计算方法 3 牛顿插值
牛顿插值法原理及应用
牛顿插值法插值法是利用函数f (x)在某区间中若干点的函数值，作出适当的特定函数，在这些点上取已知值，在区间的其他点上用这特定函数的值作为函数f (x)的近似值。
如果这特定函数是多项式，就称它为插值多项式。
当插值节点增减时全部插值基函数均要随之变化，这在实际计算中很不方便。
为了克服这一缺点，提出了牛顿插值。
牛顿插值通过求各阶差商，递推得到的一个公式：f(x)=f[x0]+f[x0,x1](x-x0)+f[x0,x1,x2](x-x0)(x-x1)+...f[x0,...xn](x-x0 )...(x-xn-1)+Rn(x)。
插值函数插值函数的概念及相关性质[1]定义：设连续函数y-f(x) 在区间[a,b]上有定义，已知在n+1个互异的点x0,x1,…xn上取值分别为y0,y1,…yn （设a≤ x1≤x2……≤xn≤b)。
若在函数类中存在以简单函数P(x) ，使得P(xi)=yi,则称P(x) 为f(x)的插值函数.称x1,x2,…xn 为插值节点，称[a,b]为插值区间。
定理：n次代数插值问题的解存在且唯一。
牛顿插值法C程序程序框图#include<stdio.h>void main(){float x[11],y[11][11],xx,temp,newton;int i,j,n;printf("Newton插值:\n请输入要运算的值:x=");scanf("%f",&xx);printf("请输入插值的次数(n<11):n=");scanf("%d",&n);printf("请输入%d组值:\n",n+1);for(i=0;i<n+1;i++){ printf("x%d=",i);scanf("%f",&x[i]);printf("y%d=",i);scanf("%f",&y[0][i]);}for(i=1;i<n+1;i++)for(j=i;j<n+1;j++){ if(i>1)y[i][j]=(y[i-1][j]-y[i-1][j-1])/(x[j]-x[j-i]);elsey[i][j]=(y[i-1][j]-y[i-1][j-1])/(x[j]-x[j-1]);printf("%f\n",y[i][i]);}temp=1;newton=y[0][0];for(i=1;i<n+1;i++){ temp=temp*(xx-x[i-1]);newton=newton+y[i][i]*temp;}printf("求得的结果为:N(%.4f)=%9f\n",xx,newton);牛顿插值法Matlab程序function f = Newton(x,y,x0)syms t;if(length(x) == length(y))n = length(x);c(1:n) = 0.0;elsedisp('x和y的维数不相等！');return;endf = y(1);y1 = 0;l = 1;for(i=1:n-1)for(j=i+1:n)y1(j) = (y(j)-y(i))/(x(j)-x(i));endc(i) = y1(i+1);l = l*(t-x(i));f = f + c(i)*l;simplify(f);y = y1;if(i==n-1)if(nargin == 3)f = subs(f,'t',x0);elsef = collect(f); %将插值多项式展开f = vpa(f, 6);endend牛顿插值法摘要：值法利用函数f (x)在某区间中若干点的函数值，作出适当的特定函数，在这些点上取已知值，在区间的其他点上用这特定函数的值作为函数f (x)的近似值。
计算方法牛顿插值
称为在xi,xj,xk处的2阶差商
k阶差商：
f [ x0 , x1 ,, xk 1 ] f [ x1 , x2 ,, xk ] f [ x0 , x1 ,, xk ] x0 xk
利用插值条件和差商,可求出Nn(x)的系数 Ai :
A0 f ( x0 ) f [ x0 ] A1 f [ x0 , x1 ]
差商具有如下性质
性质1 (差商与函数值的关系)
f ( xi ) f x0 , x1 ,..., xn i 0 ' ( xi )
性质2 （对称性）：差商的值与结点排列顺序无关
f x0 , , xi , , x j , , xn f x0 ,, x j ,, xi ,, xn
f ( xi ) f ( xi h) f ( xi )
f ( xi ) f ( xi ) f ( xi h)
一阶中心差分 f ( x ) f ( x h ) f ( x h ) i i i /* centered 2 2 difference */
一般地,称k阶差分的差分为k+1阶差分,如二阶 向前和向后差分分别为
f [ x, x0 ] f [ x0 , x1 ] ( x x1 ) f [ x, x0 , x1 ]
1
2
n1
…………
f [ x, x0 , ... , xn1 ] f [ x0 , ... , xn ] ( x xn ) f [ x, x0 , ... , xn ]
1 + (x x0) 2 + … … + (x x0)…(x xn1)
性质5(差分与导数的关系）
k fi k !h k f [ xi , xi 1 ,, xi k ] hk f ( k ) ( ), ( xi xi k )
计算方法第三章(插值法)解答
Aitken（埃特肯）算法 N 0,1,,k , p ( x) L( x) N 0,1,,k ( x)
N 0,1,,k 1, p ( x) N 0,1,,k ( x) x p xk
Neville（列维尔）算法
( x xk )
