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[人工智能]【数值分析学习笔记】——3、插值与多项式逼近

3、插值与多项式逼近

? ?种类:拉格朗日插值多项式、牛顿插值多项式、Hermite插值、样条插值等等。

3.1拉格朗日插值多项式

news_20191112_2 ? ?最简单的插值是用直线连接两个数据点。如右图,这种方法称为线性插值(linear interpolation)。由直线斜率相等得:

f ( x ) ? f ( x 1 ) x ? x 1 = f ( x 2 ) ? f ( x 1 ) x 2 ? x 1 \frac{{f(x) - f({x_1})}}{{x - {x_1}}} = \frac{{f({x_2}) - f({x_1})}}{{{x_2} - {x_1}}} x?x1?f(x)?f(x1?)?=x2??x1?f(x2?)?f(x1?)?? ?整理得到:

f ( x ) = f ( x 1 ) + f ( x 2 ) ? f ( x 1 ) x 2 ? x 1 ( x ? x 1 ) f(x) = f({x_1}) + \frac{{f({x_2}) - f({x_1})}}{{{x_2} - {x_1}}}(x - {x_1}) f(x)=f(x1?)+x2??x1?f(x2?)?f(x1?)?(x?x1?)

? ?将线性插值的公式进行重新整理可以得到:
f ( x ) = x ? x 2 x 1 ? x 2 f ( x 1 ) + x ? x 1 x 2 ? x 1 f ( x 2 ) f(x) = \frac{{x - {x_2}}}{{{x_1} - {x_2}}}f({x_1}) + \frac{{x - {x_1}}}{{{x_2} - {x_1}}}f({x_2}) f(x)=x1??x2?x?x2??f(x1?)+x2??x1?x?x1??f(x2?)? ?即将线性插值多项式看成由直线相连的两个点的加权平均,就是拉格朗日插值多项式:


f ( x ) = L 1 f ( x 1 ) + L 2 f ( x 2 ) f(x) = {L_1}f({x_1}) + {L_2}f({x_2}) f(x)=L1?f(x1?)+L2?f(x2?)

? ?其中L是加权系数。由此推断,第一个加权系数可以是在x处等于1,在x,处等于0的直线: L 1 = x ? x 2 x 1 ? x 2 {L_1} = \frac{{x - {x_2}}}{{{x_1} - {x_2}}} L1?=x1??x2?x?x2??。同理,第二个系数是在x处等于1、在x处等于0的直线: L 2 = x ? x 1 x 2 ? x 1 {L_2} = \frac{{x - {x_1}}}{{{x_2} - {x_1}}} L2?=x2??x1?x?x1??。(这里有点像有限元当中的形函数)。公式:
f ( x ) = x ? x 2 x 1 ? x 2 f ( x 1 ) + x ? x 1 x 2 ? x 1 f ( x 2 ) f(x) = \frac{{x - {x_2}}}{{{x_1} - {x_2}}}f({x_1}) + \frac{{x - {x_1}}}{{{x_2} - {x_1}}}f({x_2}) f(x)=x1??x2?x?x2??f(x1?)+x2??x1?x?x1??f(x2?)称为线性拉格朗日插值多项式。
? ?一次、二次以及更高次的拉格朗日多项式都可以简写为: f n ? 1 ( x ) = ∑ i = 1 n L i ( x ) f ( x i ) {f_{n - 1}}(x) = \sum\limits_{i = 1}^n {{L_i}(x)f({x_i})} fn?1?(x)=i=1n?Li?(x)f(xi?) 其中: L i ( x ) = ∏ j = 1 n x ? x j x i ? x j ( i ≠ j ) {L_i}(x) = \prod\limits_{j = 1}^n {\frac{{x - {x_j}}}{{{x_i} - {x_j}}}} {\rm{ }}(i \ne j) Li?(x)=j=1n?xi??xj?x?xj??(i?=j) n=数据点的个数。

