Rozdział 4
Elementy aproksymacji i
interpolacji funkcji
4.1. Uwagi wstępne
W tym rozdziale przedstawimy w sposób zwięzły podstawowe pojęcia i me-
tody teorii aproksymacji i jej szczególnego przypadku, aproksymacji interpo-
lacyjnej, którą będziemy krótko nazywać interpolacją [4]. Aproksymację, jak
wiemy, wykorzystujemy kiedy dana funkcja ma złożoną postać lub dana jest w
postaci dyskretnej, lub gdy w ogóle jest nieznana, jak to ma miejsce przy roz-
wiązywaniu równań różniczkowych. W każdym z tych przypadków poszukuje-
my innej, na ogół prostej funkcji, która dobrze przybliża funkcję pierwotną. W
zasadzie ograniczymy siÄ™ tylko do aproksymacji wielomianowej i to w takim
zakresie, który będzie nam potrzebny w następnych rozdziałach podręczni-
ka. Wzory i równania wyprowadzimy w zapisie wskaz
nikowym oraz w zapisie
macierzowym, wykorzystujÄ…c operacje rachunku macierzowego, zestawione w
dodatku D.
4.2. Aproksymacja optymalna
Zadanie aproksymacji optymalnej w bazie jednomianów polega na dobraniu
wielomianu aproksymacyjnego
m

Pm(x) = amxm + am-1xm-1 + · · · + a1x + a0 = akxk = p(x)a (4.1)
k=0
4.2. Aproksymacja optymalna 51
gdzie:
p = [1 x . . . xm]  macierz jednowierszowa jednomianów,
a = [a0 a1 . . . am]T  wektor nieznanych parametrów aproksymacji,
w taki sposób, aby przybliżał on daną funkcję f(x) w pewnym sensie najle-
piej. Tak sformułowane zadanie może być rozwiązane jeśli ustalimy stopień
wielomianu m oraz przyjmiemy kryterium, według którego będziemy oceniać
jakość aproksymacji.
Przyjęcie określonego stopnia m wielomianu aproksymacyjnego jest trud-
ne, zależne od wielu czynników, i może decydować o jakości aproksymacji.
Kryteriów oceny aproksymacji jest wiele, w podręczniku ograniczymy się do
metody najmniejszych kwadratów, formułującej kryterium najczęściej wyko-
rzystywane.
W dalszym ciągu przedstawimy metodę najmniejszych kwadratów dla tzw.
aproksymacji ciągłej i aproksymacji punktowej. Aproksymacją ciągłą nazwie-
my aproksymację funkcji f(x) określonej w pewnym przedziale, natomiast
w aproksymacji punktowej będziemy aproksymować dyskretny zbiór wartości
funkcji f(x), danych w tzw. węzłach aproksymacji xi, i = 0, 1, 2, . . . , n.
f+e
f(x)
f-e
P
f
a b x
Rys.4.1. Interpretacja graficzna twierdzenia Weierstrassa
W podręczniku najczęściej będziemy wykorzystywali funkcje aproksyma-
cyjne w postaci wielomianów algebraicznych (4.1). Skuteczność takiej aprok-
symacji ciągłej wynika z twierdzenia Weierstrassa.
52 Elementy aproksymacji i interpolacji funkcji
Twierdzenie 1 (Weierstrassa).
JeÅ›li f(x) jest funkcjÄ… okreÅ›lonÄ… i ciÄ…gÅ‚Ä… w przedziale [a, b] i dane jest µ > 0,
to wówczas istnieje wielomian P (x), określony w [a, b], taki że
|f(x) - P (x)| < µ dla każdego x " [a, b]
Z twierdzenia tego wynika ważny wniosek, że zawsze możemy wyznaczyć taki
wielomian P (x), który będzie wystarczająco bliski danej funkcji, rys. 4.1.
4.3. Aproksymacja ciągła
FunkcjÄ™ f(x) " C[a, b] aproksymujemy w metodzie najmniejszych kwadra-
tów wielomianem Pm, stopnia najwyżej m, wykorzystując warunek minimali-
zacji bÅ‚Ä™du µ w sensie normy L2 (patrz dodatek A)
b
2
µ = f(x) - Pm(x) 0 = f(x) - Pm(x) dx (4.2)
a
PodstawiajÄ…c (4.1) do (4.2) otrzymamy funkcjÄ™
b
m
2