Ni ,i 1,,k ( x) L( x) Ni ,i 1,,k 1 ( x) Ni 1,i 2,k ( x) Ni ,i 1,,k 1 ( x) xk xi ( x xi )
( x0 , y0 ), ( x1 , y1 )
容易求出，该函数为：
x x0 x x1 y y0 y1 x0 x1 x1 x0
一般插值问题：求过n+1个点
( x0 , y0 ), ( x1 , y1 ),,( xn , yn )
的不超过n次多项式 Ln ( x )。
Ln ( x) yi li ( x )
例子：求方程 x3-2x-5=0 在(2 , 3)内的根 思路: 设 y = f(x) =x3-2x-5 ，其反函数为 x=f -1(y)，则 根为x* =f -1(0) 。先用3= f -1(16)， 2= f -1(-1)插值，得 N0,1 (y) ≈f -1(y), 计算N0,1 (0)= 2.058823, f(2.058823) = -0.39 ，以-0.39为新的节点，继续……
第三章 插值法
第一节 插值多项式的基本概念
假设已经获得n+1点上的函数值
f xi yi , i 0,1,, n,
即提供了一张数据表
x
y f x
x0
y0
x1
y1
x2
xn
y2
计算方法第三章习题答案
计算方法第三章习题答案计算方法第三章习题答案计算方法是一门涵盖了数值计算和计算机编程的学科，它在现代科学和工程中扮演着重要的角色。
第三章是计算方法课程中的重要章节，主要涉及到数值计算中的误差分析和插值方法。
本文将为大家提供第三章习题的详细答案，帮助读者更好地理解和应用这些概念。
1. 误差分析误差分析是计算方法中非常重要的一部分，它帮助我们理解和评估数值计算中的误差来源。
以下是一些常见的误差类型：- 绝对误差：绝对误差是指数值计算结果与真实值之间的差异。
它可以通过计算两者之差来得到。
- 相对误差：相对误差是指绝对误差与真实值之间的比值。
通常以百分比的形式表示。
- 截断误差：截断误差是由于在计算过程中舍入或截断数字而引入的误差。
它通常是由于计算机的有限精度导致的。
- 舍入误差：舍入误差是由于将无限位数的小数截断为有限位数而引入的误差。
它通常是由于计算机的有限精度或计算方法的近似性质导致的。
2. 插值方法插值方法是一种用于通过已知数据点来估计未知数据点的技术。
以下是一些常见的插值方法：- 线性插值：线性插值是一种简单的插值方法，它假设两个已知数据点之间的未知数据点的取值在直线上。
通过已知数据点的斜率和截距，我们可以计算出未知数据点的值。
- 拉格朗日插值：拉格朗日插值是一种使用多项式来逼近已知数据点的方法。
它通过构造一个满足通过已知数据点的多项式来估计未知数据点的值。
- 牛顿插值：牛顿插值是一种使用差商来逼近已知数据点的方法。
它通过构造一个满足通过已知数据点的差商多项式来估计未知数据点的值。
3. 习题答案以下是一些第三章习题的答案，供大家参考：- 习题1：已知函数f(x)在区间[a, b]上连续，且在[a, b]上的导数存在且连续，证明存在一点c∈(a, b)，使得f(b) - f(a) = (b - a)f'(c)。
这是拉格朗日中值定理的一个特例，根据定理的条件，我们可以得到上述结论。
- 习题2：已知函数f(x)在区间[a, b]上连续，且在(a, b)内可导，证明存在一点c∈(a, b)，使得f'(c) = (f(b) - f(a))/(b - a)。
牛顿插值法介绍
牛顿插值法介绍本文将介绍牛顿插值法的基本原理、计算过程、优缺点以及在实际问题中的应用。
首先，我们将简要介绍插值法的基本概念和牛顿插值法的由来，然后详细讨论牛顿插值法的计算步骤和算法，接着分析其优缺点以及适用范围，最后通过几个实际问题的例子展示牛顿插值法的应用场景。
一、插值法基本概念在数学和计算机领域，插值是指根据已知的离散数据点构造满足这些数据点的曲线或函数的过程。
假设我们有一组数据点{(x1, y1), (x2, y2), ..., (xn, yn)}，我们想要通过这些数据点构建一个函数f(x)，使得f(xi) = yi，其中i = 1, 2, ..., n。
这样的函数就是经过插值的函数，它代表了这些数据点的趋势和变化规律。
插值法通常用于寻找这样的函数，它能够通过已知的数据点来估计函数在其他位置的值。
常见的插值方法包括拉格朗日插值法、牛顿插值法和埃尔米特插值法等。
在这些方法中，牛顿插值法是最为广泛使用的一种，因为它的计算效率高、精度较高，并且易于编程实现。
二、牛顿插值法的由来牛顿插值法由艾萨克·牛顿在17世纪提出，他是一位英国著名的数学家、物理学家和天文学家，在微积分、物理学和光学等领域都做出了重大贡献。
牛顿发展了牛顿插值法的理论基础和计算方法，并将其应用于数据分析和天体运动等问题中。
牛顿插值法基于牛顿插值多项式的概念，该多项式利用差商（divided differences）来表示，并具有易于计算和分析的优势。
牛顿插值多项式能够在已知的数据点上进行插值，并且还可以通过添加新的数据点来动态地更新插值结果。
因此，牛顿插值法成为了一种非常有用的数值计算工具，被广泛应用于工程、科学和金融等领域。
三、牛顿插值法的计算步骤1. 确定数据点首先，我们需要确定一组离散的数据点{(x1, y1), (x2, y2), ..., (xn, yn)}，这些数据点是我们已知的数据，我们要通过它们来构建插值函数。
牛顿插值法公式
牛顿插值法公式牛顿插值法公式，这可真是个有趣又实用的数学工具！还记得我当年读书的时候，有一次参加数学竞赛的集训。
那时候，我们一群对数学充满热情的小伙伴天天聚在一起钻研各种难题。
有一天，老师就给我们讲到了牛顿插值法公式。
当时，我们都被这个看起来有点复杂的公式给难住了。