3.2牛顿插值多项式

? ?线性插值:
f 1 ( x ) = f ( x 1 ) + f ( x 2 ) ? f ( x 1 ) x 2 ? x 1 ( x ? x 1 ) {f_1}(x) = f({x_1}) + \frac{{f({x_2}) - f({x_1})}}{{{x_2} - {x_1}}}(x - {x_1}) f1?(x)=f(x1?)+x2??x1?f(x2?)?f(x1?)?(x?x1?) b 1 = f ( x 1 ) {b_1} = f({x_1}) b1?=f(x1?) b 2 = f ( x 2 ) ? f ( x 1 ) x 2 ? x 1 {b_2} = \frac{{f({x_2}) - f({x_1})}}{{{x_2} - {x_1}}} b2?=x2??x1?f(x2?)?f(x1?)? 则: f ( x ) = b 1 + b 2 ( x ? x 1 ) f(x) = {b_1} + {b_2}(x - {x_1}) f(x)=b1?+b2?(x?x1?)

? ?二次插值:
f 2 ( x ) = b 1 + b 2 ( x ? x 1 ) + b 3 ( x ? x 1 ) ( x ? x 2 ) {f_2}(x) = {b_1} + {b_2}(x - {x_1}) + {b_3}(x - {x_1})(x - {x_2}) f2?(x)=b1?+b2?(x?x1?)+b3?(x?x1?)(x?x2?)? ?确定系数值,首先令 x = x 1 x = {x_1} x=x1?得到: b 1 = f ( x 1 ) {b_1} = f({x_1}) b1?=f(x1?),再令 x = x 2 x = {x_2} x=x2?得到: b 2 = f ( x 2 ) ? f ( x 1 ) x 2 ? x 1 {b_2} = \frac{{f({x_2}) - f({x_1})}}{{{x_2} - {x_1}}} b2?=x2??x1?f(x2?)?f(x1?)?,最后令 x = x 3 x = {x_3} x=x3?得到: b 3 = f ( x 3 ) ? f ( x 2 ) x 3 ? x 2 ? f ( x 2 ) ? f ( x 1 ) x 2 ? x 1 x 3 ? x 1 {b_3} = \frac{{\frac{{f({x_3}) - f({x_2})}}{{{x_3} - {x_2}}} - \frac{{f({x_2}) - f({x_1})}}{{{x_2} - {x_1}}}}}{{{x_3} - {x_1}}} b3?=x3??x1?x3??x2?f(x3?)?f(x2?)??x2??x1?f(x2?)?f(x1?)??
? ?牛顿插值多项式的一般形式:
? ?考虑用(n-1)次多项式拟合n个数据点,前面的分析可以进行推广。(n-1)次插值多项式为:
f n ? 1 ( x ) = b 1 + b 2 ( x ? x 1 ) + ? + b n ( x ? x 1 ) ( x ? x 2 ) ? ( x ? x n ? 1 ) {f_{n - 1}}(x) = {b_1} + {b_2}(x - {x_1}) + \cdots + {b_n}(x - {x_1})(x - {x_2}) \cdots (x - {x_{n - 1}}) fn?1?(x)=b1?+b2?(x?x1?)+?+bn?(x?x1?)(x?x2?)?(x?xn?1?)

