Интерполирование.
Постановка задачи интерполирования. Полином Лагранжа, Стирлинга,
Бесселя, Ньютона. Обратное интерполирование.
Рассмотрим функцию y=f(x), непрерывную на интервале [a ,b] и заданную
некоторыми своими значениями y
i
=f( x
i
), i=0,1, . . . ,n для соответствующих
значений аргумента a≤x
0
<x
1
<. . . <x
n
≤b. Необходимо найти значение этой функции в
точке x
*
∈[a ,b], x
*
≠x
i
и оценить погрешность полученного приближенного значения.
Один из возможных путей решения поставленной задачи заключается в
следующем:
1) для функции f(x) по значениям y
i
в узлах x
i
, i=0,1, . . . ,n строится
многочлен степени не выше n
P
n
(x) = a
0
⋅x
n
+a
1
⋅x
n-1
+. . .+a
n-1
⋅x+a
n
,
(1)
принимающий в точках x
i
значения y
i
, т.е. значения коэффициентов многочлена −
a
i
− находятся из условия:
P
n
(x
i
) = y
i
, i=0,1, . . . , n .
Этот многочлен называется интерполяционным. Он всегда существует и
единственен.
Функция f(x) представляется в виде: f(x)= P
n
(x
) + R
n
(x), (2)
где R
n
(x) − остаточный член интерполяционной формулы. Если функция f(x) имеет
непрерывную производную порядка (n+1) на [a,b], то
).,(),)...()((
)!1(
)(
)(
10
1
baxxxxxx
n
f
xR
n
n
n
∈−−−
+
=
+
ξ
ξ
(3)
2) Вычисляется значение P
n
(x
*
). Если значения y
i
заданы приближенно или
же по каким−либо причинам вычисления не могут быть выполнены абсолютно
точно, то фактически вычисляется лишь приближенное значение
)x(P
*
n
для
точного значения P
n
(x
*
).
3) Приближенно принимается, что f(x
*
) ≈
Р
n
(x
*
).
4) Оценивается погрешность метода по остаточному члену
интерполяционной формулы:
)xx)...(xx)(xx(
)!1n(
M
)x(R
n
*
1
*
0
*
1n
1
*
n
−−−
+
=∆≤
+
,
(4)
где )x(fmaxM
1n
]x,
0
x[
1n
n
+
+
= .
(5)
5) Оценивается погрешность вычисления по погрешностям приближенных
значений исходных данных:
∆
2
≥ P
n
(x
*
) −
P
n
(x
*
).
(6)
Таким образом, полная погрешность приближенного значения есть
∆ ≥ ∆
1
+ ∆
2
≥ f(x
*
) − P
n
(x
*
) .
(7)
Для достаточно гладких функций и достаточного количества узлов на
интервале интерполирования погрешность метода будет достаточно мала. При
достаточной точности исходных значений y
i
и достаточной точности вычислений
)x(P
*
n
вычислительная погрешность будет также достаточно мала; следовательно,
15