第四章 插值法
- 格式:doc
- 大小:545.28 KB
- 文档页数:6
第四章插值方法§4.0 引言§4.1 多项式插值问题的一般提法§4.2 拉格朗日(Lagrange)插值§4.3 差商与差分及其性质§4.4 牛顿插值公式§4.5 分段插值法§4.6 三次样条插值§4.7 曲线拟合的最小二乘法引言1 插值法是广泛应用于理论研究和生产实践的重要数值方法,它是用简单函数(特别是多项式或分段多项式)为各种离散数组建立连续模型;为各种非有理函数提供好的逼近方法。
众所周知,反映自然规律的数量关系的函数有三种表示方法:A 解析表达式。
(1865年,瓦里斯Walis ;1690年,Raphson 拉夫逊;1669年,牛顿Newton ;历史悠久的方程)。
,(开普勒(Kepler)方程)。
悬链线方程;。
52)(3−−=x x x f y y x sin ε−=)/cos(λλx y =B图像法C表格法2 事实上,许多数据都是用表格法给出的(如观测和实验而得到的函数数据表格),可是,从一个只提供离散的函数值去进行理论分析和进行设计,是极不方便的甚至是不可能的。
因此需要设法去寻找与已知函数值相符,并且形式简单的插值函数(或近似函数)。
3 另外一种情况是,函数表达式完全给定,但其形式不适宜计算机使用,因为计算机只能执行算术和逻辑操作,因此涉及连续变量问题的计算都需要经过离散化以后才能进行。
如数值积分方法、数值微分方法、差分方程以及有限元法等,都必须直接或间接地应用到插值理论和方法。
1 插值法的概念假设函数y=f (x )是[a , b ]上的实值函数,x 0,x 1,…,x n 是[a ,b ]上n +1个互异的点,f (x )在这些点上的取值分别为y 0,y 1,…,y n 。
求一个确定的函数P (x ),使之满足:P (x i )=y i(i =0,1,2,…,n ) (1)称x 0,x 1,…,x n 为插值节点,关系式(1)称为插值原则,函数P (x )称为函数y=f (x )的插值函数,区间[a , b ]称为插值区间。
插值法数学计算方法插值法是一种数学计算方法,用于在已知数据点的基础上,通过构建一条插值曲线来估计未知数据点的值。
插值法可以应用于各种数学问题中,例如逼近函数、插值多项式、差值等。
本文将详细介绍插值法的原理和常见的插值方法。
一、插值法的原理插值法的基本思想是通过已知数据点的函数值来构建一个函数表达式,该函数可以通过插值曲线来估计任意点的函数值。
根据已知数据点的数量和分布,插值法可以采用不同的插值方法来构建插值函数。
插值法的原理可以用以下几个步骤来描述:1.收集已知数据点:首先,需要收集一组已知的数据点。
这些数据点可以是实际测量得到的,也可以是其他方式获得的。
2.选择插值方法:根据问题的特性和数据点的分布,选择适合的插值方法。
常见的插值方法包括拉格朗日插值法、牛顿插值法、埃尔米特插值法等。
3.构建插值函数:通过已知数据点,利用选择的插值方法构建插值函数。
这个函数可以拟合已知数据点,并通过插值曲线来估计未知数据点。
4.估计未知数据点:利用构建的插值函数,可以估计任意点的函数值。
通过插值曲线,可以对未知数据点进行预测,获得相应的数值结果。
二、常见的插值方法1.拉格朗日插值法:拉格朗日插值法基于拉格朗日多项式,通过构建一个具有多项式形式的插值函数来逼近已知数据点。
插值函数可以通过拉格朗日基函数计算得到,式子如下:P(x) = ∑[f(xi) * l(x)], i=0 to n其中,P(x)表示插值函数,f(xi)表示已知数据点的函数值,l(x)表示拉格朗日基函数。
2.牛顿插值法:牛顿插值法基于牛顿差商公式,通过构建一个递归的差商表来逼近已知数据点。
插值函数可以通过牛顿插值多项式计算得到,式子如下:P(x) = f(x0) + ∑[(f[x0, x1, ..., xi] * (x - x0) * (x - x1)* ... * (x - xi-1)] , i=1 to n其中,P(x)表示插值函数,f[x0, x1, ..., xi]表示xi对应的差商。
4.1 设(0.4)0.38942,(0.5)0.47943,(0.6)0.56464f f f ===,使用一次、二次Lagrange 插值多项式计算(0.5789)f 的近似值.解:(0.4)0.38942,(0.5)0.47943,(0.6)0.56464f f f === 一次Lagrange 插值多项式公式05338.08521.06.05.06.0)5.0(5.06.05.0)6.0()(1+=--+--=x x f x f x P故546669.005338.057891.08521.0)57891.0(1≈+⨯=P . 