µ(a0, a1, . . . , am) = f(x) - akxk dx (4.3a)
k=0
a
która po wprowadzeniu zapisu macierzowego ma postać
b
2
µ(a) = f(x) - p(x)a dx (4.3b)
a
Nieznane parametry aproksymacji ai, i = 0, 1, . . . , m, obliczymy z warunku
koniecznego minimum µ
"µ
= 0 dla każdego i = 0, 1, . . . , m (4.4)
"ai
Ponieważ
b b m
m
2 b 2

µ = f(x) dx - 2 ak xkf(x) dx + akxk dx
k=0 k=0
a a a
4.3. Aproksymacja ciągła 53
to otrzymujemy
b b
m

"µ
= -2 xif(x) dx + 2 ak xi+kdx (4.5)
"ai
k=0
a a
Wykorzystując (4.5) w (4.4) otrzymujemy tak zwany układ m + 1 równań
normalnych
b b
m

ak xi+kdx = xif(x) dx i = 0, 1, . . . , m (4.6a)
k=0
a a
dla obliczenia niewiadomych ai, i = 0, 1, . . . , m. Są to równania liniowe, które
zawsze mają rozwiązanie jednoznaczne pod warunkiem, że f " C[a, b] i a = b.

Odpowiednikiem równań (4.6a) w zapisie macierzowym jest równanie

b b
pT (x) p(x) dx a = pT (x) f(x) dx (4.6b)
a a
Przykład 4.1. Obliczymy metodą najmniejszych kwadratów aproksymację
funkcji f(x) = sin Ä„x w przedziale [0,1].
Wielomian aproksymacyjny przyjmiemy w formie
P2(x) = a2x2 + a1x + a0
Wykorzystując (4.6a) dostaniemy układ równań
1 1 1 1
a0 1 dx + a1 x dx + a2 x2 dx = sin Ä„x dx
0 0 0 0
1 1 1 1
a0 x dx + a1 x2 dx + a2 x3 dx = x sin Ä„x dx (4.7a)
0 0 0 0
1 1 1 1
a0 x2 dx + a1 x3 dx + a2 x4 dx = x2 sin Ä„x dx
0 0 0 0
54 Elementy aproksymacji i interpolacji funkcji
lub stosujÄ…c zapis macierzowy (4.6b)
îÅ‚ Å‚Å‚ îÅ‚ Å‚Å‚

1 1 b 1

ïÅ‚ śł ïÅ‚ śł
x 1 x x2 dx a = x sin Ä„x dx (4.7b)
ðÅ‚ ûÅ‚ ðÅ‚ ûÅ‚
x2 x2
a
0
Wykonując nakazane całkowania otrzymamy układ równań
1 1 2
a0 + a1 + a2 =
2 3 Ä„
1 1 1 1
a0 + a1 + a2 =
2 3 4 Ä„
1 1 1 Ä„2 - 4
a0 + a1 + a2 =
3 4 5 Ä„3
którego rozwiązaniem jest
12Ä„2 - 120 720 - 60Ä„2
a0 = H" -0, 050465 a1 = -a2 = H" 4, 12251
Ä„3 Ä„3
Wielomian aproksymacyjny ma postać
P2(x) = -4, 12251x2 + 4, 12251x - 0, 050465
BÅ‚Ä…d aproksymacji (4.3) wynosi
1
2
µ = sin Ä„x + 4, 12251x2 - 4, 12251x + 0, 050465 dx = 0, 01
0
Zauważmy, że elementy macierzy układu równań (4.7) obliczyć można z ogól-
nego wzoru
b
bi+k+1 - ai+k+1
xi+kdx =
i + k + 1
a
Tak obliczone elementy tworzą tzw. macierz Hilberta, która jest z
le uwarun-
kowana i przy jej obliczaniu występuje duży błąd obcięcia, co ma znaczenie
przy rozwiązywaniu dużego układu równań.
W dalszym ciągu uogólnimy wyprowadzone równania na przypadek aproksy-
macji w innej przestrzeni funkcji bazowych niż przestrzeń jednomianów. Wy-
maga to jednakże podania dwóch definicji i jednego twierdzenia.
4.3. Aproksymacja ciągła 55
Definicja 1. Zbiór funkcji {u0, u1, . . . , um} nazwiemy liniowo niezależnym w
przedziale [a, b], gdzie b > a, jeśli warunek
c0u0(x) + c1u1(x) + · · · + cmum(x) = 0 dla każdego x " [a, b]
ma miejsce tylko dla c0 = c1 = . . . = cm = 0. W przeciwnym przypadku zbiór
funkcji jest liniowo zależny.
Definicja 2. FunkcjÄ… wagowÄ… w w przedziale [a, b] nazwiemy dowolnÄ… nie-
ujemną funkcję całkowalną w tym przedziale.
Funkcję wagową będziemy też nazywać funkcją testową i jej celem jest rozło-
żenie wagi (lub: ważności) aproksymacji w różnych miejscach przedziału [a, b],
co powinno poprawić jakość aproksymacji.
Twierdzenie 2.
Jeśli ui jest wielomianem stopnia i, dla każdego i = 0, 1, . . . , m, to wówczas
zbiór funkcji {u0, . . . , um} jest liniowo niezależny w przedziale [a, b], gdzie
a < b.
Przyjmijmy teraz, że {u0, u1, . . . , um} jest zbiorem funkcji bazowych liniowo
niezależnych w przedziale [a, b] i w jest funkcją wagową w [a, b] oraz f " C[a, b].
Parametry ai, i = 0, 1, . . . , m, funkcji aproksymacyjnej
m