? ?与线性插值与二次插值一样,系数 b 1 , b 2 , b 3 , ? ? , b n {b_1},{b_2},{b_3}, \cdots ,{b_n} b1?,b2?,b3?,?,bn?由数据点确定。 (n-1)次多项式需要n个数据点: 。可以用这些数据点和下面的公式计算系数:
b 1 = f ( x 1 ) , b 2 = f [ x 2 , x 1 ] , b 3 = f [ x 3 , x 2 , x 1 ] ? ? , b n = f [ x n , x n ? 1 , ? ? , x 2 , x 1 ] {b_1} = f({x_1}),{\rm{ }}{b_2} = f[{x_2},{x_1}],{\rm{ }}{b_3} = f[{x_3},{x_2},{x_1}] \cdots ,{\rm{ }}{b_n} = f[{x_n},{x_{n - 1}}, \cdots ,{x_2},{x_1}] b1?=f(x1?),b2?=f[x2?,x1?],b3?=f[x3?,x2?,x1?]?,bn?=f[xn?,xn?1?,?,x2?,x1?]
? ?带方括号的函数值表示为有限均差。例如一阶有限均差表示为:
f [ x i , x j ] = f ( x i ) ? f ( x j ) x i ? x j f[{x_i},{x_j}] = \frac{{f({x_i}) - f({x_j})}}{{{x_i} - {x_j}}} f[xi?,xj?]=xi??xj?f(xi?)?f(xj?)?
? ?两个一阶均差的差分是二阶有限均差,它的一般表示形式为:
f [ x i , x j , x k ] = f [ x i , x j ] ? f [ x j , x k ] x i ? x k f[{x_i},{x_j},{x_k}] = \frac{{f[{x_i},{x_j}] - f[{x_j},{x_k}]}}{{{x_i} - {x_k}}} f[xi?,xj?,xk?]=xi??xk?f[xi?,xj?]?f[xj?,xk?]?
? ?n阶有限均差为:
f [ x n , x n ? 1 , ? ? , x 2 , x 1 ] = f [ x n , x n ? 1 , … , x 2 ] ? f [ x n ? 1 , x n ? 2 , … , x 1 ] x n ? x 1 f[{x_n},{x_{n - 1}}, \cdots ,{x_2},{x_1}] = \frac{{f[{x_n},{x_{n - 1}}, \ldots ,{x_2}] - f[{x_{n - 1}},{x_{n - 2}}, \ldots ,{x_1}]}}{{{x_n} - {x_1}}} f[xn?,xn?1?,?,x2?,x1?]=xn??x1?f[xn?,xn?1?,,x2?]?f[xn?1?,xn?2?,,x1?]?

x i {x_i} xi? f ( x i ) f({x_i}) f(xi?)一阶二阶三阶
x 1 {x_1} x1? f ( x 1 ) f({x_1}) f(x1?) f [ x 2 , x 1 ] = f ( x 2 ) ? f ( x 1 ) x 2 ? x 1 f[{x_2},{x_1}] = \frac{{f({x_2}) - f({x_1})}}{{{x_2} - {x_1}}} f[x2?,x1?]=x2??x1?f(x2?)?f(x1?)? f [ x 3 , x 2 , x 1 ] = f [ x 3 , x 2 ] ? f [ x 2 , x 1 ] x 3 ? x 1 f[{x_3},{x_2},{x_1}] = \frac{{f[{x_3},{x_2}] - f[{x_2},{x_1}]}}{{{x_3} - {x_1}}} f[x3?,x2?,x1?]=x3??x1?f[x3?,x2?]?f[x2?,x1?]? f [ x 4 , x 3 , x 2 , x 1 ] = f [ x 4 , x 3 , x 2 ] ? f [ x 3 , x 2 , x 1 ] x 4 ? x 1 f[{x_4},{x_3},{x_2},{x_1}] = \frac{{f[{x_4},{x_3},{x_2}] - f[{x_3},{x_2},{x_1}]}}{{{x_4} - {x_1}}} f[x4?,x3?,x2?,x1?]=x4??x1?f[x4?,x3?,x2?]?f[x3?,x2?,x1?]?
x 2 {x_2} x2? f ( x 2 ) f({x_2}) f(x2?) f [ x 3 , x 2 ] = f ( x 3 ) ? f ( x 2 ) x 3 ? x 2 f[{x_3},{x_2}] = \frac{{f({x_3}) - f({x_2})}}{{{x_3} - {x_2}}} f[x3?,x2?]=x3??x2?f(x3?)?f(x2?)? f [ x 4 , x 3 , x 2 ] = f [ x 4 , x 3 ] ? f [ x 3 , x 2 ] x 4 ? x 2 f[{x_4},{x_3},{x_2}] = \frac{{f[{x_4},{x_3}] - f[{x_3},{x_2}]}}{{{x_4} - {x_2}}} f[x4?,x3?,x2?]=x4??x2?f[x4?,x3?]?f[x3?,x2?]?
x 3 {x_3} x3? f ( x 3 ) f({x_3}) f(x3?) f [ x 4 , x 3 ] = f ( x 4 ) ? f ( x 3 ) x 4 ? x 3 f[{x_4},{x_3}] = \frac{{f({x_4}) - f({x_3})}}{{{x_4} - {x_3}}} f[x4?,x3?]=x4??x3?f(x4?)?f(x3?)?
x 4 {x_4} x4? f ( x 4 ) f({x_4}) f(x4?)
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