Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
выч мат А5.doc
Скачиваний:
33
Добавлен:
12.09.2019
Размер:
11 Мб
Скачать
☆

§3. Интерполяционные многочлены Ньютона.

Часто интерполирование ведется для функций, заданных таблицами с равноотстоящими значениями аргумента. В этом случае шаг таблицы h=x0+1 – xi является постоянной величиной. Для таких таблиц построение интерполяционных формул упрощается.

П1. Конечные разности.

Пусть функция задана таблицей с постоянным шагом. h = xi+1 – xi,

xi

x0

x1

x2

…

xn-1

xn

f(xi)=yi

y0

y1

y2

…

yn-1

yn

Определение: Разность между значениями функций в соседних узлах интерполяции называется конечными разностями первого порядка.

∆yi=yi+1 – y­i ,

Из конечных разностей первого порядка образуются конечные разности второго порядка:

∆2yi=∆yi+1 – ∆y­i ,

Продолжая этот процесс, можно по заданной таблице функции составить таблицу конечных разностей.

xi

yi

∆yi

∆2yi

∆3yi

…

x0

y0

∆y0

∆2y0

∆3y0

…

x1

y1

∆y1

∆2y1

∆3y1

…

x2

y2

∆y2

∆2y2

…

x3

y3

∆y3

…

x4

y4

…

…

Конечные разности любого порядка могут быть представлены через значения функции. Для разностей первого порядка это следует из определения. Для разностей второго порядка имеем:

∆2yi=∆yi+1 - ∆yi=(y­i+2 – yi+1) – (yi+1 - yi)=yi+2 – 2yi+1 + yi

∆3yi=∆2yi+1 - ∆2yi=(y­i+3 – 2yi+2 + yi+1)–(yi+2 - 2yi+1 + yi)=yi+3 – 3yi+2 + 3yi+1 - yi

и т.д.

Пример: Составить таблицу разностей для функции заданной таблицей:

(f(x)=x3 + 3x2 – x – 1)

xi

yi

∆yi

∆2yi

∆3yi

∆4yi

0

-1

3

12

6

0

1

2

15

18

6

0

2

17

33

24

6

3

50

57

30

4

107

87

5

194

Порядок правильности таблицы конечных разностей – это порядок последних конечных разностей, которые еще целесообразно использовать в вычислениях.

На практике поступают следующим образом: как только конечные разности какого-то будут практически постоянными (незначительно отличаются друг от друга), то порядок правильности таблицы полагают равным этому порядку.

П2. Первая интерполяционная формула Ньютона.

Пусть для функции y=f(x), заданной таблицей с постоянным шагом h=xi=1 – xi составлена таблица конечных разностей. Будем искать интерполяционный многочлен в виде многочлена n-ой степени:

Pn(x)=a0 + a1(x – x0) + a2(x – x0)(x – x1) + … + an(x – x0)(x – x1)…(x – xn-1) (1)

Значение коэффициентов a0, a1, … an найдем из условия совпадения значений исходной функции и многочлена в узлах интерполирования, т.е. Pn(xi)=yi

Из формулы (1), пологая:

x = x0, y0 = Pn(x0) = a0 => a0 = y0.

x = x1, y1 = Pn(x1) = a0 + a1(x1 – x0) = y0 + a1 h => a1 = ∆y0/h

x = x2, y2 = Pn(x2) = a0 + a1(x2 – x0) + a2(x2 – x0)( x2 – x1) = y0 + ∆y0/h * 2h + a2 * 2h2

2h2a2 = н2 – 2∆y0 – y0 = y2 – 2(y1 – y­0) – y0 = y2 – 2y1 + y0

∆2y0

a2 = ∆2y0/2!h2

Далее проводя аналогичные выкладки, можно получить:

ak = ∆ky0/k!hk (2)

Подставив (2) в (1), получим:

Pn(x) = y0+ (x – x­0)+ (x – x0)(x – x1)+…+ (x – x0) … (x – xn-1) (3)

На практике эта формула применяется в несколько ином виде.

Положим:

=t, т.е.

x = x0 + ht, тогда

= = t – 1

= = t – 2 и т.д.

Окончательно имеем:

Pn(x) = (x) = y0 + t∆y0 + ∆2y0 + … + ∆ny0 (4)

формула (4) называется первой интерполяционной формулой Ньютона, она применяется для интерполирования в начале отрезка интерполяции, когда t мало по абсолютной величине.

Первую интерполяционную формулу Ньютона по этой причине называют формулой для интерполирования вперед. За начальное значение x0 можно принимать любое табличное значение аргумента x.