P (x) = ak uk(x) = p(x)a (4.8)
k=0
obliczymy minimalizując błąd z wagą w(x)
b
m
2

µ(a0, a1, . . . , am) = w(x) f(x) - ak uk(x) dx (4.9a)
k=0
a
który w zapisie macierzowym ma formę
b
2
µ(a) = w(x) (f(x) - p(x)a dx (4.9b)
a
gdzie:
p(x) = [u0, u1, . . . , um]  macierz jednowierszowa funkcji bazowych.
56 Elementy aproksymacji i interpolacji funkcji
UkÅ‚ad równaÅ„ normalnych, otrzymany z warunku koniecznego minimum µ, ma
postać analogiczną do (4.6)
b b
m

w(x) f(x) ui(x) dx = ak w(x) uk(x) ui(x) dx dla i = 0, 1, . . . , m
k=0
a a
(4.10a)
lub w postaci macierzowej
b b

w(x) pT (x) p(x) dx a = pT (x) w(x) f(x) dx (4.10b)
a a
Przykładami funkcji bazowych p(x) są wielomiany trygonometryczne, wielo-
miany Legendre a lub wielomiany Czebyszewa.
Czytelników zainteresowanych dalszymi studiami problematyki aproksymacji
ciągłej odsyłamy do podręcznika z metod numerycznych [4, 6].
4.4. Aproksymacja punktowa
W aproksymacji punktowej funkcja f(x) dana jest w formie dyskretnej
w postaci zbioru wartości funkcji F = [f0, f1, . . . , fn]T (gdzie oznaczono fi a"
f(xi)) w węzłach aproksymacji x = (x0, x1, . . . , xn).
W ogólnym przypadku, wielomian aproksymacyjny Pm(x) można wybrać w
postaci wielomianu uogólnionego
Pm(x) = amum(x) + am-1um-1(x) + · · · + a0u0(x) =
m

(4.11)
= akuk(x) = p(x)a
k=0
gdzie p(x) jest macierzÄ… jednowierszowÄ… funkcji bazowych ui(x), i = 0, 1, . . . , m,
znanych i liniowo niezależnych

p(x) = u0(x), u1(x), . . . , um(x)
Odpowiednikiem bÅ‚Ä™du µ (4.2) w metodzie najmniejszych kwadratów jest teraz
błąd
n n

2 2
µ = f(xi) - Pm(xi) = f(xi) - p(xi)a (4.12)
i=0 i=0
4.4. Aproksymacja punktowa 57
Warunek konieczny minimum funkcji µ(a0, a1, . . . , am) napiszemy od razu w for-
mie równania macierzowego
n n


"µ
= 0 : pT (xi) p(xi) a = pT (xi) f(xi) (4.13)
"a
i=0 i=0
Jest to liniowy układ równań normalnych, który ma rozwiązanie jednoznaczne
pod warunkiem, że xi = xj dla i = j, i, j = 0, 1, . . . , n. Przyjmując oznaczenia

macierzy
n


A = pT (xi) p(xi) B = pT (x0) pT (xi) . . . pT (xn) (4.14)
i=0
równanie (4.13) możemy napisać w zwartej formie
A a = B F (4.15)
Podstawiając do (4.11) rozwiązanie a = A-1BF otrzymamy wzór na wielo-
mian uogólniony
Pm(x) = p(x)A-1B F = N(x)F (4.16)
gdzie zdefiniowano macierz jednowierszowÄ… funkcji
N(x) = p(x) A-1B (4.17)
We wzorze (4.16) współczynnikami kombinacji liniowej funkcji Ni(x), i =
0, 1, . . . , m są obecnie znane wartości funkcji f(xi), zawarte w wektorze F .
Ponieważ zwykle funkcja f(x) ma jakiś sens fizyczny (na przykład jest to
funkcja temperatury, przemieszczenia, naprężenia, . . . ) to elementy wektora
F nazywa siÄ™ fizycznymi stopniami swobody. Elementy zawarte w wektorze a
będziemy natomiast nazywać matematycznymi stopniami swobody.
W przypadku, kiedy wielomian aproksymacyjny stopnia m < n ma postać
m

