Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Lek4_12.doc
Скачиваний:
5
Добавлен:
15.11.2019
Размер:
433.66 Кб
Скачать

§ 4. Алгебраические интерполяционные многочлены.

Пусть F — пространство вещественных на [a , b] функций. Пусть в n+1 попарно-различных на [a , b] точках даны значения некоторой функции из этого пространства. Построим алгебраический многочлен степени не выше n :

, (4.1)

удовлетворяющий условиям

(4.2)

Соотношения (4.2) образуют линейную алгебраическую систему относительно неизвестных коэффициентов многочлена (4.1). Определитель этой системы есть определитель Вандермонда , следовательно, отличен от 0 , т.к. все значения попарно различны. Значит,многочлен (4.1), удовлетворяющий условиям (4.2) существует и единственен.

Определение. Алгебраический многочлен степени не выше n, совпадающий в п+1 точке со значениями в этих точках некоторой функции , называется алгебраическим интерполяционным многочленом для функции , построенным по точкам . Точки называются узлами интерполирования. Интерполяционный многочлен можно использовать не только в канонической форме, т.е. в виде (4.1). Удобно применять и другие формы. Рассмотрим интерполяционный многочлен в форме Лагранжа.

Введем в рассмотрение многочлены степени n , удовлетворяющие условиям:

, (4.3)

Эти многочлены имеют корнями при каждом k точки , следовательно, они имеют вид:

, где С — некоторая константа. Найдем С из условия , т.е.

.

Отсюда

.

Следовательно,

(4.4)

Получим более компактную запись многочлена . Введем в рассмотрение многочлен со старшим коэффициентом 1, имеющий корнями все точки . Обозначим его , т.е.

(4.5)

Тогда

(4.6)

Перейдем в этом равенстве к пределу при , учитывая, что

.

Отсюда получаем

(4.7)

Заменим числитель и знаменатель дроби (4.4) правыми частями равенств (4.6) и (4.7):

. (4.8)

Многочлен называется многочленом влияния k - го узла. Всего таких многочленов п +1. Эти многочлены называют также фундаментальными многочленами интерполирования, а также интерполяционными множителями Лагранжа, или лагранжевыми коэффициентами.

Теперь рассмотрим многочлен

(4.9)

Очевидно, это многочлен степени не выше п, т.к. он является суммой многочленов степени не выше п. В силу соотношения (4.3) выполнены условия

(4.10)

Значит, это интерполяционный многочлен, построенный по точкам . Многочлен называется интерполяционным многочленом в форме Лагранжа.

Пример построения многочлена в форме Лагранжа.

x

f(x)

0,8000

1,0320

0,9000

1,0090

0,6000

1,0960

Найти f(0,75)

Нужно построить

Подставляем .

Рассмотрим интерполяционный многочлен в форме Ньютона. Он имеет вид

(4.11)

Это многочлен степени n и при всех х0 , х1 , ... , хn имеет место соотношение

в силу свойства разностных отношений (2.5):

Многочлен (4.11) называется интерполяционным многочленом в форме Ньютона.

пример построения интерполяционного многочлена в форме Ньютона.

xi

f (xi)

f (xi,xi+1)

f (xi,xi+1,xi+2)

-2

5

-1.795

-0.410

-0.5

2.3075

-2.615

0

1

Вычислим этот многочлен при x = -1:

Погрешность интерполирования

Рассмотрим вопрос о погрешности интерполирования, т.е. о погрешности, которую мы допускаем, заменяя функцию ее интерполяционным многочленом. Положим

(4.12)

Функция определена на отрезке [a , b]. Она называется остаточным членом интерполирования или погрешностью интерполяционной формулы Лагранжа.

Если , т.е. принадлежит пространству многочленов степени не выше п, значит, она сама является многочленом степени не выше п. Тогда . Если же , т.е не является многочленом степени не выше п, то обращается в 0 в узлах и заведомо отлична от 0 в других точках промежутка [a , b]. Имеет место

Теорема. Пусть, имеет на [a , b] непрерывные производные до порядка п включительно и существует ограниченная на [a , b] . Пусть отрезок [a , b] является наименьшим отрезком, содержащим узлы и точку у, в которой производится интерполирование, т.е.

.

Тогда на промежутке [a , b] существует такая точка , что

(4.13)

где .

Д о к а з а т е л ь с т в о. Если , то левая и правая части равенства (4.13) обращаются в 0. Пусть y не совпадает ни с одним из узлов, т.е. , . Введем вспомогательную функцию:

где С — некоторая постоянная. Очевидно, , т.е. узлы являются корнями функции  (х) на промежутке [a , b]. Найдем постоянную С из условия, что у — тоже корень функции (х), т.е. . Тогда

Функция  (х) имеет на промежутке [a , b] п+2 попарно различных корня . По теореме Ролля между любыми двумя соседними корнями функции  (х) лежит по крайней мере один корень производной . Всего отрезков п+1 , следовательно, производная имеет внутри [a , b] по крайней мере п+1 корень. Применяем теорему Ролля к функции . Получаем, что 2-я производная имеет внутри [a , b] , по крайней мере, п корней. Продолжая рассуждения аналогичным образом, получаем, что имеет внутри [a , b], по крайней мере, 1 корень. Обозначим его через . Возьмем производную п+1-го порядка от функции . При этом воспользуемся тем, что степень многочлена не выше п, следовательно, производная п+1-го порядка от него будет равна 0, а многочлен имеет степень п+1 и старший коэффициент 1, следовательно, производная п+1-го порядка от него будет равна . Таким образом, получаем

Т.к. , то из последнего равенства и следует (4.13). 

О минимизации остаточного члена формулы Лагранжа.

Пусть f (x) принадлежит классу функций, имеющих на [a , b] ограниченную п+1-ю производную, так что всюду на [a , b]. Тогда из

(4.13)

где . (см. лек.2)

можно записать оценку

(4.14)

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]