математик, иностранный членкорреспондент (1922) и иностранный почетный член (1934) АН СССР. Окончил Кенигсбергский университет. В 1893–95 годах – профессор этого же университета. С 1895 по 1930 год – профессор Геттингенского университета. Исследования Гильберта оказали большое влияние на развитие многих разделов математики: теорию инвариантов, теорию алгебраических чисел, основания геометрии, вариационное и дифференциальное исчисление, интегральные уравнения, основы математической физики, логические основы математики. В 1904 году Гильберту присуждена международная премия имени Н.И. Лобачевского.

109

 

 

= ( f , f )1H2

b

1 2

f

H

= f 2

(x)dx

,

 

 

 

a

 

 

порожденная скалярным произведением

( f , g)H = b f (x)g(x)dx .

a

Рассматривается отклонение приближения (4.26) от элемента f:

 

 

 

 

2

 

m

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

f − ϕ

 

 

 

H

=

f ck ϕk , f c j ϕj

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k=0

j=0

H

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

m

 

 

 

m

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ck ϕk ,

f

 

 

ck ϕk ,

 

 

=

(4.27)

= ( f , f )H

f , c j ϕj

+

c j ϕj

 

 

 

 

 

j=0

 

 

H

k=0

H

 

k=0

j=0

H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

f

 

 

 

2H 2ck ( f , ϕk )H +

ck c j (ϕk , ϕj )H .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k=0

 

 

k , j=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вводятся обозначения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A – матрица с компонентами akj = (ϕk , ϕj )H ,

 

k, j =

 

,

 

 

 

0,m

 

 

 

c – вектор коэффициентов {c0 , c1,, cm }T ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fˆ – вектор {f0 ,

f1,,

fm }T , fk = ( f , ϕk )H , k =

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

0,m

 

 

 

 

Скалярное произведение векторов определяется обычным образом:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(u,v)= uk vk , u,v Rm+1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теперь выражение (4.27) можно представить следующим образом:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

− ϕ

 

2H = (Ac,c)2( fˆ,c)+

 

 

 

 

f

 

 

 

2H .

 

 

 

(4.28)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Очевидно,

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

 

 

что поиск элемента ϕ H наилучшего приближения сводится

теперь к поиску минимума функционала

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F(c) = (Ac,c) 2( fˆ,c),

 

 

 

 

 

 

 

(4.29)

поскольку слагаемое

 

f

 

 

 

2H в выражении (4.28) от параметров ck , k =

 

не за-

 

 

 

 

0,m

 

 

 

 

 

 

висит. Матрица A симметрична, поскольку akj

= (ϕk ,ϕj )H = (ϕj ,ϕk )H

= a jk . Если

положить f = 0, то из соотношения (4.28) следует:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Ac,c)=

 

 

 

ϕ

 

 

 

2 0 c Rm+1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если для

какого-либо

элемента cRm+1

имеет

место

 

равенство

′ ′

) = 0 ,

то

 

 

 

 

 

из

равенства

 

ϕ

 

2

следует,

что

 

 

 

 

 

 

 

(Ac ,c

 

 

 

 

 

 

 

H = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

110

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]