6497 / 2. Наилучшие приближения Интерполяция Лагранжа
.doc
Задача приближения функций. Интерполяция.
В численном анализе рассматриваются следующие задачи приближения функций:
Задача наилучшего приближения в нормированном пространстве.
Задана функция y(x), некоторый класс функций X и некоторая норма или метрика.
Найти функцию , такую что .
Чаще всего используются нормы и , такие что
, (равномерное приближение)
. (среднеквадратичное приближение)
Задача приближения полиномами.
Пусть класс X состоит из функций вида
,
где - заданная последовательность функций.
Например, при получаем задачу приближения алгебраическими полиномами. При или - тригонометрическими полиномами и т.п.
Тригонометрическими функциями приближаем, когда строим ряды Фурье.
Общая задача интерполяции.
Пусть f(x) – определена на [a,b] и принадлежит некоторому классу.
Задана сетка узлов a x0 < x1 <…< xn b.
Требуется построить функцию
,
линейную относительно функций k(x) и такую, что выполняется условие
, (1)
причем, система {k(x)}k=0, …, n линейно независима.
Выбор системы {k(x)} определяется классом функций f(x).
Частный случай – интерполяция многочленами:
{k(x)} = {xk}, k = 0, 1, …, n
Пусть Ln(x) – искомый интерполяционный многочлен n-ой степени.
Должно выполняться условие:
. (2)
Определитель системы (2) называется определителем Вандермонда.
.
Замечание 1.
Интерполяционный полином можно найти другим способом.
Найдем частные полиномы , обладающие свойством
.
В качестве таких полиномов можно взять
.
Тогда полином , обладающий свойством , можно записать в виде
. (3)
Очевидно, - полином n-го порядка, или n-ой степени. Полученный таким способом полином называют интерполяционным полиномом Лагранжа.
Подведем некоторые итоги.
Итак, поставленная задача интерполяции функции y(x) на сетке узлов алгебраическим полиномом n-ой степени решается с помощью интерполяционного полинома Лагранжа (3).
Теорема 1.
Полином - единственное решение задачи (2).
Пусть существует другой полином такой, что .
Поскольку и полиномы степени n, то - - полином степени , причем в узлах интерполяции разность
Но полином степени не может иметь (n+1) корней, следовательно,
= - единственный полином Лагранжа.
Существуют и другие формы представления помимо (3).
Рассмотрим погрешность аппроксимации функции y(x) с помощью полинома .
Теорема 2.
Пусть функция , , (максимум существует, т.к. (n+1)–я производная непрерывна, следовательно, максимум достигается на отрезке [a,b]). Пусть задана сетка узлов , - интерполяционный полином Лагранжа. Тогда для погрешности интерполяции справедливы оценки:
, (4)
, (5)
где - специальный полином (n+1)-ой степени. (6)
Запишем y(x) в виде:
, (*)
где - погрешность интерполяции в точке x[a,b].
Очевидно, что
, i=0, 1,…, n (7)
С учетом (7) можно искать в виде
.
Зафиксируем ,
Рассмотрим функцию
. (8)
Очевидно, обращается в 0 в (n+2) -х точках
t=x:
(см. (*))
:
, (см. (6)) i=0,1,2…n
По теореме Ролля на интервале (a,b) существует, по крайней мере, (n+1) точка, в которой обращается в 0.
По теореме Ролля на интервале (a,b) существует, по крайней мере, n точек, которых .
И так далее…
Существует, по крайней мере, одна точка такая, что .
Учитывая, что
,
и дифференцируя (n+1) раз формулу (8) по t в точке получим
,
.
Поэтому
.
Отсюда следуют (4) и (5).
Пример 1.
Пусть , [a,b] - отрезок [100,144].
Построить интерполяционный многочлен второго порядка L2(x) в узлах
, , .
Оценить погрешность интерполяции в т. x=116 и на всем отрезке [a,b].
,
,
,
.