二次Lagrange 插值多项式公式:)5.04.0)(6.04.0()5.0)(6.0()4.0()4.05.0)(6.05.0()4.0)(6.0()5.0()4.06.0)(5.06.0()4.0)(5.0()6.0()(2----+----+----=x x f x x f x x f x P 即01862.01161.124.0)(22-+-=x x x P故5470686.001862.057891.01161.157891.024.0)57891.0(22=-⨯+⨯-=P4.2 设01(),(),,()n l x l x l x 是以为节点的01,,,n x x x 的n 次Lagrange 插值基函数,试证明;(),0,1,,njjk kk x l x x j n ===∑证:假设在对应于01,,,n x x x 节点的函数值为,...)1,0(=i y i ,则应有:),...,1,0()()(1n i x l y x P ni i i ==∑=取n j x y ji i ,...,1,0,==,由插值条件有:j i i j x y x P ==)(故0()n jji i ii x x l x ==∑,即0()njj k ki x x l x ==∑4.3 给出sinx 在[,]ππ-上的函数表,用二次插值进行计算,若希望截断误差小于510-,问函数表的步长h 最大能取多少? 解:插值余项公式εϖϖξ≤≤=-=|)(|!3)()(!3)(''')()()(22222x x M x f x P x f x R 在这里))()(()(2102x x x x x x x ---=ϖ令y x x =-0,则h y x x -=-1,h y x x 22-=-,其中h y 20<<,于是:y h hy y h y h y y x 223223)2)(()(+-=--=ϖ由0263)('222=+-=h hy y x ϖ,解得)(2x ϖ在h y 20<<上的两个驻点为:h y 3332,1±=322212220220932|)2(),(),(),0(|max |)(|max h h y y x hy hy ==<<<<ϖϖϖϖϖ 又因为1|cos |max |)('''|max )(202=-==≤≤-<<x x f x M x x x x ππ,510-=ε故53210273)(-≤≤h x R ,0538.03/102735≈⨯≤-h4.4 74()31f x x x x =+++,求017[2,2,...,2]f 及018[2,2,...,2]f .解:根据差商定义kk k k x x x x x f x x x x f x x x x f --=-],...,,[],...,,,[],...,,,[1011010,由差商性质:!)(],...,,[)(10n f x x x f n n ξ=111!7)(]2,...,2,2[)7(71===ξf f ,010!8)(]2,...,2,2[)8(810===ξf f4.5 给定双曲正弦函数()f x shx =的函数表如下:x0.00 0.20 0.30 0.50 ()f x0.20133600.30452030.5210953试用三次Newton 插值多项式来计算(0.23)f 的近似值,并给实际误差.解:由函数表数据求得各阶均差如下表所示: x )(x f 一阶均差二阶均差 三阶均差 0 0 0.2 0.201336 1.006680.3 0.3045203 1.031843 0.0838766670.5 0.5210953 1.082875 0.1701066670.17246故满足已给条件的三次Newton 插值多项式为:0.30)-0.20)(-(0.17246)20.0(083876667.000668.10)(3x x x x x x x N +-++= 即x x x x N 0002522666.1002353333.017246.0)(333+-=又1312320332037.0)23.0(≈f ,2232320318508.0)23.0(3≈N故误差63103528908.1|)23.0()23.0(|-⨯≈-N f4.6 确定一个次数不高于4的多项式()x ϕ,使1)2(,0)1(')1(,0)0(',0)0(=====ϕϕϕϕϕ 解:依题意,先构造三次mi Her te 插值多项式:30101()(0)()(1)()'(0)()'(1)()x h x h x H x H x ϕϕϕϕϕ=+++其中20)101)(01021()(----+=x x x h ,21)010)(10121()(----+=x x x h 20)101)(0()(---=x x x H ,21)010)(1()(---=x x x H整理得:23()(2)x x x ϕ=-再构造次数不高于4的多项式()x ϕ:223()()(0)(1)x x A x x ϕϕ=+--)(待定A(2)1ϕ=回代解得:41=A 故2222211()(2)(1)(3)44x x x x x x x ϕ=-+-=-.4.8 设函数21()1f x x=+定义在区间[5,5]-上,取10n =,按等距节点构造分段线性插 值函数()n S x ,并估计其误差.解:取等距插值节点i x i +-=5,)10,...,1,0(=i ,给出区间]5,0[上的函数值如下表: x 0 1 2 3 4 5 )(x f11/21/51/101/171/26在区间]0,5[-上的函数值可利用对称性得到. 