均差与牛顿插值公式ppt课件.ppt
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1、12.3 2.3 均差与牛顿插值公式均差与牛顿插值公式问题:利用插值基函数得到的拉格朗日插值多项式有何优问题:利用插值基函数得到的拉格朗日插值多项式有何优缺点?缺点?优点:结构紧凑,便于理论分析,易于编程求解。优点:结构紧凑,便于理论分析,易于编程求解。缺点:当插值节点增减时缺点:当插值节点增减时全部插值基函数全部插值基函数 均要随之变均要随之变化,整个公式也将发生变化化,整个公式也将发生变化. . 能否重新在能否重新在 中寻找新的中寻找新的基函数基函数 ? 希望每加一个节点时,希望每加一个节点时,只附加一项只附加一项上去即可。上去即可。( )il xnP2本讲主要内容本讲主要内容: Newt
2、on插值多项式的构造插值多项式的构造 差商的定义及性质差商的定义及性质 差分的定义及性质差分的定义及性质 等距节点等距节点Newton插值公式插值公式3 )()()(102010 xxxxaxxaaxPn),()(10 nnxxxxa(3.13.1)), 1 ,0()(njfxPjjn 确定确定 . .其中其中 为待定系数,为待定系数,naaa,10可由可由 个插值条件个插值条件1n基函数基函数 是否是否构成构成 的一组基函数的一组基函数?0010111,()(),()()()nxxxxxxxxxxxx-( )nP x41xx .01011xxffa .12010102022xxxxffxxf
3、fa 依此递推可得到依此递推可得到 . . naa,3 当当 时,时,2xx 21202202102)()()(fxxxxaxxaaxPn 推得推得101101)()(fxxaaxPn由由 , 当当 时,时, 0 xx .)(000faxPn 当当 时,时,推得推得由由5 称称 为函数为函数 关关于点于点 的的一阶均差一阶均差. . 000)()(,xxxfxfxxfkkk )(xfkxx ,0110010,xxxxfxxfxxxfkkk 称为称为 的的二阶均差二阶均差. .)(xf定义定义2 2,2102101xxxfaxxfa 显然显然11102010, kkkkkkxxxxxfxxxfx
4、xxf 一般地,称一般地,称为为 的的 阶均差阶均差k)(xf(均差也称为差商)(均差也称为差商). . 2.3.1 2.3.1 均差及其性质均差及其性质6 均差有如下的基本性质:均差有如下的基本性质: .)()()()(,011010 kjkjjjjjjjkxxxxxxxxxfxxxf这个性质可用归纳法证明这个性质可用归纳法证明. . 1 1 阶均差可表示为函数值阶均差可表示为函数值 的的线性组合,线性组合,)(,),(),(10kxfxfxfk 这性质也表明均差与节点的排列次序无关,称为均差这性质也表明均差与节点的排列次序无关,称为均差的对称性的对称性. . 即即7 3 3 若若 在在 上
5、存在上存在 阶导数,且节点阶导数,且节点)(xf,ban,10baxxxn .,!)(,)(10banfxxxfnn 这公式可直接用罗尔定理证明这公式可直接用罗尔定理证明. . 2 2 由性质由性质1 1及均差定义可得及均差定义可得 .,0120110 xxxfxxxxfxxxfkkk 即即则则 阶均差与导数关系如下:阶均差与导数关系如下:n.,010110 xxxxfxxfxxxfkkkk 8,)(,)(,)(,)()()(4321043214324344321032132332102122101100 xxxxxfxxxxfxxxfxxfxfxxxxxfxxxfxxfxfxxxxfxxfx
6、fxxxfxfxxfxxfxkk四阶均差三阶均差二阶均差一阶均差1表2 均差计算可列均差表如下(表均差计算可列均差表如下(表2-12-1). . 9 2.3.2 2.3.2 牛顿插值公式牛顿插值公式 根据均差定义,把根据均差定义,把 看成看成 上一点,可得上一点,可得x,ba),(,)()(000 xxxxfxfxf ),(,110100 xxxxxfxxfxxf 010101 , ,().nnnnf x xxf xxxf x xxxxx只要把后一式代入前一式,就得到只要把后一式代入前一式,就得到 )(,)()(0100 xxxxfxfxf )(,10210 xxxxxxxf),()(xRxN