Pm(x) = ak xk (4.18)
k=0
tzn. funkcje bazowe są jednomianami, układ równań normalnych w formie
58 Elementy aproksymacji i interpolacji funkcji
rozwiniętej jest
n n n n n

a0 x0 + a1 x1 + a2 x2 + · · · + am xm = f(xi)x0
i i i i i
i=0 i=0 i=0 i=0 i=0
n n n n n

a0 x1 + a1 x2 + a2 x3 + · · · + am xm+1 = f(xi)x1
i i i i i
i=0 i=0 i=0 i=0 i=0
· · · · · · · · · · · · · · · · ·
n n n n n

a0 xm + a1 xm+1 + a2 xm+2 + · · · + am x2m = f(xi)xm
i i i i i
i=0 i=0 i=0 i=0 i=0
(4.19)
Również i w aproksymacji punktowej możemy dla poprawy jakości rozwiązania
wprowadzić funkcję wagową. Zostanie to pokazane w rozdziale siódmym, przy
omawianiu metody bezelementowej Galerkina.
Przykład 4.2. Obliczymy liniowy wielomian aproksymacyjny P1(x) = a0 +
a1x dla danych z tab. 4.1.
i 0 1 2 3
xi 2 4 6 8
f(xi) 2 11 28 40
Tabela 4.1. Dane do przykładu 4.2
W tym przypadku n = 3 i m = 1. WykorzystujÄ…c zapis macierzowy parametry
aproksymacji zawarte w wektorze a = [a0 a1]T obliczymy z równania (4.15)
(można też skorzystać z układu równań (4.19)).
Odpowiednie wektory i macierze mają postać
p = [ 1 x ]
îÅ‚ Å‚Å‚
3 3

1 xi 4 20
ïÅ‚ śł
i=0 i=0
ïÅ‚ śł
A = =
ðÅ‚ 3 3 ûÅ‚

20 120
xi x2
i
i=0 i=0
4.4. Aproksymacja punktowa 59

1 1 1 1
B = [pT (x0) pT (x1) pT (x2) pT (x3)] =
2 4 6 8
îÅ‚ Å‚Å‚
2

ïÅ‚ śł
11 81
ïÅ‚ śł
B F = B ïÅ‚ śł =
ðÅ‚ 28 ûÅ‚ 536
40
Równanie A a = B F jest w formie

4 20 a0 81
=
20 120 a1 536
i ma rozwiÄ…zanie a0 = -12, 50 i a1 = 6, 55.
Wielomian aproksymacyjny wynosi
P1(x) = -12, 50 + 6, 55x
Wynik obliczeń przedstawiono graficznie na rys. 4.2.
P1(x)
P1(x) f(xi )
f(xi )
60
40
20
2 4 6 8 x
Rys.4.2. Wyniki obliczeń w przykładzie 4.2
Przykład 4.3. Zastosujemy aproksymację kwadratową P2(x) = a0 + a1x +
a2x2 do danych z tab. 4.2
Obecnie n = 4 i m = 2. Podobnie jak w przykładzie 4.2 niewiadome parametry
aproksymacji a = [a0 a1 a2]T obliczymy korzystając z równania macierzowego
(4.15). Potrzebne do obliczeń wektory i macierze mają postać
p = [ 1 x x2 ]
60 Elementy aproksymacji i interpolacji funkcji
i 0 1 2 3 4
xi 0 0,25 0,50 0,75 1,00
f(xi) 1,0000 1,2840 1,6487 2,1170 2,7183
Tabela 4.2. Dane do przykładu 4.3
îÅ‚ Å‚Å‚
4 4 4

