第2章_插值法_002_拉格朗日插值法_002_拉格朗日插值法的误差


(1). 真实的函数:f(x);              ===》 相当于“真值”

(2). 由拉格朗日差值法得到的 n 阶多项式:Ln(x);  ===》 相当于“观测值”

(3). 拉格朗日差值法存在的误差:Rn(x);       ===》 相当于“改正值”

由3个值之间的关系:“真值” = “观测值” + “改正值”得到 ===》f(x) = Ln(x) + Rn(x);

 

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插入一段(普适公式:对于一切的函数f(t)均成立,这是一个“离散型”的公式) ===》

这代表着,任何一个函数f(t),它经过了 n+1 个定点[xi, f(xi)],其中 i = 0, 1, ..., n-1, n; 和一个动点[x, f(x)],当然,这个动点的所有信息是无从得知的,但是可以肯定的是,它一定在 y=f(x) 上移动,所以可以让它来代表所有的f(t)上的点。

事实上,我们将[x, f(x)]代入上式就会得到一个恒等式:f(x) = f(x) ,这跟x的取值没有关系。但是,由于x是一个动点、是代表的所有的f(t)上的点,所以x将不能被固定,也就是说不能被赋予特定的值去验证,因为一旦这样做,这个表达式将不会代表“真值”,而是代表“观测值”,即由拉格朗日插值法得到的 n+1 阶多项式:Ln+1(x),这一点尤为重要。

所以说这个表达式也可以被称为:牛顿插值永远的下一项

由于动点无法判断,所以这一表达式仅仅用于理论上的研究,因为如果要用这一表达式求出真值函数,将要得到f(t)上所有的点,这显然是做不到的。而且这门学科,正如武老师所说:在这门学科中,我们没有办法得到真值,只能得到近似值,然后研究近似值,使它尽可能地接近真值,即减小误差。”

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有了上述作为基础,那么Rn(t)也就可以用这个式子表达,将定点:[xi, 0],i = 0, 1, ..., n-1, n 代入得 ===》

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注:这里的x、t为相互独立的变量。

误差函数的最大的一个特点就是,它所有的已知点(定点)都是零点,所以前 n+1 项都是0,就只剩下了最后的一项。所以可以发现,书上跳过了上述步骤,直接得到Rn(t)的表达式,然后构造了一个函数 ===》
φ(t) = Rn(t) - Rn(t),将第二个Rn(t)替换掉,得到一个经过了 n+2 个点的函数,其中 n+1 个是零点,另一个是动点。

事实上,我们也可以这样子理解书上的例子:构造函数ψ(t),它经过定点[xi, 0],i = 0, 1, ..., n-1, n,和动点[x, -Rn(x)](其实就是Rn(x)的负函数),然后构造函数φ(t) ===》
φ(t) = Rn(t) - ψ(t),当然事先将ψ(t)解析出来,其实就是 0 = Rn(x) + (-Rn(x));

所以说,书上所构造的这个函数“又巧妙又显得有点儿捉弄智商”,为什么这样说呢?
1. 巧妙:当不知道f(t)的这种表达式的时候,构造一个函数φ(t),这个函数经过了 n+2 个点,且都是零点。受到拉格朗日多项式插值的启发,由于Rn(t)在xi处的值当然为零、在x处为R(x),那么就要求后面的函数在xi处为0、在x处为-Rn(x)。所以得到 ===》

2. 捉弄智商:把这 n+2 个点按照给出的公式代入,即可得到Rn(t)的表达式,大可不必费这功夫去想一个“巧妙”的函数。

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由 f(x) = Ln(x) + Rn(x) 可得:f(t) = Ln(t) + Rn(t),自变量的符号不影响等式。

然后两边同时对 t 求 n+1 阶导(如果f(t)有 n+1 阶导数的话),得到:f(n+1)(t) = Ln(n+1)(t) + Rn(n+1)(t)

1. 由于Ln(t)是一个 n 阶的多项式 ===》

Ln(n+1)(t) = 0;

2. 又由于Rn(t)的表达式可以写成:Rn(t) = φ(t)·g(x),而φ(t)是t的一个 n+1 阶多项式,g(x)可以看成一个常数 ===》

最后化简得到Rn(x)的表达式为 ===》

注:t ∈ (x0, xn)

 

那么当 xn --> x0 时,t --> x0 得到泰勒展开式中的拉格朗日余项 ===》

 

写在最后 ===》

让我们来回忆一下“可导”、“可微”、“可积”、“连续”之间的关系:
1. 可导与连续的关系:可导必连续,连续不一定可导;
2. 可微与连续的关系:可微与可导是一样的;
3. 可积与连续的关系:可积不一定连续,连续必定可积;
4. 可导与可积的关系:可导一般可积,可积推不出一定可导;

总的来说:可微 <===> 可导 ===> 连续 ===> 可积;


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