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《计算机数学基础》数值部分第二单元辅导.doc
《计算机数学基础》数值部分第二单元辅导
一、重点内容
1. 函数插值
已知函数f(x)的函数值yk=f(xk),k=0,1,2,…,n。构造一个多项式P(x),使得
P(xk)=yk。P(x)是插值多项式,f(x)是被插函数,xk是插值节点。误差R(x)=f(x)-P(x)。
2. 拉格朗日插值多项式
用n次多项式
Pn(x)=y0l0(x)+y1l1(x)+…+ynln(x)=
近似函数f(x),即f(x)(Pn(x),且满足 Pn(xk)=yk(k=0,1,2…,n)。其中基函数
(i=0,1,2,…,n)
当n=1时,线性插值 P1(x)=yklk(x)+yk+1lk+1(x)
其中基函数 , 。
当n=2时,得到二次多项式,就是二次插值。
拉格朗日插值多项式的余项为
其中,
注意:过n+1个互异节点,所得插值多项式应该是次数不超过n的多项式。
3. 均差与牛顿插值多项式
函数值之差与自变量之差的商就是均差,
一阶均差
二阶均差
… … … …
n阶均差
均差有两条常用性质:
(1)均差用函数值yk的线性组合表示;(2)均差与插值节点顺序无关(对称性)。
n阶均差与导数的关系为:
以均差为系数构造多项式,就是牛顿插值多项式,为
Nn(x)= f(x0)+f(x0,x1)(x-x0)+f(x0,x1,x2)(x-x0)(x-x1)
+…+f(x0,x1,x2,…,xn)(x-x0)(x-x1)(x-x2)…(x-xn-1)
牛顿插值多项式的余项为
Rn(x)=f(x)-Nn(x)
=f(x,x0,x1,x2,…,xn)(x-x0)(x-x1)(x-x2)…(x-xn-1)(x-xn)
=
4. 分段线性插值
用分点a=x0x1…xn=b将区间[a,b]分成n个小区间[xk, xk+1](k=0,1,…,n-1)。在区间[xk, xk+1]上用一次的多项式Qk(x)近似函数y=f(x)。将Qk(x)(k=0,1,…,n)组合在一起,得到[a,b]上的折线形式的函数P(x),它满足:(1)P(x)在[a ,b]上连续; (2) P(xk)=yk(k=0,1,2,…,n); (3)P(x)在[xk ,xk+1]上是线性函数。P(x)为
分段线性插值函数
其中lk(x)(k=0,1,2,…,n)是分段线性插值基函数。具体写出为
li(x)=
ln(x)=
5. 三次样条插值函数
其中S((xk)=mk(k=0,1,2,…,n), hk=xk+1-xk(k=0,1,2,…,n-1),m0,m1,…,mn满足的方程组是
(*)
其中: ,
(k=1,2,…,n-1)
附加条件:(1) 当已知S((x0)=y(0 ,S((xn)=y(n时,(*)式中
(0=1, (n=1, .
(2) 当已知S((x0)=y(0=m0, S((xn)=y(n=mn时,(*)式化为
6. 最小二乘法
用((x)拟合n对数据(xk,yk) (k=1,2,…,n),使得误差平方和
最小,求((x)的方法,称为最小二乘法。
(1) 直线拟合 若,a0,a1满足法方程组
即a0, a1是法方程组的解。
(2) 二次多项式拟合 若满足法方程组
即a0, a1,a2是法方程组的解。
二、实例
例1 已知函数y=f(x)的观察数据为
xk -2 0 4 5 yk 5 1 -3 1 试构造拉格朗日插值多项式Pn (x),并计算f(-1)的近似值。
[只给4对数据,求得的多项式不超过3次]
解 先构造基函数
所求三次多项式为
P3(x)=
=+-+
=
f(-1)(P3(-1)=
例2 已知函数y=f(x)的数据如表中第2,3列。试计算其各阶均差。
解 依据均差计算公式,结果列表中。
k xk f(xk) 一阶均差 二阶均差 三阶均差 四阶均差 0 0.40 0.410 75 1 0.55 0.578 15 1.
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