老师在黑板上写下：$N(x) = f[x_0] + f[x_0, x_1](x - x_0) + f[x_0, x_1, x_2](x -x_0)(x - x_1) + \cdots + f[x_0, x_1, \cdots, x_n](x - x_0)(x - x_1) \cdots (x - x_{n-1})$ ，然后开始给我们讲解每个部分的含义。
老师说，这个公式就像是一个神奇的魔法，能够通过已知的几个点，帮我们推测出其他未知点的大致情况。
比如说，我们知道了一些温度随时间变化的几个特定时间点的数值，用牛顿插值法公式就能大概猜到其他时间点的温度。
咱来仔细瞅瞅这个公式。
首先，$f[x_0]$ 就是我们已知的第一个点的函数值。
而 $f[x_0, x_1]$ 呢，它叫一阶差商，计算方法是$\frac{f(x_1) - f(x_0)}{x_1 - x_0}$ 。
再往后的二阶差商 $f[x_0, x_1,x_2]$ 、三阶差商 $f[x_0, x_1, x_2, x_3]$ 等等，计算起来就更复杂一点啦，但原理都是相通的，就是通过不断地找差值的差值来找到规律。
举个简单的例子吧。
假设我们知道三个点，$(1, 2)$ 、$(2, 5)$ 和$(3, 10)$ 。
先算一阶差商，$f[1, 2] = \frac{5 - 2}{2 - 1} = 3$ ，$f[2, 3] =\frac{10 - 5}{3 - 2} = 5$ 。
然后算二阶差商，$f[1, 2, 3] = \frac{5 - 3}{3 - 1} = 1$ 。
这样，我们就能用牛顿插值法公式写出通过这三个点的插值多项式啦。
牛顿插值法
f [ x, x0 , x1 ,, xk 1 ] f [ x0 , x1,, xk ] f [ x, x0 , x1 ,, xk ](x xk )
因此可得
f ( x) f0 f [ x, x0 ](x x0 )
f0 ( f [ x0 , x1 ] f [ x, x0 , x1 ](x x1 ))(x x0 ) f0 f [ x0 , x1 ](x x0 ) f [ x, x0 , x1 ](x x0 )(x x1 )
为f ( x)关于xi , x j , xk的二阶差商
依此类推
5
f [ xi0 , xi1 ,, xik 1 , xik ]
f [ xi0 , xi1 ,, xik ] f [ xi0 , xi1 ,, xik 2 , xik 1 ] xik xik 1
为f ( x)关于节点 xi0 , xi1 ,, xik1 , xik 的k阶差商
2 f i 2 f i 1 3 2h3 3 f i 3!h 3
20
3 fi 3 2 fi 2 2 fxi 3 3 3!h 3 3 2h
k ( x) ( x x j )
j 0
k 1
f0 f [ x0 , x1 ,, xk ]( x x j )
k 1
n
n
k 1 j 0
为k次多项式
f 0 f [ x0 , x1 ,, xk ] k ( x)
k 1
为f ( x)关于节点 xi 的n次Newton插值多项式
f 0
f 1
f 1 f 2
f 3
2 f0
2 f2
2 f3
3 f0
牛顿插值法的原理和推导过程
牛顿插值法的原理和推导过程一、引言在科学计算和数值分析中，插值法是一种重要的数学工具，它可以通过已知的离散数据点来估计未知点的值。
在众多插值法中，牛顿插值法以其形式简洁、计算方便而广受欢迎。
本文将对牛顿插值法的原理和推导过程进行详细阐述。
二、牛顿插值法的基本原理牛顿插值法是一种多项式插值方法，它的基本思想是通过构造一个n次多项式Pn(x)，使得该多项式在给定的n+1个插值节点上与被插值函数f(x)具有相同的函数值。
这样，在插值节点之间，我们可以用Pn(x)来近似代替f(x)。
三、牛顿插值法的推导过程差商与差分为了构造插值多项式，首先需要引入差商的概念。
设f[xi,xj]表示函数f(x)在点xi 和xj上的一阶差商，其计算公式为：f[xi,xj] = (f(xj) - f(xi)) / (xj - xi)类似地，可以定义二阶、三阶乃至n阶差商。
n阶差商f[x0,x1,...,xn]表示函数f(x)在点x0,x1,...,xn上的差商，可以通过低一阶的差商递归计算得到。
差分是差商的另一种表现形式，它与差商之间有一一对应的关系。
在实际计算中，差分往往比差商更方便。
牛顿插值多项式的构造有了差商的概念，我们就可以构造牛顿插值多项式了。
设n次牛顿插值多项式为：Pn(x) = f(x0) + fx0,x1 + fx0,x1,x2(x-x1) + ... + fx0,x1,...,xn(x-x1)...(x-xn-1)其中，f[x0,x1,...,xk]表示k阶差商。
可以看出，Pn(x)是一个形式简洁的多项式，其各项系数即为各阶差商。
为了证明Pn(x)满足插值条件，即Pn(xi) = f(xi) (i=0,1,...,n)，我们可以将xi代入Pn(x)中，逐项验证。
由于差商的性质，当x取xi时，高于i阶的差商项都将为0，因此Pn(xi) = f(xi)。
牛顿插值法的计算步骤（1）根据给定的插值节点，计算各阶差商；（2）根据牛顿插值多项式的公式，构造插值多项式Pn(x)；（3）将需要插值的点代入Pn(x)，得到插值结果。
常见的插值方法及其原理
常见的插值方法及其原理1. 拉格朗日插值法（Lagrange Interpolation）拉格朗日插值法是一种基于多项式的插值方法，通过n+1个已知点的函数值来构造一个n次多项式。
