浅论插值法及其应用_瞿威

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b
对于积分I=蘩af(x)dx,若 被 积 函 数 不 清 楚 或 其 原 函 数 不 易 求 ,通 常 根 据f(x)在 积 分 区 间 [a,b]上 的 数 据 表 ,构 造 插 值 多 项 式 P(x)代 替 f(x),再 导 出 积 分 值 。
(3)数 据 拟 合 这仍然是通过给定的一组测定的离散数据求自变量与因 变量的近似表达式。 鉴于插值法其近似标准是在插值点处的 误差为零,考虑到在实际应用中,有时不要求具体某些点的误 差为零,从而考虑整体的误差限制,因此不要求所求函数通过 所有的节点, 而是要求所求近似函数反映原函数整体的变化 趋势,为达到此目的,我们可用数据拟合的方法。 插值法由于其计算的难度不高,容易通过计算机实现,现 在其在工程计算、算法理论等方面有非常重要的应用。
一、注意对给定条件中表达式范围的显性转化
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例1:若2sin x+sin y=3sinx,求sin x+sin y的取值范围。
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解析:利用已知三角方程中的sin y=3sinx-2sin x,代入sin x+
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sin y, 即有sin x+sin y=sin x+3sinx-2sin x=-sin x+3sinx, 此处
述和研究运动、变化过程的新工具,这是促进极限发展、建立
微积分的社会背景。
牛顿和莱布尼茨以无穷小概念为基础建立了微积分,给
出了数列极限的描述性定义 :“如果当n无限增大时 ,an无限地
接近于常数A,那么就说an以A为极限。 ”
之后,维尔斯特拉斯为了排除极限概念中的直观痕迹,建
立的ε-N语言,给微积分提供了严格的理论基础。 所谓an以A为
有限与无限常常表现为不可调和性。 例如,把有限情形的 法则原封不动地扩展到无限的情形常常会发生矛盾。 但这并 不意味着在极限的观念里有限与无限是格格不入的, 相反极 限思想是有限与无限的对立统一。
近似与精确是对立统一关系, 两者在一定条件下也可相 互转化,这种转化是数学应用于实际计算的重要诀窍。 数学中 的 “部 分 和 ”、“平 均 速 度 ”、“圆 内 接 正 多 边 形 面 积 ”,分 别 是 相 应 的 “无 穷 级 数 和 ”、“瞬 时 速 度 ”、“圆 面 积 ”的 近 似 值 ,取 极 限 后就可得到相应的精确值。 这都是借助于极限的思想方法,从 近似来认识精确的。 这反映了极限思想是近似与精确的对立 统一。
Пn
其 中li(x)= j=0
j≠i
x-xj 为 插 值 基 函 数 ,拉 格 朗 日 插 值 多 项 式 在 理 xi-xy
论分析中非常方便,因为它的结构紧凑,利用基函数很容易推
导和形象的描述算法。 但是它也有一些缺点: 当插值节点增
加、减少或其位置变化时,整个插值多项式的结构都会改变,
这就不利于实际计算,增加了算法复杂度。 此时我们通常采用
求和最早的例子。
到 了16世 纪 以 后 , 欧 洲 处 于 资 本 主 义 的 萌 芽 时 期 , 生 产 力
得到极大发展。 生产和科学技术中发生了大量的变量问题,如
曲线切线问题、最值问题、力学中速度问题、变力做功问题等,
初等数学方法对此越来越无能为力,需要的是新的数学思想、
新的数学方法,突破只研究常量的传统范围,提供能够用以描
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sinx的范围并非是-1≤sinx≤1, 而是在sin y=3sinx-2sin x中隐
2
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含的条件为:sin y∈[0,1], 从而3sinx-2sin x∈[-1,1], 所 以
sinx在 本 题 中 的 真 正 范 围 是 0≤sinx≤
1
或sinx=1。
2
所以sin x+
2
2
sin y取值范围是[0,
个局部范围内受到影响。
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的值。
