拉格朗日插值法总结

拉格朗日插值法总结

拉格朗日插值法

2008-05-12 16：44

一、问题的背景

在实际问题中常遇到这样的函数y=f(x),其在某个区间[a,b]上是存在的。

但是,通过观察或测量或试验只能得到在区间[a,b]上有限个离散点

x0,x1,…,xn上的函数值yi=f(xi),(i=0,1,…,n)。或者f(x)的函数f(x)表达

式是已知的,但却很复杂而不便于计算；希望用一个既能反映函数f(x)的特性，又便于计算的简单函数来描述它。

二、插值问题的数学提法：

已知函数在n+1个点x0,x1,…,xn上的函数值

yi=f(xi),(i=0,1,…,n)

求一个简单函数y=P(x),使其满足：

P(xi)=yi,(i=0,1,…,n)。

即要求该简单函数的曲线要经过y=f(x)上已知的这个n+1个点：

(x0,y0),(x1,y1),…,(xn,yn),

同时在其它x∈[a,b]上要估计误差：

R(x)=f(x)-P(x)

其中P(x)为f(x)的插值函数，x0,x1,…,xn称为插值节点，包含插值节点

的区间[a,b]称为插值区间，求插值函数P(x)的方法称为插值法。若P(x)是次

数不超过n的代数多项式，就称P(x)为插值多项式，相应的插值法称为多项式

插值。若P(x)是分段的多项式，就是分段插值。若P(x)是三角多项式，就称三角插值。

三、插值方法面临的几个问题

第一个问题：根据实际问题选择恰当的函数类。本章我们选择代数多项式类，其原因有两个：(1)代数多项式类简单；微分、积分运算易于实行；(2)根据著名的Weierstrass逼近定理，任何连续的函数都可以用代数多项式作任意精确的逼近。

第二个问题：构造插值函数P(x),使其满足：P(xi)=yi,(i=0,1,…,n)与此相关的问题是：插值问题是否可解(存在性的问题)，如果有解,是否唯一?(唯一性的问题)

第三个问题：插值误差R(x)=f(x)-P(x)的估计问题。与此相关的问题是插值过程的收敛性的问题。

第一节拉格朗日插值公式

一.线性插值(一次插值)

已知函数f(x)在区间[xk,xk+1]的端点上的函数值yk=f(xk),yk+1=f(xk+1),求一个一次函数y=P1(x)使得yk=f(xk),yk+1=f(xk+1),其几何意义是已知平面上两点(xk,yk),(xk+1,yk+1),求一条直线过该已知两点。

1.插值函数和插值基函数

由直线的点斜式公式可知：

把此式按照yk和yk+1写成两项：

记

并称它们为一次插值基函数。该基函数的特点如下表：

从而

P1(x)=yk lk(x)+yk+1 lk+1(x)

此形式称之为拉格朗日型插值多项式。其中,插值基函数与yk、yk+1无关，而由插值结点xk、xk+1所决定。一次插值多项式是插值基函数的线性组合,相

应的组合系数是该点的函数值yk、yk+1.

例1：已知lg10=1,lg20=1.3010,利用插值一次多项式求lg12的近似值。

解：f(x)=lgx,f(10)=1,f(20)=1.3010,设

x0=10,x1=20,y0=1,y1=1.3010

则插值基函数为：

于是,拉格朗日型一次插值多项式为：

故：

即lg12由lg10和lg20两个值的线性插值得到,且具有两位有效数字(精确值lg12=1.0792).

二.二次插值多项式

已知函数y=f(x)在点xk-1,xk,xk+1上的函数值yk-1=f(xk-

1),yk=f(xk),yk+1=f(xk+1),求一个次数不超过二次的多项式P2(x),使其满足,

P2(xk-1)=yk-1,P2(xk)=yk,P2(xk+1)=yk+1.

其几何意义为：已知平面上的三个点

(xk-1,yk-1),(xk,yk),(xk+1,yk+1),

求一个二次抛物线,使得该抛物线经过这三点。

1.插值基本多项式

有三个插值结点xk-1,xk,xk+1构造三个插值基本多项式，要求满足：

(1)基本多项式为二次多项式；(2)它们的函数值满足下表：

因为lk-1(xk)=0,lk-1(xk+1)=0,故有因子(x-xk)(x-xk+1),而其已经是一个二次多项式,仅相差一个常数倍,可设

lk-1(x)=a(x-xk)(x-xk+1),

又因为

lk-1(xk-1)=1==a(xk-1-xk)(xk-1-xk+1)=1

得

从而

同理得

基本二次多项式见右上图(点击按钮"显示Li")。

2.拉格朗日型二次插值多项式

由前述,拉格朗日型二次插值多项式：

P2(x)=yk-1 lk-1(x)+yk lk(x)+yk+1 lk+1(x),P2(x)

是三个二次插值多项式的线性组合,因而其是次数不超过二次的多项式,且满足：

P2(xi)=yi,(i=k-1,k,k+1)。

例2已知：

xi 10 15 20 yi=lgxi 11.1761 1.3010

利用此三值的二次插值多项式求lg12的近似值。

解：设x0=10,x1=15,x2=20,则：

故：

所以

7利用三个点进行抛物插值得到lg12的值,与精确值lg12=1.0792相比,具有3位有效数字,精度提高了。

三、拉格朗日型n次插值多项式

已知函数y=f(x)在n+1个不同的点x0,x1,…,x2上的函数值分别为

y0,y1,…,yn,求一个次数不超过n的多项式Pn(x),使其满足：

Pn(xi)=yi,(i=0,1,…,n),

即n+1个不同的点可以唯一决定一个n次多项式。

1.插值基函数

过n+1个不同的点分别决定n+1个n次插值基函数

l0(x),l1(x),…,ln(X)

每个插值基本多项式li(x)满足：

(1)li(x)是n次多项式；

(2)li(xi)=1,而在其它n个li(xk)=0,(k≠i)。

由于li(xk)=0,(k≠i),故有因子：

(x-x0)…(x-xi-1)(x-xi+1)…(x-xn)

因其已经是n次多项式，故而仅相差一个常数因子。令：

li(x)=a(x-x0)…(x-xi-1)(x-xi+1)…(x-xn)

由li(xi)=1,可以定出a,进而得到：