具体的计算公式如下：L(x) = Σ[yk * lk(x)], k=0 to n其中yk为已知点（xi, yi）的函数值，lk(x)为拉格朗日基函数，定义为：lk(x) = Π[(x - xj)/(xi - xj)], j=0 to n, j≠k拉格朗日插值法的原理是通过构造一个通过已知点的n次多项式，来代替未知函数的近似值。
利用拉格朗日基函数的性质，可以保证插值多项式通过已知点。
2. 牛顿插值法（Newton Interpolation）牛顿插值法是一种递推的插值方法，通过已知点的函数值和差商来逐步构造插值多项式。
差商的定义如下：f[x0]=y0f[x1]=(f[x1]-f[x0])/(x1-x0)f[x2]=(f[x2]-f[x1])/(x2-x1)...f[xn] = (f[xn] - f[xn-1]) / (xn - xn-1)利用差商的定义，可以得到牛顿插值多项式的表达式：N(x) = f[x0] + f[x0, x1](x-x0) + f[x0, x1, x2](x-x0)(x-x1) + ... + f[x0, x1, ..., xn](x-x0)(x-x1)...(x-xn)牛顿插值法的原理是通过递推计算差商来得到插值多项式。
通过使用差商来处理已知点的函数值差异，可以得到更高次的插值多项式。
3. 样条插值法（Spline Interpolation）样条插值法是一种基于分段低次插值函数的插值方法，常用的是三次样条插值。
样条插值法通过寻找一组分段函数，使得满足原函数的插值条件，并要求函数在每个插值点处的函数值、一阶导数和二阶导数连续。
这样可以保证插值函数在每个插值点处的平滑性。
三次样条插值法的原理是将整个插值区间划分为多个小区间，在每个小区间内使用三次多项式进行插值。
牛顿插值法补充空值
牛顿插值法补充空值牛顿插值法：一种高效的数值计算方法在数值计算中，插值法是一种常用的方法，它可以通过已知的数据点来推算出未知的数据点。
而牛顿插值法则是一种高效的插值方法，它可以通过已知的数据点来构造一个多项式函数，从而得到未知数据点的近似值。
牛顿插值法的基本思想是：通过已知的数据点来构造一个多项式函数，然后利用这个多项式函数来近似未知数据点的值。
具体来说，牛顿插值法的步骤如下：1. 确定插值节点：选择一些已知的数据点作为插值节点，这些数据点的横坐标可以是任意的，但是纵坐标必须不同。
2. 构造差商表：根据插值节点的纵坐标，构造一个差商表。
差商表的第一列是插值节点的纵坐标，第二列是相邻两个节点的差商，第三列是相邻三个节点的差商，以此类推。
3. 构造多项式函数：根据差商表，构造一个多项式函数。
多项式函数的形式为：f(x) = f(x0) + (x-x0)f[x0,x1] + (x-x0)(x-x1)f[x0,x1,x2] + ... + (x-x0)(x-x1)...(x-xn-1)f[x0,x1,...,xn]其中，f[x0,x1]表示插值节点x0和x1之间的差商，f[x0,x1,x2]表示插值节点x0、x1和x2之间的差商，以此类推。
这个多项式函数就是牛顿插值多项式。
4. 计算近似值：利用多项式函数，计算未知数据点的近似值。
具体来说，将未知数据点的横坐标代入多项式函数中，得到近似值。
牛顿插值法的优点在于它的计算效率高，而且可以通过不断添加插值节点来提高精度。
但是，它也有一些缺点，比如对于大量数据点的插值，容易出现龙格现象，导致插值函数的振荡现象。
牛顿插值法是一种高效的数值计算方法，它可以通过已知的数据点来推算出未知的数据点。
在实际应用中，我们可以根据具体情况选择合适的插值方法，以达到最优的计算效果。
三次牛顿向前插值公式
三次牛顿向前插值公式牛顿向前插值公式是一种常用的数值分析方法，用于通过已知数据点的函数值来估计其他未知数据点的函数值。
它基于多项式插值的思想，通过给定的数据点构造一个多项式函数，然后利用该函数来估计其他数据点的函数值。
假设我们有一组已知的数据点，其中每个数据点都有一个对应的函数值。
我们希望通过这些已知数据点来估计其他数据点的函数值。
牛顿向前插值公式可以帮助我们实现这个目标。
具体来说，牛顿向前插值公式使用多项式函数来逼近原始函数。
多项式函数的次数取决于给定的数据点的数量。
公式的形式如下：f(x) ≈ f(x0) + (x - x0)f[x0, x1] + (x - x0)(x - x1)f[x0, x1, x2] + ...其中，f(x0)、f[x0, x1]、f[x0, x1, x2]等代表函数值或差商。
差商是一种递归定义的概念，用于计算多项式函数中的系数。
牛顿向前插值公式的优点是简单易用，计算效率高。
它可以用于任意次数的多项式逼近，而且在插值区间内具有较高的精度。
然而，它也有一些缺点，例如对于非均匀数据点的插值效果较差。
为了更好地理解牛顿向前插值公式，我们可以通过一个具体的例子来说明。
假设我们有以下一组数据点：x0 = 1, f(x0) = 3x1 = 2, f(x1) = 5x2 = 3, f(x2) = 8我们希望通过这些已知数据点来估计其他数据点的函数值。
根据牛顿向前插值公式，我们可以得到以下逼近多项式：f(x) ≈ 3 + (x - 1)f[1, 2] + (x - 1)(x - 2)f[1, 2, 3]其中，f[1, 2]和f[1, 2, 3]分别表示差商。
根据差商的定义，我们可以计算出它们的值：f[1, 2] = (f(x1) - f(x0)) / (x1 - x0) = (5 - 3) / (2 - 1) = 2f[1, 2, 3] = (f[2, 3] - f[1, 2]) / (x2 - x0) = ((8 - 5) / (3 - 2) - 2) / (3 - 1) = 1将以上计算结果代入逼近多项式中，我们可以得到最终的插值公式：f(x) ≈ 3 + 2(x - 1) + (x - 1)(x - 2) = 3 + 2x - 2 + x^2 - 3x + 2 = x^2 - x + 3通过这个插值多项式，我们就可以估计其他数据点的函数值了。
