Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
шапорев выч мат.pdf
Скачиваний:
766
Добавлен:
26.03.2015
Размер:
8.33 Mб
Скачать

Таким образом, восстановлен только многочлен третьей степени (по заданной точности ε), который имеет вид

P3(x):= −0.933333 x3 + 3.388 x2 8.211147 x + 9.999974 .

Это многочлен для интерполяции вперед, его можно употреблять для нахождения приближенных значений функции в верхней половине таблицы конечных разностей M 2. Например, P3(0.05) = 9.59 , P3(0.09) = 9.263. Аналогичную формулу для интерполяции на-

зад можно легко получить на основе приведенного материала. Желающие могут проделать это самостоятельно.

2.12. Интерполяционные формулы Гаусса, Стирлинга и Бесселя

Формулы Гаусса . Выпишем подробно таблицу конечных разностей для того, чтобы отмечать задействованные элементы этих таблиц в далее рассматриваемых формулах.

x y

x4 y4

x3 y3

x2

y2

 

 

y

 

 

 

2 y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y4

2 y4

y3

2 y3

 

 

3 y

 

 

4 y

 

 

5 y

 

 

6 y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 y4 4 y4

 

 

 

 

 

 

y2

 

 

 

 

 

 

3 y3

 

 

 

 

 

 

5 y4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

 

y1

 

 

 

 

 

2 y2

 

 

 

 

 

 

4 y3

 

 

 

 

 

6 y4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y1

 

 

 

 

 

 

3 y2

 

 

 

 

 

 

 

5 y3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

y0

 

 

 

 

 

2 y1

 

 

 

 

 

 

4 y2

 

 

 

 

 

 

6 y3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y0

 

 

 

 

 

3 y1

 

 

 

 

 

 

5 y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

y

 

 

 

 

 

2 y

0

 

 

 

 

 

 

4 y

1

 

 

 

 

 

 

6 y

2

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

3 y

0

 

 

 

 

 

 

 

5 y

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

 

y

2

 

 

 

 

 

2 y

1

 

 

 

 

 

 

4 y

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

2

 

 

 

 

 

 

3 y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

y3

 

 

 

 

2 y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y3

x4

y4

- вторая интерполяционная формула Гаусса, - первая интерполяционная формула Гаусса, - формула Бесселя.

Первая интерполяционная формула Гаусса для интерполяции вперед имеет вид

Карл Фридрих Гаусс (1777-1855) - немецкий математик, астроном и геодезист.

57

P(x)= y0 +

 

y0

q +

2 y1

 

q(q 1)+

3 y1

(q 1)q(q +1)+

4 y2

(q 2)(q 1)q(q +1)+

 

1!

2!

3!

 

4!

 

 

5 y

 

 

 

 

 

 

2n1 y(n1)

 

 

 

+

(q

2)(q 1)q(q +1)(q + 2)+... +

 

(q n +1)(q n + 2)...(q + n 1)+

(2.12.1)

5!2

 

 

 

(2n 1)!

 

 

 

 

 

 

 

 

2n y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

n

(q n)(q n +1)...(q + n 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2n)!

 

 

Формулы Гаусса применяются для интерполирования в середине таблицы вблизи точки x0 . При этом формула (2.12.1) применяется при x > x0 , а формула (2.12.2) - вторая ин-

терполяционная формула Гаусса - при x < x0 .

P(x)= y0 +

y1

q +

2 y1

q(q +1)+

3 y2

(q 1)q(q +1)+

4 y2

(q 1)q(q +1)(q + 2)+

 

 

2n1 y

1!

 

2!

 

3!

 

2n y

4!

 

 

+ ... +

n

(q n +1)(q n + 2)...(q + n 1)+ +

n

(q n +1)(q n + 2)...(q + n),

(2.12.2)

(2n 1)!

(2n)!

q= x h x0 .

Вобеих формулах используются разности, расположенные вблизи середины таблицы

(они помечены). Остаточный член формул (2.12.1) и (2.12.2) может быть записан в виде

R2n

=

h 2n+1 f (2n+1)(ζ)

q(q 2

12 )(q 2 22 )...(q 2 n 2 ), ζ (a, b), x0 , x±1 ,..., x±n (a, b).

