Тема 6.3. Интерполяция функций

6.3.1. Постановка задачи

6.3.2. Интерполяционная формула Лагранжа

6.3.3. Интерполяционные формулы Ньютона

6.3.3.1. Конечные разности

6.3.3.2. Первая интерполяционная формула Ньютона

6.3.3.3. Вторая интерполяционная формула Ньютона

6.3.4. Сплайн – интерполяция

6.3.5. Сравнение интерполяционных многочленов по применению

6.3.6. Технология интерполяции функций в среде математических пакетов

Постановка задачи

Вычисление значений функции y = f(x) – одна из тех задач, с которой приходится постоянно сталкиваться в инженерной практике. Однако сделать это не всегда возможно. Примером тому следующие типичные ситуации:

· функция задана таблицей значений (нет аналитического выражения)
,(i = 0, 1, 2,…, n), необходимо вычислить значения функции в точках, не совпадающих с табличными;

· аналитическое выражение f(x) есть, но получение ее значений затруднено громоздкими и сложными вычислениями;

· значения функции в требуемых точках могут быть получены только экспериментально.

В этих и ряде других случаев возникает необходимость приближенного вычисления функции y = f(x).

Задача аппроксимациисостоит в следующем. Функцию f(x), заданную таблично, требуется приближенно заменить (аппроксимировать) некоторой функцией j(х) так, чтобы отклонение j(х) от f(x) в некоторой области удовлетворяло заданному условию. Функция j(х) называется аппроксимирующейфункцией.

В качестве аппроксимирующей функции часто используют алгебраический многочлен вида:

j_m(x) = a ₀ + a ₁ x + a ₂ x² + … + a _m x^m . (6.3.1-1)

В этом случае говорят о параболической аппроксимации.

Частным случаем задачи аппроксимации таблично заданной функции является интерполирование. Интерполирование состоит в следующем. Для функции y = f(x), заданной в (n + 1) точке , найти функцию j(х), принимающую в этих точках заданные значения, то есть

,i = 0, 1, 2, … n. (6.3.1-2)

Будем называть (6.3.1-2) условием интерполяции, точки – узлами интерполяции, а функцию j(х) – интерполирующей функцией.

При интерполяции критерием приближения аппроксимирующей функции к заданной является совпадение их значений в узлах интерполяции.

Геометрической интерпретацией задачи интерполяции является нахождение функции, график которой проходит через заданную систему точек , i = 0, 1, …, n (рис. 6.3.1-1). Если в качестве интерполирующей функции используется алгебраический многочлен
(6.3.1-1) степени не выше n, то задача имеет единственное решение.

___ интерполируемая функция   ----- интерполирующая функция

Рис.6.3.1-1

Применяя интерполирующую функцию (6.3.1-1), запишем условие (6.3.1-2) для каждого из (n + 1) узлов. В результате получим следующую систему (n + 1) линейных уравнений:

Эта система однозначно разрешима, так как ее определитель (определитель Вандермонда) отличен от нуля, если узлы интерполяции различны. Решение полученной системы n+1 линейных уравнений относительно неизвестных а₀, а₁, …, а_n позволяет найти коэффициенты интерполирующего многочлена (6.3.1-1).

Пример 6.3.1-1.Пусть функция y = f(x) задана таблично:

Требуется построить интерполяционный многочлен, позволяющий вычислить значение f(x) в точке x = 1.43.

Полагая x₀ = 1.2 , x₁ = 1.4 , x₂ = 1.6,

y₀ =-0.16, y₁ = -0.24, y₂ = -0.24, получим систему уравнений

Решая систему уравнений, получим следующие значения а₀ = 2, а₁ = -3, а₂ = 1.Тогда интерполяционный многочлен имеет следующий вид: P₂(x) = 2 – 3x + x², а значение многочлена в точке 1.43 равно P₂(1.43) = - 0.2451.