牛顿插值法原理及应用
牛顿插值法插值法是利用函数f (x)在某区间中若干点的函数值，作出适当的特定函数，在这些点上取已知值，在区间的其他点上用这特定函数的值作为函数f (x)的近似值。
如果这特定函数是多项式，就称它为插值多项式。
当插值节点增减时全部插值基函数均要随之变化，这在实际计算中很不方便。
为了克服这一缺点，提出了牛顿插值。
牛顿插值通过求各阶差商，递推得到的一个公式：f(x)=f[x0]+f[x0,x1](x-x0)+f[x0,x1,x2](x-x0)(x-x1)+...f[x0,...xn](x-x0 )...(x-xn-1)+Rn(x)。
插值函数插值函数的概念及相关性质[1]定义：设连续函数y-f(x) 在区间[a,b]上有定义，已知在n+1个互异的点x0,x1,…xn上取值分别为y0,y1,…yn （设a≤ x1≤x2……≤xn≤b)。
若在函数类中存在以简单函数P(x) ，使得P(xi)=yi,则称P(x) 为f(x)的插值函数.称x1,x2,…xn 为插值节点，称[a,b]为插值区间。
定理：n次代数插值问题的解存在且唯一。
牛顿插值法C程序程序框图#include<stdio.h>void main(){float x[11],y[11][11],xx,temp,newton;int i,j,n;printf("Newton插值:\n请输入要运算的值:x=");scanf("%f",&xx);printf("请输入插值的次数(n<11):n=");scanf("%d",&n);printf("请输入%d组值:\n",n+1);for(i=0;i<n+1;i++){ printf("x%d=",i);scanf("%f",&x[i]);printf("y%d=",i);scanf("%f",&y[0][i]);}for(i=1;i<n+1;i++)for(j=i;j<n+1;j++){ if(i>1)y[i][j]=(y[i-1][j]-y[i-1][j-1])/(x[j]-x[j-i]);elsey[i][j]=(y[i-1][j]-y[i-1][j-1])/(x[j]-x[j-1]);printf("%f\n",y[i][i]);}temp=1;newton=y[0][0];for(i=1;i<n+1;i++){ temp=temp*(xx-x[i-1]);newton=newton+y[i][i]*temp;}printf("求得的结果为:N(%.4f)=%9f\n",xx,newton);牛顿插值法Matlab程序function f = Newton(x,y,x0)syms t;if(length(x) == length(y))n = length(x);c(1:n) = 0.0;elsedisp('x和y的维数不相等！');return;endf = y(1);y1 = 0;l = 1;for(i=1:n-1)for(j=i+1:n)y1(j) = (y(j)-y(i))/(x(j)-x(i));endc(i) = y1(i+1);l = l*(t-x(i));f = f + c(i)*l;simplify(f);y = y1;if(i==n-1)if(nargin == 3)f = subs(f,'t',x0);elsef = collect(f); %将插值多项式展开f = vpa(f, 6);endend牛顿插值法摘要：值法利用函数f (x)在某区间中若干点的函数值，作出适当的特定函数，在这些点上取已知值，在区间的其他点上用这特定函数的值作为函数f (x)的近似值。
插值法计算方法举例
插值法计算方法举例插值法是一种数值逼近方法，用于在给定的一些数据点之间进行数值求解。
插值法的基本思想是通过已知数据点的函数值来构建一个插值函数，并利用该插值函数来估计未知数据点的函数值。
以下是一些常见的插值方法。
1.线性插值：线性插值是最简单的插值方法之一、假设我们有两个已知数据点 (x1, y1) 和 (x2, y2)，我们想要在这两个数据点之间估计一个新的点的函数值。
线性插值方法假设这两个点之间的函数关系是线性的，即 y = f(x)= mx + c，其中 m 是斜率，c 是截距。
通过求解这两个点的斜率和截距，我们可以得到插值函数的表达式，从而计算出新点的函数值。
2.拉格朗日插值：拉格朗日插值是一种经典的插值方法，它利用一个多项式函数来逼近已知数据点之间的关系。
对于一组已知数据点 (x1, y1), (x2, y2), ..., (xn, yn)，拉格朗日插值方法构建一个函数 L(x) 来逼近真实的函数f(x)。
L(x) 的表达式为 L(x) = y1 * L1(x) + y2 * L2(x) + ... + yn* Ln(x)，其中 Li(x) 是拉格朗日插值基函数，定义为Li(x) = Π(j=1to n, j≠i) (x - xj) / (xi - xj)。
通过求解 L(x) 的表达式，我们可以计算出任意新点的函数值。
3.牛顿插值：牛顿插值是另一种常用的插值方法，它是通过一个递推的过程来构建插值函数。
对于一组已知数据点 (x1, y1), (x2, y2), ..., (xn, yn)，牛顿插值方法定义一个差商表，然后根据该表构建一个递推的多项式函数来逼近真实的函数 f(x)。
差商表的计算使用了递归的方式，其中第 i 阶差商定义为 f[xi, xi+1, ..., xi+j] = (f[xi+1, xi+2, ..., xi+j] - f[xi, xi+1, ..., xi+j-1]) / (xi+j - xi)。