7、nn )()(,1010 nnxxxxxxxf)(,10 xxxxfnn 10)., 1 , 0(,0nkxxfakk称称 为为牛顿(牛顿(NewtonNewton)均差插值多项式)均差插值多项式. . )(xNn 系数系数 就是均差表就是均差表2-12-1中加横线的各阶均差,它比中加横线的各阶均差,它比拉格朗日插值计算量省,且便于程序设计拉格朗日插值计算量省,且便于程序设计. .ka 显然,显然, 由前式确定的多项式由前式确定的多项式 满足插值条件,满足插值条件,)(xNn且次数不超过且次数不超过 ,n其系数为其系数为 它就是形如(它就是形如(3.13.1)的多项式,)的多项式,)(,)()
8、(0100 xxxxfxfxNn )(,10210 xxxxxxxf其中其中 ),()(,1010 nnxxxxxxxf),(,)()()(10 xxxxfxNxfxRnnnn 11 牛顿插值多项式的优点还在于它的递进性,牛顿插值多项式的优点还在于它的递进性,每增加一每增加一个结点,个结点,NewtonNewton插值多项式只增加一项,克服了插值多项式只增加一项,克服了LagrangeLagrange插值的缺点插值的缺点. F由插值多项式的由插值多项式的唯一性可知唯一性可知 Nn(x) Ln(x),故其余项也相同,即故其余项也相同,即(1)011( ) ,( )( ),(1)!nnnnff x
9、 xxxxn(1)0( ) ,.(1)!nnff x xxn则则0010010001010101( )( )( )( ) , ()( ) , ()( )( ) , ,()()()kkkkN xf xN xf xf x x x xN xf x x x xNxN xf xxx xx xx x 12解解 首先根据给定函数表造出均差表首先根据给定函数表造出均差表 给出给出 的函数表(见表的函数表(见表2-22-2),求),求3 3次牛顿插次牛顿插值多项式,并由此计算值多项式,并由此计算 的近似值的近似值. .3)(xf例例27279 93 31 13 32 21 10 0kx)(kxf2 26 69
10、92 24/34/36 6181827273 32 23 31 11 10 0三阶均差三阶均差二阶均差二阶均差一阶均差一阶均差kx)(kxf)2)(1(34)1(221)(3 xxxxxxxN2)221()121(2134)121(2122121)21(33 N132.3.3 2.3.3 差分与等距节点插值差分与等距节点插值 实际应用时经常遇到等距节点的情形,这时插值公式实际应用时经常遇到等距节点的情形,这时插值公式可以进一步简化,计算也简单得多可以进一步简化,计算也简单得多. . 设函数设函数 在等距节点在等距节点 上上的值的值 为已知,这里为已知,这里 为常数,称为为常数,称为步长步长.
11、.)(xfy ), 1 , 0(0nkkhxxk)(kkxff h 为了得到等距节点的插值公式,先介绍差分的概念为了得到等距节点的插值公式,先介绍差分的概念. .14记号记号 ,1kkkfff定义定义称为称为 在在 处以处以 为步长的为步长的一阶(向前)差分一阶(向前)差分. .)(xfkxh 利用一阶差分可定义二阶差分为利用一阶差分可定义二阶差分为 .21212kkkkkkffffff一般地可定义一般地可定义 阶差分阶差分为为 m.111kmkmkmfff15.: ,1kkkkfEfEfIfI移位算子:引进不变算子. ,)(IEfIEIfEffkkkk可得到则一、差分的基本性质一、差分的基本
12、性质: :00()( 1)( 1), nnnnjn jjkkkn kjjjnnfEIfEffjj -+ -=骣骣琪琪D=-=-=-琪琪桫桫邋00().nnnnjjn kkkkkjjnnfE fIf ffjj+=轾 骣骣犏 琪琪=+D=D=D琪琪犏桫桫臌邋(2 2)函数值可用差分表示,如)函数值可用差分表示,如(1 1)差分可用函数值表示,如)差分可用函数值表示,如16,2, , (3)22212121111hfxxxxfxxfxxxfhfxxffxxfkkkkkkkkkkkkkkkkk差商与差分关系,如:1 , 1,2, . !mkk mkmf xxfmnm h+=D=一般地,( ) ( ),
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