再构造各点的插值基函数:⎩⎨⎧≤<--≤≤-+-=54,045),4()(0x x x x l , )9,...,2,1(,]4,6/[]5,5[,045),4(56,6)(=⎪⎩⎪⎨⎧+-+--+-≤<+-+--+-≤≤+-+-=j j j j x j j x j x j j x x l j ,⎩⎨⎧≤<-≤≤-=54,445,0)(10x x x x l , 故分段线性插值函数)]()([51)]()([21)]()([)()()(8291100101x l x l x l x l x l x l x l x f x P j j j +++++==∑=)(261)]()([171)]()([10156473x l x l x l x l x l +++++整理得:21121111111111)()()(+++++++++--++--=--+--=j j j j j j j j j jj j j j j j x x x x x x x x x x x f x x x x x f x x x x x P 由线性插值余项可得误差限|)(''|max 88|)()(||)(|5522x f h M h x S x f x R x ≤≤-=≤-=其中,22322)1(2)1(8)(''+-+=x x x x f ,令0)1(24)1(48)('''32423=+++-=x xx x x f ,解得)(''x f 的两个极值点01=x ,12-=x故2|)0(''|max |)(''|max 55===≤≤-f x f M x又因为1=h ,故误差41)(≤x R .4.10 设()ln f x x =,给定''(1)0.0,(2)0.693147,(1) 1.0,(2)0.5f f f f ====,用三次mi Her te 插值多项式来近似(1.5)f .解:依题意构造三次mi Her te 插值多项式)(x P :)()2(')()1(')()2()()1()(2121x H f x H f x h f x h f x P +++=其中,21)212)(12121()(----+=x x x h ,22)121)(21221()(----+=x x x h 21)212)(1()(---=x x x H ,22)121)(2()(---=x x x H回代解得534265.1182236.2761677.0113706.0)(23-+-=x x x x P5.1=x 回代解得40907.0)5.1(≈P4.11 确定三次样条插值()s x ,它在节点(1,2,3,4)j x j =满足插值条件()j j s x f =,其中:j x 0.25 0.30 0.39 0.45 0.53 j f0.5000 0.5477 0.6245 0.6708 0.7280 'j f1.00000.6868解:j j j x x h -=+1,)]()(1[3,1111j j jj j j j j j j j jj y y h y y h h h h -+--=+=+--+ααβα,jj x j fj h j αj β0 0.25 0.5 0.051 0.3 0.5477 0.09 5/14 2.75412 0.39 0.6245 0.06 3/5 2.41303 0.45 0.6708 0.083/72.242140.53 0.728依题意()j j s x f =,j j m x S =)('1)('00==x S m ,6868.0)('44==x S m联立方程组⎪⎩⎪⎨⎧=++-=++-=++-3433232322121211012)1(2)1(2)1(βααβααβααm m m m m m m m m 解得7452.0,8004.0,9127.0321===m m m)(x S 在],[1+j j x x 上的表达式为:211112111))(21)(())(21)(()(j j jj j j j j j j jj j j x x x x x x x x x S x x x x x x x x x S x S ----++----+=+++++++2111211))(())((jj jj j j j j j j x x x x x x m x x x x x x m ---+---++++++将以上数据代入,得:3232321.8800(0.25) 1.0140(0.25) 1.0000(0.25)0.5000,[0.25,0.30]0.7942(0.30)0.7311(0.30)0.9127(0.30)0.5477,[0.30,0.39]()0.6296(0.39)0.5167(0.39)0.8004(0.30)0.6245,[0.39x x x x x x x x S x x x x x ---+-+∈---+-+∈=---+-+∈32,0.45]0.3125(0.45)0.4025(0.45)0.7452(0.45)0.6708,[0.45,0.53]x x x x ⎧⎪⎪⎨⎪⎪---+-+∈⎩。