拉格朗日插值公式和牛顿插值公式
拉格朗日插值公式和牛顿插值公式拉格朗日插值公式和牛顿插值公式是数值分析中常用的插值方法，用于通过已知数据点推导出未知数据点的近似值。
本文将分别介绍这两个插值方法的原理和应用，并比较它们的特点和优劣。
一、拉格朗日插值公式拉格朗日插值公式是由法国数学家拉格朗日于18世纪提出的，它通过构造一个多项式来逼近给定的数据点集合。
具体而言，拉格朗日插值多项式的形式为：P(x) = Σ(yi * Li(x))其中，P(x)表示待求的多项式，yi表示已知数据点的函数值，Li(x)称为拉格朗日基函数，它代表了每个数据点的贡献度。
拉格朗日插值公式的优点在于其简单易懂，计算过程相对简单快速。
但是，该方法的缺点是对于较大规模的数据集合，计算量会变得很大，同时当数据点之间的间距不均匀时，插值结果可能出现较大误差。
二、牛顿插值公式牛顿插值公式是由英国数学家牛顿于17世纪提出的，它采用了多项式的差商形式进行插值。
具体而言，牛顿插值多项式的形式为：P(x) = f[x0] + (x - x0)f[x0, x1] + (x - x0)(x - x1)f[x0, x1,x2] + ...其中，f[x0]表示已知数据点的函数值，f[x0, x1]表示x0和x1两个点之间的差商，以此类推。
牛顿插值公式的优点在于可以通过递推的方式计算差商，避免了重复计算，因此对于较大规模的数据集合，计算效率较高。
此外，牛顿插值公式对于不均匀间距的数据点也能够较好地逼近。
然而，牛顿插值公式的缺点在于其计算过程较为繁琐，需要额外计算差商。
三、比较与应用拉格朗日插值公式和牛顿插值公式都是常见的插值方法，它们在实际应用中各有优劣。
下面将对它们进行比较和应用分析。
1. 计算复杂度从计算复杂度的角度来看，牛顿插值公式在计算差商时需要递推计算，每次计算需要O(n)的复杂度，因此总的计算复杂度为O(n^2)。
而拉格朗日插值公式直接计算每个基函数，每次计算都需要O(n)的复杂度，因此总的计算复杂度也为O(n^2)。
第5章 3.牛顿插值公式
∴ N 1 ( x )为f ( x )以x0 , x1为插值结点的线性插值 函数
即N（x ) = L1 ( x ) 1
一般地构造以下基函数 求作n 问题 求作n次多项式 N n ( x )
N n ( x ) = c0 ⋅ 1 + c1 ( x − x0 ) + c2 ( x − x0 )( x − x1 ) + L + cn ( x − x0 )( x − x1 )( x − x2 )L ( x − xn −1 )
将f [ x0 , x1 ]代入得
f ( x ) = f ( x0 ) + f [ x0 , x1 ]( x − x0 ) + f [ x0 , x1 , x ]( x − x0 )( x − x1 )
其中线性部分 N 1 ( x ) = f ( x0 ) + f [ x0 , x1 ]( x − x0 )
注意：均差表中，对角线上的均差是构造牛顿型插值公式的重要数据。 注意：均差表中，对角线上的均差是构造牛顿型插值公式的重要数据。
已知函数y=f(x)的观测数据如表， y=f(x)的观测数据如表 例 已知函数y=f(x)的观测数据如表，试构造差商 并求f[2,4,5] f[2,4,5,6]的值 f[2,4,5]及 的值。 表，并求f[2,4,5]及f[2,4,5,6]的值。x 0 2 4 5 解
1 2
n−1 −
…………
f [ x, x0 , ... , xn−1 ] = f [ x0 , ... , xn ] + ( x − xn ) f [ x, x0 , ... , xn ] n−
插值计算法公式范文
插值计算法公式范文插值计算是一种数值计算方法，用于在给定一组已知数据点的情况下，通过插入新的数据点来估算中间或未知数据点的值。
插值计算方法的应用非常广泛，在科学、工程、金融和统计学等领域都有重要的应用。
下面将介绍几种常用的插值计算方法及其公式：1.线性插值公式：线性插值是一种简单而常用的插值方法，它假设两个已知数据点之间的数据变化是线性的。
设已知数据点为(x1,y1)和(x2,y2)，要求在[x1,x2]内的任意点(x,y)的值，线性插值公式可以表示为：y=y1+(y2-y1)*(x-x1)/(x2-x1)2.拉格朗日插值公式：拉格朗日插值是一种多项式插值方法，它通过构造一个满足已知数据点的多项式来进行插值计算。
设已知数据点为(x0, y0), (x1, y1), ..., (xn, yn)，要求在[x0, xn]内的任意点(x, y)的值，拉格朗日插值公式可以表示为：y = y0 * L0(x) + y1 * L1(x) + ... + yn * Ln(x)其中，L0(x),L1(x),...,Ln(x)是拉格朗日基函数，定义如下：Lk(x) = Π(i=0, i≠k, n)[(x - xi) / (xk - xi)]其中，Π表示累乘运算。
3.牛顿插值公式：牛顿插值是一种递推插值方法，它通过在已知数据点上构造差商表来进行插值计算。
设已知数据点为(x0, y0), (x1, y1), ..., (xn, yn)，要求在[x0, xn]内的任意点(x, y)的值，牛顿插值公式可以表示为：y = y0 + (x - x0) * f[1, 0] + (x - x0)(x - x1) * f[2, 0] / 2! + ... + (x - x0)(x - x1)...(x - xn) * f[n, 0] / n!其中，f[1,0]=(y1-y0)/(x1-x0)，f[2,0]=(f[1,1]-f[1,0])/(x2-x0)等为差商表中的差商。
