第1单元 插值方法.pptVIP

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第1单元 插值方法

第1章 插值方法 插值法是一种古老的数学方法。早在1000多年前,我国历法上已经记载了应用一次插值和二次插值的实例。 拉格朗日(Lagrange)、牛顿(Newton)、埃特金(Aitken)分别给出了不同的解决方法。 1.1 拉格朗日插值公式 1.2 牛顿插值公式 1.3 埃特金插值公式 1.4 存在惟一性定理 1.5 插值余项 1.6 分段三次埃尔米特插值 1.7 三次样条插值 1.8 应用实例 1.1 拉格朗日插值公式 拉格朗日(Lagrange)插值公式(以下统称为Lagrange插值公式)的基本思想是,把pn(x)的构造问题转化为n+1个插值基函数li(x)(i=0,1,…,n)的构造。 1.n=1的情况 已知函数y=f(x)在点x0,x1上的值为y0,y1,要求多项式y=p1(x),使p1(x0)=y0,p1(x1)=y1。其几何意义,就是通过两点A(x0,y0),B(x1,y1)的一条直线,如图1-2所示。 由直线两点式可知,通过A,B的直线方程为 它也可变形为p1(x)=l0(x)y0+l1(x)y1 显然有:l0(x0)=l1(x1)=1,l0(x1)=l1(x0)=0,p1(x0)=y0,p1(x1)=y1 我们称l0(x)为点x0的一次插值基函数,l1(x)为点x1的一次插值基函数。它们在对应的插值点上取值为1,而在另外的插值点上取值为0。插值函数p1(x)是这两个插值基函数的线性组合,其组合系数就是对应点上的函数值。这种形式的插值称作为拉格朗日(Lagrange)插值。 2.n=2的情况 线性插值只利用两对值(x0,y0)及(x1,y1)求得y=f(x)的近似值,误差较大。 p2(x0)=y0,p2(x1)=y1,p2(x2)=y2 p2(x)是x的二次函数,称为二次插值多项式。通过三点的插值问题称为二次插值或抛物插值。 3.一般情况 我们看到,两个插值点可求出一次插值多项式p1(x),而三个插值点可求出二次插值多项式p2(x)。当插值点增加到n+1个时,我们可以利用Lagrange插值方法写出n次插值多项 式pn(x),如下所示: 1.2 牛顿插值公式 Newton插值算法如下: inputx,(xi,yi),i=0,1,…,n。 y=y0,t=1。 forj=1,…,n do t=t*(x-xj-1)  for i=0,…,n-j do  end y=y+y0*t  end output (x,y),(xi,yi),i=0,1,…,n。 Newton插值算法中的j循环由三部分组成:计算(x-xj)的累积,存入t单元;内套一个i循环用来依次计算差商表中的各阶差商,存入yi单元;y单元用于存放Newton公式中各项累加之和。 [例3] 已知f(-1)=2,f(1)=1,f(2)=1,求f(x)的Newton插值多项式。 解: 设x0=-1,x1=1,x2=2, 则 1.3 埃特金插值公式 埃特金(Aitken)插值公式(以下统称为Aitken插值公式)的构造是基于这样的直观想象:平面上的两个点可以连成一条直线, 对应一个线性函数;把线性函数看作形式点, 经线性组合, 可构成二次函数;把二次函数再看作形式点, 经线性组合, 可构成三次函数。 从Aitken插值公式向算法转化要考虑的问题是: (1) 插值公式右端n-1次多项式应如何处理; (2) 插值表中的元素应设置多少个存储单元; (3) 插值表中第k列第i行元素的计算公式。 ?  Aitken插值算法如下:  input x,(xi,yi),i=0,1,…,n 1 k L: for i=k,k+1,…,n do  end  ifk≠nthen k+1 k, go to L  ifk=n,output yn    Aitken插值算法为二重循环。外循环为k循环,用于计算Aitken插值表中的第k列;内循环为i循环,用于计算Aitken插值表中的第k列中的第i个元素。 [例4]已知f(-1)=2,f(1)=1,f(2)=1,求f(x)的Aitken插值多项式。 解:设x0=-1,x1=1,x2=2 1.4 存在惟一性定理 Lagrange插值公式、Newton和Aitken插值多项

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