解 析 : 由 tan (α-β)= 1 ,tanβ=- 1 可 得 tan [(α-β)+β]=
2
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1-1
1+1
2 7 = 1 =tanα,tan(2α-β)=tan[(α-β)+α]= 2 3 =1。
1- 1·(- 1 ) 3
1- 1
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如果我们简单地认为由于α、β∈(0,π), 因此有2α-β∈(-π,2π),
4.极 限 中 的 辩 证 思 想
极限思想是一种重要的数学思想, 它蕴涵着丰富的辩证
思想, 反映了数学发展的辩证规律, 即极限思想是过程与结
果、有限与无限、近似与精确、对立统一。
极限思想充分体现了结果与过程的对立统一。 比如,当n
趋于无穷大时,数列{ 1 }的极限为0。 一方面,数列{ 1 }中任何
微积分思想源自古希腊人的穷竭法。 古希腊最接近积分的是
阿 基 米 德 于 公 元 前 225年 求 抛 物 线 弓 形 面 积 的 工 作 , 他 在 抛 物
线弓形与其内接最大的三角形的每一个空间中又内接一个新
的三角形, 这三角形与剩余空间同底同高, 这样无限进行下
去,最后的三角形就非常小了,他的方法实际上也是无穷级数
任意分布的,但是在实际应用中出现了很多等距节点的情形,
这时的插值公式可以进一步简化, 在牛顿均差插值多项式中
各阶均差用相应的差分代替, 就得到了各种形式的等距节点
插值公式,常用的是牛顿前插与后插公式。
(3)分 段 插 值
在整个插值区间上,随着插值节点的增多,插值多项式的
次 数 必 然 增 高 ,而 高 次 插 值 会 产 生Runge现 象 ,不 能 有 效 地 逼
近被插函数, 有学者提出用分段的低次多项式分段近似被插
函数,这就是分段插值法。 构造分段插值多项式的方法仍然是
基函数法,即先在每个插值节点上构造分段线性插值基函数,
再对基函数作线性组合。 它的优点在于只要节点间距充分小,
总能获得所要求的精度,即收敛性总能得到保证,另一优点是
它的局部性质,即如果修改某个数据,那么插值曲线仅仅在某
周刊 2009年第42期(下卷) ○ 数学教学与研究
浅论插值法及其应用
瞿威
(无锡广播电视大学,江苏 无锡 214011)
摘 要: 本文通过讨论插值法的地位和作用,比较各种 插值法的优缺点,以及简单说明相互间的联系。
关键词: 插值法 插值多项式 应用
1.问 题 的 提 出 在 科 学 研 究 和 生 产 实 践 中 遇 到 的 函 数 y=f(x), 虽 然 从 原 则 上 说 它 在 某 个 区 间 [a,b] 上 存 在 , 但 是 通 过 实 验 通 常 只 知 道 在 区 间 [a,b] 上 的 一 系 列 点 的 函 数 值 , 也 就 是 说 我 们 只 知 道 函 数 的一张表。 这对于研究物质的运动规律很不方便,更不能计算 出未给出点的函数值。 这就需要建立函数的某种近似表达,而 插值法就是构造函数的近似表达式的方法。 例如,某集团公司 试图分析该公司的产量与生成费用之间的关系, 从所属企业 中随机抽选了5个样本,得到了如下数据:
2.数 学 表 达 表1
根 据 函 数 的 已 知 数 据 表 1 求 函 数 f (x) 的 近 似 解 析 表 达 式 φ(x)的方法。 插值法的必要条件是误差函数或余项R(x)=f(x) -φ(x)满足关系式R(xI)=0,I=1,2,3,… ,n,由 于 代 数 多 项 式 是 简单而又便于计算的函数, 因此经常采用多项式作为插值函 数,称为多项式插值。 多项式插值法有拉格朗日插值法、牛顿 插值法、分段插值法和样条插值法等,其基本思想都是用高次 代 数 多 项 式 或 分 段 的 低 次 多 项 式 作 为 被 插 值 函 数 f (x) 的 近 似 解析表达式。
n
n
一项无论n多大都不是0,体现了过程与结果的对立性。 另一方
面 ,随 着n无 限 增 大 ,其 项 越 来 越 靠 近 0, 经 过 极 限 可 转 化 为 0,
体现了过程与结果的统一性。 所以极限思想是过程与结果的
对立统一。
如果希望由这些数据合理的估计出它在其他产量时的生 成费用,这就是一个典型的插值问题。
得到2α-β的值为:- 3 π、 1 π、 5 π,那就错了。 事实上,因为α, 444
β∈(0,π),tanβ=-
1
来自百度文库
∈(-
%

3
