第2章_插值法_002_拉格朗日插值法_002_拉格朗日插值法的誤差


(1). 真實的函數:f(x);              ===》 相當於“真值”

(2). 由拉格朗日差值法得到的 n 階多項式:Ln(x);  ===》 相當於“觀測值”

(3). 拉格朗日差值法存在的誤差:Rn(x);       ===》 相當於“改正值”

由3個值之間的關系:“真值” = “觀測值” + “改正值”得到 ===》f(x) = Ln(x) + Rn(x);

 

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插入一段(普適公式:對於一切的函數f(t)均成立,這是一個“離散型”的公式) ===》

這代表着,任何一個函數f(t),它經過了 n+1 個定點[xi, f(xi)],其中 i = 0, 1, ..., n-1, n; 和一個動點[x, f(x)],當然,這個動點的所有信息是無從得知的,但是可以肯定的是,它一定在 y=f(x) 上移動,所以可以讓它來代表所有的f(t)上的點。

事實上,我們將[x, f(x)]代入上式就會得到一個恆等式:f(x) = f(x) ,這跟x的取值沒有關系。但是,由於x是一個動點、是代表的所有的f(t)上的點,所以x將不能被固定,也就是說不能被賦予特定的值去驗證,因為一旦這樣做,這個表達式將不會代表“真值”,而是代表“觀測值”,即由拉格朗日插值法得到的 n+1 階多項式:Ln+1(x),這一點尤為重要。

所以說這個表達式也可以被稱為:牛頓插值永遠的下一項

由於動點無法判斷,所以這一表達式僅僅用於理論上的研究,因為如果要用這一表達式求出真值函數,將要得到f(t)上所有的點,這顯然是做不到的。而且這門學科,正如武老師所說:在這門學科中,我們沒有辦法得到真值,只能得到近似值,然后研究近似值,使它盡可能地接近真值,即減小誤差。”

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有了上述作為基礎,那么Rn(t)也就可以用這個式子表達,將定點:[xi, 0],i = 0, 1, ..., n-1, n 代入得 ===》

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注:這里的x、t為相互獨立的變量。

誤差函數的最大的一個特點就是,它所有的已知點(定點)都是零點,所以前 n+1 項都是0,就只剩下了最后的一項。所以可以發現,書上跳過了上述步驟,直接得到Rn(t)的表達式,然后構造了一個函數 ===》
φ(t) = Rn(t) - Rn(t),將第二個Rn(t)替換掉,得到一個經過了 n+2 個點的函數,其中 n+1 個是零點,另一個是動點。

事實上,我們也可以這樣子理解書上的例子:構造函數ψ(t),它經過定點[xi, 0],i = 0, 1, ..., n-1, n,和動點[x, -Rn(x)](其實就是Rn(x)的負函數),然后構造函數φ(t) ===》
φ(t) = Rn(t) - ψ(t),當然事先將ψ(t)解析出來,其實就是 0 = Rn(x) + (-Rn(x));

所以說,書上所構造的這個函數“又巧妙又顯得有點兒捉弄智商”,為什么這樣說呢?
1. 巧妙:當不知道f(t)的這種表達式的時候,構造一個函數φ(t),這個函數經過了 n+2 個點,且都是零點。受到拉格朗日多項式插值的啟發,由於Rn(t)在xi處的值當然為零、在x處為R(x),那么就要求后面的函數在xi處為0、在x處為-Rn(x)。所以得到 ===》

2. 捉弄智商:把這 n+2 個點按照給出的公式代入,即可得到Rn(t)的表達式,大可不必費這功夫去想一個“巧妙”的函數。

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由 f(x) = Ln(x) + Rn(x) 可得:f(t) = Ln(t) + Rn(t),自變量的符號不影響等式。

然后兩邊同時對 t 求 n+1 階導(如果f(t)有 n+1 階導數的話),得到:f(n+1)(t) = Ln(n+1)(t) + Rn(n+1)(t)

1. 由於Ln(t)是一個 n 階的多項式 ===》

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

2. 又由於Rn(t)的表達式可以寫成:Rn(t) = φ(t)·g(x),而φ(t)是t的一個 n+1 階多項式,g(x)可以看成一個常數 ===》

最后化簡得到Rn(x)的表達式為 ===》

注:t ∈ (x0, xn)

 

那么當 xn --> x0 時,t --> x0 得到泰勒展開式中的拉格朗日余項 ===》

 

寫在最后 ===》

讓我們來回憶一下“可導”、“可微”、“可積”、“連續”之間的關系:
1. 可導與連續的關系:可導必連續,連續不一定可導;
2. 可微與連續的關系:可微與可導是一樣的;
3. 可積與連續的關系:可積不一定連續,連續必定可積;
4. 可導與可積的關系:可導一般可積,可積推不出一定可導;

總的來說:可微 <===> 可導 ===> 連續 ===> 可積;


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