插值法

插值法

插值法又稱“內插法”,是利用函式f (x)在某區間中已知的若干點的函式值,作出適當的特定函式,在區間的其他點上用這特定函式的值作為函式f (x)的近似值,這種方法稱為插值法。如果這特定函式是多項式,就稱它為插值多項式。

定義

插入法的拉丁文原意是“內部插入”,即在已知的函式表中,插入一些表中沒有列出的、所需要的中間值。

若函式f(x)在自變數x一些離散值所對應的函式值為已知,則可以作一個適當的特定函式p(x),使得p(x)在這些離散值所取的函式值,就是f(x)的已知值。從而可以用p(x)來估計f(x)在這些離散值之間的自變數所對應的函式值,這種方法稱為插值法。

如果只需要求出某一個x所對應的函式值,可以用“圖解內插”。它利用實驗數據提供要畫的簡單曲線的形狀,然後調整它,使得儘量靠近這些點。

如果還要求出因變數p(x)的表達式,這就要用“表格內插”。通常把近似函式p(x)取為多項式(p(x)稱為插值多項式),最簡單的是取p(x)為一次式,即線性插值法。在表格內插時,使用差分法或待定係數法(此時可以利用拉格朗日公式)。在數學、天文學中,插值法都有廣泛的套用。

Lagrange插值

Lagrange插值是n次多項式插值,其成功地用構造插值基函式的 方法解決了求n次多項式插值函式問題。

★基本思想 將待求的n次多項式插值函式pn(x)改寫成另一種表示方式,再利用插值條件⑴確定其中的待定函式,從而求出插值多項式。

Newton插值

Newton插值也是n次多項式插值,它提出另一種構造插值多項式的方法,與Lagrange插值相比,具有承襲性和易於變動節點的特點。

★基本思想 將待求的n次插值多項式Pn(x)改寫為具有承襲性的形式,然後利用插值條件⑴確定Pn(x)的待定係數,以求出所要的插值函式。

Hermite插值

Hermite插值是利用未知函式f(x)在插值節點上的函式值及導數值來構造插值多項式的,其提法為:給定n+1個互異的節點x0,x1,……,xn上的函式值和導數值求一個2n+1次多項式H2n+1(x)滿足插值條件

H2n+1(xk)=yk

H'2n+1(xk)=y'k k=0,1,2,……,n ⒀

如上求出的H2n+1(x)稱為2n+1次Hermite插值函式,它與被插函式一般有更好的密合度.

★基本思想

利用Lagrange插值函式的構造方法,先設定函式形式,再利用插值條件⒀求出插值函式.

分段插值

插值多項式餘項公式說明插值節點越多,誤差越小,函式逐近越好,但後來人們發現,事實並非如此,例如:取被插函式

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在[-5,5]上的n+1個等距節點:計算出f( )後得到Lagrange插值多項式(x),考慮[-5,5]上的一點x=5-5/n,分別取n=2,6,10,14,18計算(x),(x)及對應的誤差(x),得下表

插值法 插值法

從表中可知,隨節點個數n的增加,誤差l(x)l不但沒減小,反而不斷的增大.這個例子最早是由Runge研究,後來人們把這種節點加密但誤差增大的現象稱為Runge現象.出現Runge現象的原因主要是當節點n較大時,對應的是高次插值多項式,此差得積累"淹沒"了增加節點減少的精度.Runge現象否定了用高次插值公式提高逼近精度的想法,本節的分段插值就是克服Runge現象引入的一種插值方法.

分段多項式插值的定義為

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定義2: a=x0<x1<…<xn=b: 取[a,b]上n+1個節點 並給定在這些節點 上的函式值f( )= R=0,1,…,n

如果函式Φ(x)滿足條件

i) Φ(x)在[a,b]上連續

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ii) Φ( )= ,R =0,1,…,n

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iii) Φ(x)在每個小區間[ , ]是m次多項式,

R=0,1,…,n-1則稱Φ(x)為f(x)在[a,b]上的分段m次插值多項式

實用中,常用次數不超過5的底次分段插值多項式,本節只介紹分段線性插值和分段三次Hermite插值,其中分段三次Hermite插值還額外要求分段插值函式Φ(x)

在節點上與被插值函式f(x)有相同的導數值,即

★基本思想 將被插值函式f〔x〕的插值節點 由小到大 排序,然後每對相鄰的兩個節點為端點的區間上用m 次多項式去近似f〔x〕.

例題

例1 已知f(x)=ln(x)的函式表為:

試用線性插值和拋物線插值分別計算f(3.27)的近似值並估計相應的誤差。

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解:線性插值需要兩個節點,內插比外插好因為3.27 (3.2,3.3),故選 =3.2, =3.3,由n=1的lagrange插值公式,有

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所以有,為保證內插對拋物線插值,選取三個節點為 =3.2, =3.3, =3.4,由n=2的lagrange插值公式有

故有

所以線性插值計算ln3.27的誤差估計為

故拋物線插值計算ln3.27的誤差估計為:

顯然拋物線插值比線性插值精確。

樣條插值

樣條插值是一種改進的分段插值。

定義 若函式在區間〖a,b〗上給定節點a=x0<x1<;…<xn=b及其函式值yj,若函式S(x)滿足

⒈ S(xj)=yj,j=0,1,2,…,n;

插值法主要用於道路橋樑,機械設計,電子信息工程等很多工科領域的最佳化方法。

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