- •Глава 2.Численные методы математического анализа Часть 1.Интерполирование и приближение функций
- •§1. Интерполирование алгебраическими многочленами п. 1.1. Определение интерполяционного многочлена
- •П. 1.2. Интерполяционная формула Лагранжа
- •П. 1.3. Интерполяционная формула Ньютона
- •П. 1.4. Погрешность интерполяционной формулы
- •§2. Сплайн-интерполирование п. 2.1. Построение кубического сплайна
- •П. 2.2.Метод прогонки
- •§3. Приближение функций эмпирическими формулами
- •П. 3.1. Подбор эмпирической формулы
- •П. 3.2. Подбор параметров для выбранного типа эмпирической формулы
- •П. 3.2.1. Метод средних
- •П. 3.2.2. Среднеквадратичное приближение
- •Часть 2.Численное интегрирование §1.Простейшие квадратурные формулы п. 1.1.Постановка задачи
- •П. 1.2.Формула прямоугольников
- •П. 1.3.Формула трапеций
- •П. 1.4.Формула Симпсона (парабол)
- •§2.Квадратурные формулы интерполяционного типа п. 2.1.Вывод формул
- •П. 2.2.Оценка погрешности
- •§3.Квадратурные формулы наивысшей алгебраической степени точности
П. 1.4. Погрешность интерполяционной формулы
Заменяя функцию интерполяционным многочленом , мы допускаем погрешность.
Определение 1.6 Разность
называется погрешностью интерполирования, или остаточным членом интерполяционной формулы.
В
узлах интерполирования эта погрешность
равна нулю. Оценим погрешность в любой
точке
.
Для этого рассмотрим вспомогательную
функцию
,
(1.12)
где
,
,
(1.13)
Пусть
требуется оценить
в заданной точке
,
не являющейся узлом интерполирования.
Выберем постоянную
из условия
.
Для этого достаточно положить
Предположим,
что
имеет
непрерывную производную на отрезке
.
Функция
имеет не менее
нулей на этом отрезке, а именно в точках
.
Поэтому производная
имеет не менее чем
нулей на,
- не менее
нулей и т.д., функция
по крайней мере один раз обращается в
нуль на
.
Тем самым существует точка
,
в которой
.
Поскольку
,
получаем
.
Таким образом доказано, что погрешность интерполирования можно представить в виде
(1.14)
где , - многочлен, определенный согласно (1.13).
Отсюда следует оценка
(1.15)
где
Поскольку многочлены Лагранжа и Ньютона отличаются только формой записи, представление погрешности в виде (1.14) справедливо как для формулы Лагранжа, так и для формулы Ньютона.
§2. Сплайн-интерполирование п. 2.1. Построение кубического сплайна
Пусть на задана непрерывная функция . Введем сетку
.
Обозначим
.
Определение
2.1
Интерполяционным кубическим сплайном,
соответствующим данной функции
и данным узлам
называется функция
,
удовлетворяющая следующим условиям:
на каждом сегменте
функция
является многочленом третьей степени;функция , а также ее первая и вторая производные непрерывны на ;
– выполняется
условие интерполирования.
На
каждом из отрезков
,
будем
строить функцию
в виде многочлена третьей степени:
(2.1)
–
коэффициенты,
подлежащие определению. Поясним смысл
введенных переменных. Имеем
поэтому
Из
условия интерполирования
,
получаем
, (2.2)
доопределим
.
Из
непрерывности функции
следует
.
Отсюда, учитывая выражение для
,
получаем
Обозначая
(2.3)
перепишем это уравнение в следующем виде
(2.4)
Условия
непрерывности первой производной
приводят к уравнениям
(2.5)
Условия
непрерывности второй производной
приводят к уравнениям
(2.6)
Объединяя
(2.4)-(2.6), получим систему
уравнений относительно
неизвестных
,
.
Два
недостающих уравнения получают, задавая
те или иные граничные условия для
.
Пусть
функция
удовлетворяет условиям
,
тогда естественно требовать, чтобы
.
Отсюда получаем
,
т.е.
Условие
совпадает с уравнением (2.6) при
,
если положить
.
Таким образом, приходим к замкнутой
системе уравнений для определения
коэффициентов кубического сплайна:
(2.7)
(2.8)
(2.9)
Исключая
из этих уравнений переменные
,
получим систему, содержащую только
.
Для этого рассмотрим два соседних
уравнения вида (2.9):
Вычтем второе уравнение из первого, получаем
Подставим
найденное выражение для
в правую часть уравнения (2.8), получим
.
Приведя подобные слагаемые, и умножив обе части уравнения на 2, получим
(2.10)
Рассмотрим
два соседних уравнения вида (2.7) и умножим
их на
и
соответственно
Подставим эти выражения в (2.10), получаем
.
Окончательно
для определения коэффициентов
получаем
систему уравнений
(2.11)
Системы такого вида решаются методом прогонки. В силу диагонального преобладания система имеет единственное решение.
По найденным коэффициентам ci коэффициенты bi, di определяются с помощью явных формул
(2.12)
