数值计算方法—解线性方程组的迭代法.docVIP

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数值计算方法—解线性方程组的迭代法

数值分析—插 值 ─基于Matlab的实现与分析 §4 多项式函数与函数的最佳逼近 §4.1 插值 (Interpolation) §4.1.1 问题的提出 在工程地质测量、机械设计及其制造、信号分析等实践中,经常回遇到曲线的描绘或函数的确定问题,平面上的曲线方程可写成如下的形式               (1) 一般情况下,人们能够知道的或者说能够得到的只是曲线上的若干点,如通过测量可以得到曲线上             (2) 的个点,由于信息不全,这个点不足以确定其所在的曲线,因而人们退一步地希望在充分利用这些数据的前提下,确定一条“简单的”且与未知曲线“最接近”的曲线;此外,在科学研究和计算中,往往回遇到复杂函数的分析与计算,有时用简单的函数来代替,可能会去掉不必要的麻烦而使问题比较容易地得到解决。 只需对自变量做加、减法和乘法运算就能得到函数值是多项式函数显著的特点之一,因此,从计算的角度来说多项式函数是最简单的,因此,在函数最佳逼近方面,“简单的函数(曲线)”指的就是多项式函数(类);   所谓“最接近”或者严格地说最佳逼近,就是从指定的一类简单的函数中寻找一个和给定的函数“最贴近”的函数,从几何(空间)的角度看,函数最佳逼近就是从指定的一类简单的函数(点的集合)中寻找一个和给定的函数(定点)之间距离最短的函数(点)。函数空间中不同的距离度量确定了不同的逼近准则,不同的逼近准则定义了不同的函数最佳逼近。   在插值问题中,最佳逼近准则是:在已知的全部点处,简单函数(被插值多项式)的函数值与未知函数的函数值相等,即          (3) §4.1.2 关于插值问题的基本定理 定理:给定个曲线上点,如果,互不相同,那么,在所有次数不超过次的多项式函数中,存在唯一的多项式函数,满足条件(3)。 证明:次数不超过的多项式可写成            (4) 的形式,要证明在所有次数不超过次的多项式函数中,存在唯一的多项式函数,满足条件(3),等价与证明线性方程组       (5) 即            (6) 有唯一解,线性方程组(6)有唯一解的充分必要条件是系数矩阵满秩,因为方程组(6)的系数矩阵是Vandomonder矩阵,满秩的充分必要条件是,互不相同,因此,当,互不相同时,存在唯一的次数不超过次的多项式满足条件(3)。 §4.1.3 构造插值多项式的方法 1)一点说明 可以通过解线性方程组(6),得到插值多项式(4)的系数,,但是 2)拉格朗日(Lagrange)插值法 (1)构造插值多项式的基函数    (7) (2)拉格朗日插值多项式             (8) (3)简单的证明 因为拉格朗日插值多项式的基函数有如下的性质:     (9) 所以拉格朗日插值多项式     (10) 满足插值的条件。 (4)拉格朗日插值法的不足 在实际问题中,观测的数据可能会不断增加,如果用拉格朗日插值公式构造插值多项式,那么,每当增加数据就要重新计算多项式的系数,由此增加许多不必要的计算工作量。 3)牛顿(Newton)插值法 将插值多项式写成下面的形式  (11) 其系数的确定有如下的特点:计算第个系数只用到前对数据,如 , 因此,当数据增加时,不需要重新计算已有的多项式系数,例如,在已得到插值多项式(11)的情况下,当新增加一对数据时,只需要在原有的插值多项式的基础上增加一项 因此,对于新的插值多项式 只需要计算系数。 4)简单的例子与高次多项式插值的Runge现象 Plot_LangInterp Plot_Runge 5)6) Hermite)多项式插值 如果插值条件为:     (3) 这时的插值问题称为厄米特插值问题。 7)(三次)样条(Spline)插值 (1)插值条件  要求所求的插值多项式(三次样条函数) a 在每个区间,,是次数不超过三次的多项式; b ,; c 在区间上具有二阶连续导数。 (2)确定三次样条函数的条件 根据三次样条插值的要求,样条插值函数在每个小区间,,上都是三次多项式,每个三次多项式有四个系数,总共需要确定个系数,因此,需要个条件才能保证唯一地确定满足要求的三次样条插值函数。 已知 条件 b 给出了条件: , ; (4) 条件 c 要求在区间上具有二阶连续导数,所以,插值函数在中间插值节点,,处,必须满足条件: , ; (5) , ; (6) , ; (7) 这样已有个条件,还

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