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多项式插值

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内插法”,是利用函数f (x)在某区间中已知的若干点的函数值,作出适当的特定函数,在区间的其他点上用这特定函数的值作为函数f (x)的近似值,这种方法称为插值法。如果这特定函数是多项式,就称它为多项式插值。常用的几种多项式插值法有:直接法、拉格朗日插值法和牛顿插值法。
中文名
多项式插值
外文名
polynomial interopolation
类    型
插值技术
方    法
直接法;拉格朗日法;牛顿法
用    来
曲线拟合、回归
应用领域
人工智能

目录

  1. 1定义
  2. 2唯一性和误差
  3. 3计算方法
  4. 4比较
使得它满足条件
其中,i=0,1,...,n。也就是说,多项式y=P(x)的图像要经过给定的n+1个点。
在实际应用中,这些插值点可能来自某次实验测量所得的数据,也可能来自某个复杂函数
的值。通过计算插值多项式,我们可以找到这些实验数据间的规律,或者使用简单的多项式函数
来近似复杂的函数
[1]
图示
通过求解这个线性方程组,即得到插值多项式。
优点:直接,性质一目了然。
缺点:待求解的线性方程组的系数矩阵为范德蒙德(Vandermonde)矩阵,它是一个病态矩阵,这使得在实际求解方程组时将产生很大的误差。
拉格朗日多项式插值
拉格朗日(Lagrange)多项式插值的原理是:先构造一组拉格朗日基函数
,这些基函数为次数不超过n的多项式,且具有性质
然后将这些基函数做线性组合,得到拉格朗日插值多项式
容易验证,多项式L(x)满足插值条件
拉格朗日基函数
的构造如下:
由基函数的性质,当
时,
,即
的零点,可以假设
其中,K为待定系数。再由
,得到
从而得到
因此,基函数
,则
还可以表示为
下面的定理说明
称为基函数的原因:
定理三:
为全体次数不超过n的多项式构成的集合,则
是线性空间
的一组基。
Matlab 实现
function [y,Lb] = LagrangeInterpolation(X,Y,x) % 拉格朗日多项式插值函数 % 注意:插值点的个数为n,差值多项式的次数为n-1 % % 输入参数 % X,Y: 插值点坐标 % x: 求值点 % % 输出参数 % y: 拉格朗日插值多项式在x点的值 % Lb: 拉格朗日基函数在x点的值 if length(X) ~= length(Y)    error('X和Y的长度不相等');     endn = length(X);     %获取插值点的个数     %初始化     y = 0;    Lb = ones(1,n);     for i = 1:n            for j = 1:n %计算拉格朗日基函数在x点的值            if j ~= i               Lb(i) = Lb(i) * (x-X(j))/(X(i)-X(j));                     end       end       y = y + Lb(i)*Y(i);         %计算拉格朗日插值多项式的值      end end
均差与牛顿多项式插值
牛顿多项式插值是基于均差的计算。首先定义均差如下:
函数f(x)关于点的一阶均差(或差商)为
一阶均差反映了函数在区间的平均变化率
用递归的方式,我们定义二阶均差为
同理,k阶均差为
特别地,0阶均差定义为
根据均差的定义,构造均差表如下:
图示
如果将x也看作一个点,由均差的定义可以得到
图示
其中,
称为牛顿插值多项式。
为插值余项
定理一定理二得到均差和导数的关系如下:
其中,
Matlab实现
function [y,Nt]=NewtonInterpolation(X,Y,x) % 牛顿多项式插值函数 % 注意:插值点的个数为n,差值多项式的次数为n-1 % % 输入参数 % X,Y: 插值点坐标 % x: 求值点 % % 输出参数% y:牛顿差值多项式在x点的值 % Nt:均差表 if length(X) ~= length(Y)    error('X和Y的长度不相等');     endn = length(X);     Nt = zeros(n);      %初始化均差表,按列存放各阶均差     Nt(1,1) = Y(1);      %0阶均差     for i = 2:n      %按行计算均差表       Nt(i,1) = Y(i); %0阶均差       for j = 2:i           Nt(i,j) = (Nt(i,j-1)-Nt(i-1,j-1))/(X(i)-X(i-j+1));            end     end     %计算牛顿插值多项式在x点上的值w = 1;    y = Nt(1,1) * w;     for i = 2 : n        w = w * (x - X(i-1));        y = y + Nt(i,i) * w;     end  end
拉格朗日插值需要重新计算全部的基函数,而牛顿插值只需计算均差表中新的一行的值即可。

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