(2.12.3)

 

 

 

(2n + 1)!

 

 

Интерполяционная формула Стирлинга представляет собой среднее арифметическое (2.12.1) и (2.12.2), то есть среднее арифметическое первой и второй формулы Гаусса:

P(x)= y0 +

y + y

 

 

 

2 y

 

q

2

+

3 y +

3 y

 

(q

2

1 )q +

4 y

 

(q

2

1 )q

2

+

 

 

 

 

0

2

 

 

 

1

q + 2!

1

2 3!

 

1

4!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

5 y

3

+

5 y

2

 

2

 

 

2

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

2n1 yn +

2n1 y(n1)

 

2

 

 

 

2

 

2

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[q

−(n 1) ](q

 

 

 

 

 

 

+

2 5!

 

 

(q

 

2

 

)q(q

 

1 )+... +

 

 

 

 

 

 

n

 

)...q

 

+

(2.12.4)

 

 

 

 

 

 

2 (2n 1)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

2n yn

[q2 (n 1)2 ]...(q2 12 )q2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2n)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Остаточный член этой формулы имеет тот же вид, что и для формул Гаусса, то есть вид (2.12.3). Формула (2.12.4) применяется для интерполирования в середине таблицы при зна-

чениях q , близких к нулю. Практически ее используют при q 0.25.

Интерполяционная формула Бесселя имеет вид:

 

 

 

 

y

0

+ y

 

 

 

1

 

2 y

1

+ 2 y

0

 

3 y

 

 

1

P(x)=

 

1

+

y0

q

 

+

 

 

q(q 1)+

 

1

(q 1) q

 

q +

 

 

2

 

2 2!

 

3!

2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

4 y2 +

4 y1

(q 2)(q

1)q(q +1)+... +

 

2n yn + 2n yn+1

q(q 1)(q +1)...(q + n 1)+

 

+

2 4!

 

 

 

 

(2.12.5)

 

 

 

2 (2n)!

 

 

 

 

 

2n+1 y

n

 

 

1

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

q

2

q(q 1)(q +1)(q 2)(q + 2)...(q n)(q + n 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2n +1)!

 

 

 

 

 

Ее остаточный член можно записать в виде

 

 

R2n =

h2n+2 f (2n+2)

(ζ)

q(q2

12 )(q2 22 )...(q2

n2 )(q n 1),

ζ (a, b), x0 , x±1 ,..., x±n (a, b).

(2.12.6)

(2n + 2)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Формула Бесселя используется для интерполирования в середине таблицы при значе-

ниях

q , близких к 0.5, практически при 0.25 q 0.75. Наиболее простой вид имеет фор-

мула

(2.12.5) при q = 0.5, так как все члены, содержащие разности нечетного порядка, про-

Джемс Стирлинг (1692-1770) - английский математик.

Фридрих Вильгельм Бессель (1784-1846) - немецкий астроном и геодезист.

58

падают. Этот специальный случай формулы Бесселя называют формулой интерполирования на середину. Ее обычно используют для уплотнения таблиц. Общая особенность формул (2.12.1), (2.12.2), (2.12.4) и (2.12.5) заключается в том, что слагаемые в них убывают значительно быстрее, чем в формулах Ньютона, поэтому для достижения заданной точности нужно меньше вычислений.

Пример. Используя формулу Бесселя, уплотнить таблицу значений функции y = f (x) в два раза.

i

x

f (x)

-2

2.0

1.5906

-1

2.1

1.7455

0 2.2 1.9141

1

2.3

2.0978

2 2.4 2.2981

3 2.5 2.5167

y

2 y

3 y

4 y

1549

 

 

 

 

137

 

 

1686

 

14

 

 

151

 

1

1837

 

15

 

 

166

 

2

2003

 

17

 

 

183

 

 

2186

 

 

 

59

Соседние файлы в предмете Вычислительная математика