牛顿插值法
x2-x1
依次递推可得到a3, …, an. 为写出系数 ak的一般表达式,
➢差商(均差)定义
2.3.2 均差及其性质
1、差商（均差）的定义
称
f [x0 , xk ] =
f ( xk ) - f ( x0 ) xk - x0
为 f ( x关) 于点 x的0 ,一xk阶差商。
称
f [ x0 , x1, xk ] =
-
f ( x1)
-பைடு நூலகம்
f ( x0 )
( x1 - x0 )( xk - x1) ( x0 - x1)( xk - x1)
=
f (x0 )
+
f (x1)
+
f (xk )
(x0 - x1)( x0 - xk ) (x1 - x0 )( x1 - xk ) (xk - x0 )( xk - x1)
一般有
f [ x0 , x1,, xk ] =
注：差商与节点的排列次序无关——差商 的对称性
f[x0,x1,…,xn]= f[x1,x0,x2,…,xn]=… = f[x1, …, xn ,x0]
因此 f [ x0 , x1,, xk ] = f [ x1, xk-1, x0 , xk ] = f [ x1, x2 ,, xk-1, xk ] - f [ x1, x2 ,, xk-1, x0 ] xk - x0 = f [ x1, x2 ,, xk-1, xk ] - f [ x0 , x1, x2 ,, xk-1] xk - x0
=
f[x0,x2] - f[x0,x1]
x2 - x1
= f[x0,x1,x2] ;
P2(x)=f(x0) + f[x0,x1](x-x0) + f[x0,x1,x2](x-x0)(x-x1)
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2
分析
显然， L2 ( x0 ) y0，L2 ( x1 ) y1；利用插值 条件， L2 ( x2 ) y2 y1 y0 y 2 y0 ( x2 x0 ) a ( x2 x0 )( x2 x1 ) x1 x0 y2 y0 y1 y0 x2 x0 x1 x0 y1 y0 a L2 y0 ( x x0 ) x2 x1 x1 x0 y2 y0 y1 y0 x2 x0 x1 x0 ( x x0 )( x x1 ) x2 x1
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9
牛顿基本插值公式
其中，线性部分 N 1 ( x ) f ( x0 ) f [ x0 , x1 ]( x x0 ) 满足 N 1 ( x0 ) f ( x 0 ) f ( x1 ) f ( x0 ) N 1 ( x1 ) f ( x0 ) ( x1 x0 ) f ( x1 ) x1 x0 N 1 ( x ) 为 f ( x ) 以 x0，x1 为插值结点的 线性插值函数，即： N （ 1 x ) L1 ( x )
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16
解：构造差商表如下，
xi -2 0 f(xi ) 1阶 17 1 -8 1 17 3 8 1.25 2阶 3阶
1
2
2
19
N 3 ( x ) 17 8( x 2) 3( x 2) x 1.25( x 2) x ( x 1) f 0.9 N 3 (0.9) 1.30375, R3 0.9 1.25 0.9 2 0.9 0.9 1 0.9 2 0.358875
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(1) (2)
(n - 1)
13
牛顿基本插值公式
由式（1）（ ~ n-1）从下而上依次代入前式得到： f ( x ) f ( x0 ) f [ x0 , x1 ]( x x0 ) f [ x0 , x1 , x2 ]( x x0 )( x x1 ) ... f [ x0 , ... , xn ]( x x0 )...( x xn1 )
f[2,4,5]= -5
f[2,4,5,6]=5
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8
牛顿基本插值公式
f ( x ) f ( x0 ) 由 f [ x0 , x ] x x0 有 f ( x ) f ( x0 ) f [ x0 , x ]( x x0 ) f [ x0 , x ] f [ x0 , x1 ] 又 f [ x0 , x1 , x ] x x1 将 f [ x0 , x1 ]代入得 f ( x ) f ( x0 ) f [ x0 , x1 ]( x x0 ) f [ x0 , x1 , x ]( x x0 )( x x1 )
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差商表
粗线框出的部分在计算机上可存入二维数组
xi x0 x1 f(xk) f(x0) f(x1) f(x0,x1 ) 1阶 2阶 3阶 4阶
f [ x 3 , x4 ] f [ x 2 , x 3 ] f [ x 2 , x 3 , x4 ] x4 x 2
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牛顿基本插值公式
同理有： N 2 ( x ) f ( x0 ) f [ x0，x1 ]( x x0 ) f [ x0，x1，x2，x ]( x x0 )( x x1 ) 1 (3) f [ x0 , x1 , x2 , x ] f ( ) 3!