,0),所以( 5π ,π),又因为tanα= 1
7
3
6
3
∈(0,
%

3
),所以α∈(0, π ),因此-π<2α-β<- π ,故2α-β=- 3π 。
3
6
2
4
三、注意定义域中的隐含条件的显性转化
例3:求函数f(x)= sinxcosx 的递增区间。 1+sinx+cosx
(4)Hermite插 值 分段线性插值的算法简单、计算量小,然而从整体上看, 逼近函数不够光滑,在节点处,逼近函数的左右导数不相等, 若要求逼近函数与被逼近函数不仅在插值节点上取相同的函 数值, 而且要求逼近函数与被逼近函数在插值节点上取相同 的 若 干 阶 导 数 值 ,这 类 问 题 称 为 Hermite插 值 。 4.应 用 插值法除用于求函数值外,还有多种用法。 (1)数 值 微 分 方 法 数值微分法就是利用等距节点上的插值多项式求函数的 导数值的方法。 常用的两点公式和三点公式就是用分段线性 插值和分段抛物插值法导出的。 值得注意的是这两种公式只 适合节点处的导数值。 在区间内的其他点处求导数最好用样 条插值函数。 (2)数 值 积 分 法
牛顿插值多项式算法。
(2)牛 顿 插 值 多 项 式
由数表1构造的牛顿插值多项式为:
n-1
П N(x)=f(x0)+f(x0,x1)(x-x0)+…+f(x0,x1,x2,…,xn) (x-xi)。 i=0
用它插值时,首先要计算各阶差商,而各高阶差商可归结为一
阶差商的逐次计算。 一般情况讨论的插值多项式的节点都是
5
]∪{2}。
4
二、注意对角的范围的显性转化
例2:已知tan(α-β)= 1 ,tanβ=- 1 且α、β∈(0,π),求2α-β
2
7
3.常 用 多 项 式 插 值 公 式 构 造
(1)拉 格 朗 日 插 值 多 项 式
n
∑ 由数表1构造的n次拉格朗日插值多项式Pn(x)= yklk(x), k=0
周刊
例谈三角问题中隐性问题的显性转化
周永春
(南通市冠今中学,江苏 海门 226100)
在三角函数的有关问题中,学生往往忽略题目所给的隐
含条件,在解给值求值或给值求角的问题中常常出现漏解、增
解、错解,或者经常会在某个地方卡住而解不下去,题目相对
就变成了难题, 其根本原因是学生对题设条件中的隐含条件
的挖掘不够。 笔者试举下面四例,以供大家参考。
又如曲线形与直线形有着本质的差异, 但在一定条件下 也可相互转化, 正如恩格斯所说:“直线和曲线在微分中终于 等同起来了。 ”善于利用这种对立统一关系是处理数学问题的 重要手段之一。
5.极 限 思 想 在 微 积 分 中 的 作 用 极限的思想方法贯穿于数学分析课程的始终。 可以说数 学分析中的几乎所有的概念都离不开极限。 例如微积分中许 多 概 念 都 把 极 限 作 为 描 述 不 同 特 性 的 重 要 工 具 ,例 如 函 数 f(x) 在x0点 连 续 的 定 义 、函 数f(x)在x0点 导 数 的 定 义 、函 数 f(x)在 [a,b]上 的 定 积 分 的 定 义 、数 项 级 数 的 敛 散 性 、广 义 积 分 的 敛 散性等,都是用极限来定义的,可以说这些概念确定了微积分 学的框架。 6.结 语 极限思想方法是数学分析乃至全部高等数学必不可少的 一种重要方法,也是数学分析与初等数学的本质区别之处。 数 学分析之所以能解决许多初等数学无法解决的问题 (例如求 瞬 时 速 度 、曲 线 弧 长 、曲 边 形 面 积 、曲 面 体 体 积 等 问 题 ),正 是 由于它采用了极限的思想方法。
极 限 ,就 是 指 :“如 果 对 任 何ε>0,总 存 在 自 然 数N,使 得 当n>N
时,不等式|an-A<ε|恒成立。 ”
这个定义,借助不等式,通过ε和N之间的关系,定量地、具
体地刻画了两个“无限过程”之间的联系。 因此,这样的定义是
严格的,可以作为科学论证的基础,至今仍在数学分析书籍中
使用。
参考文献: [1]吴振英.论极限的思想方法 [J].广州大学 学 报(自 然 科 学 版 ),2003,10. [2]梁宗巨.世界数学史简编 [M].沈阳:辽宁人民出版社 , 1980. [3]郭 书 春 .中 国 古 代 数 学 [M].商 务 印 书 馆 ,2004.
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○ 数学教学与研究 2009年第42期(下卷)
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