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例题
已知函数y=f(x)的观测数据如表，试构造差商表， 并求f[2,4,5]及f[2,4,5,6]的值。 x 0 2 4 5 解
xi 0 2 4
6 13
n=4, 构造差商表
f(xi ) 1阶 1 5 9 2阶 3阶 4阶
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4
分析
一般地构造以下基函数问题 求作 n 次多项式 N n ( x ) N n ( x ) c0 x c1 ( x x0 )
0
c2 ( x x0 )( x x1 ) cn ( x x0 )( x x1 )( x x2 ) ( x xn 1 ) (1) 使满足 N n ( x i ) f ( xi )，
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i 0， 1， n ；
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(2)
5
分析
为了得到计算系数 ci 的一般方法， 下面引进一般差商的概念。 定义： f ( x ) 在 x0，x1， xn 的 n 阶差商为 f [ x1 , x2 xn ] f [ x0 , x1 , xn -1 ] f [ x0 , x1 , xn ] x n x0
f(x0,x1,x2 )
f(x1,x2,x3 )
x2
x3
f(x2)
f(x3)
f(x1,x2 )
f(x2,x3 )
f [ x1 , x2 , x3 , x4 ]
f(x0,x1,x2,x3 )
f [ x2 , x3 , x4 ] f [ x1 , x2 , x3 ] x4 x1
x4
f(x4)
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10
牛顿基本插值公式
N 1 ( x ) 的余项： R1 ( x ) f ( x ) N 1 ( x ) f [ x0，x1，x ]( x x0 )( x x1 ) 1 (2) f ( )( x x0 )( x x1 ) 2! 1 (2) f [ x0，x1，x ] f ( ) 2!
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例题
例： 已知函数 y f x 的观测数据如表， 求三阶牛顿差值多项式， 再求 f 0.9 的近似值并估计误差。
x y -2 17 0 1 1 2 2 19
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Nn ( x)
f [ x0 , ... , xn , x ]( x x0 )...( x xn1 )( x xn )
ai f x0，x1， ，xi
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Rn ( x )
14
牛基本插值公式
N n ( x ) f ( x0 ) f [ x0 , x1 ]( x x0 ) f [ x0 , x1 , x2 ]( x x0 )( x x1 ) f [ x0 , x1 , , xn ]( x x0 )( x x1 ) ( x xn ) 称为 n 次牛顿基本插值公式，由唯一性， Ln ( x ) N n ( x ) 1 其余项也相同， f [ x0 , x1 , xn , x ] f ( n1) ( ) ( n 1)! 计算余项时，取近似值 f [ x0 , x1 , xn , x ] f [ x0 , x1 , xn ]
f(x) 1
5
9
-4
5
6
-4
13
51 2 20 2 22 95 0 2 40 2 0 13 2 5 0 1 44 29 13 0 5 5 4 52 -13 5 -5 -1 5 ( 1) 15 1 13 ( 4) 17 ( 13 ) ( 5) 5 6 0 17 15 17 15 5 6 4 61 2 65
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牛顿基本插值公式
一般地 f ( x ) 在x0，x1， xn 为插值结点的 n 次 插值多项式为： N n ( x ) a0 a1 ( x x0 ) a2 ( x x0 )( x x1 ) ... an ( x x0 )...( x xn1 ) f ( x ) f ( x0 ) ( x x0 ) f [ x0 , x ] f [ x0 , x ] f [ x0 , x1 ] ( x x1 ) f [ x0 , x1 , x ] f [ x , ... , x , x ] f [ x , ... , x ] 0 n1 0 n ( x xn ) f [ x0 , ... , xn , x ]
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3
分析
y1 y0 其中， 为 f ( x ) 在 [ x0 , x1 ] 上的平均变化率， x1 x0 称为一阶差商，记为 f [ x0 , x1 ] y2 y0 y1 y0 x2 x0 x1 x0 称为 f ( x ) 关于 x0，x1，x2 的 x2 x1 f [ x0 , x2 ] f [ x0 , x1 ] 二阶差商，记为 f [ x0 , x1 , x2 ] x2 x1