1 xi x2
ïÅ‚ śł Å‚Å‚
i îÅ‚
ïÅ‚ śł
i=0 i=0 i=0
5 2, 5 1, 875
ïÅ‚ śł
4 4 4

ïÅ‚ ïÅ‚ śł
A = ïÅ‚ xi x2 x3 śł = 2, 5 1, 875 1, 5625
śł ðÅ‚ ûÅ‚
i i
ïÅ‚ śł
i=0 i=0 i=0
ïÅ‚ śł
1, 875 1, 5625 1, 3828
4 4 4
ðÅ‚ ûÅ‚
x2 x3 x4
i i i
i=0 i=0 i=0
îÅ‚ Å‚Å‚
1 1 1 1 1
ïÅ‚ śł
B = [pT (x0) . . . pT (x4)] = 0 0, 25 0, 50 0, 75 1, 00
ðÅ‚ ûÅ‚
0 0, 0625 0, 25 0, 5625 1, 00
îÅ‚ Å‚Å‚
1, 0000
îÅ‚ Å‚Å‚
ïÅ‚ śł
1, 2840 8, 7680
ïÅ‚ śł
ïÅ‚ śł ïÅ‚ śł
B F = B ïÅ‚ 1, 6487 = 5, 4514
śł ðÅ‚ ûÅ‚
ïÅ‚ śł
ðÅ‚ ûÅ‚
2, 1170 4, 4015
2, 7183
Równanie A a = B F ma postać
îÅ‚ Å‚Å‚ îÅ‚ Å‚Å‚ îÅ‚ Å‚Å‚
5 2, 5 1, 875 a0 8, 7680
ïÅ‚ śł ïÅ‚ ïÅ‚ śł
2, 5 1, 875 1, 5625 a1 śł = 5, 4514
ðÅ‚ ûÅ‚ ðÅ‚ ûÅ‚ ðÅ‚ ûÅ‚
1, 875 1, 5625 1, 3828 a2 4, 4015
a jego rozwiÄ…zanie wynosi a0 = 1, 0052, a1 = 0, 8641, a2 = 0, 8437.
Wielomian aproksymacyjny jest
P2(x) = 1, 0052 + 0, 8641x + 0, 8437x2
Na rys. 4.3 porównano wynik obliczeń z danymi z tab. 4.2.
BÅ‚Ä…d
4

[f(xi) - P2(xi)]2 = 2, 76 · 10-4
i=0
jest najmniejszym błędem, jaki można uzyskać dla kwadratowego wielomianu
aproksymacyjnego.
4.5. Interpolacja 61
P2(x) f(xi )
P2(x)
3,0
f(xi )
2,0
1,0
0,25 0,50 0,75 1,00
x
Rys.4.3. Wyniki obliczeń w przykładzie 4.3
4.5. Interpolacja
4.5.1. Interpolacja Lagrange a funkcji jednej zmiennej
Interpolacja funkcji f(x) jest szczególnym przypadkiem aproksymacji, któ-
ry ma miejsce dla m = n. Wówczas w węzłach interpolacji x = [x0 x1 . . . xn]
wartość funkcji interpolacyjnej P (x) jest dokładnie równa funkcji interpolo-
wanej f(x), rys. 4.4
Pn(x) f(x)
Pn(x)
f(x )
x0 x1 xn x
Rys.4.4. Interpolacja funkcji f(x)
62 Elementy aproksymacji i interpolacji funkcji
Pn(xi) = f(xi) i = 0, 1, . . . , n (4.20)
Wzory i równania wprowadzone w punkcie 4.4 są oczywiście ważne również
i dla interpolacji, po uwzględnieniu, że m = n. Prostszym jednakże sposobem
jest bezpośrednie wykorzystanie warunków (4.20).
Jeśli funkcję interpolacyjną wybierzemy w postaci wielomianu uogólnione-
go (4.11), to równania (4.20) przybierają postać
p(xi) a = fi i = 0, 1, . . . , n (4.21a)
lub w zapisie macierzowym
BT a = F (4.21b)
gdzie wykorzystano definicjÄ™ (4.14) macierzy B
îÅ‚ Å‚Å‚
u0(x0) u1(x0) . . . un(x0)
ïÅ‚ śł
u0(x1) u1(x1) . . . un(x1)
ïÅ‚ śł
ïÅ‚ śł
BT = [pT (x0) pT (x1) . . . pT (xn)]T =
. . . .
ïÅ‚ śł
. . . .
ðÅ‚ . . . . ûÅ‚
u0(xn) u1(xn) . . . un(xn)
oraz wektorów a i F
a = [ a0 a1 . . . an ]T F = [ f0 f1 . . . fn ]T
Podstawiając rozwiązanie równania (4.21b) a = (BT )-1F do wielomianu in-
terpolacyjnego (4.11) otrzymamy
Pn(x) = p(x) a = p(x) (BT )-1F = N(x) F (4.22)
gdzie obecnie N(x) zawiera funkcje liniowo niezależne i tworzy nową bazę
interpolacyjnÄ…
N(x) = p(x) (BT )-1 = [ N0(x) N1(x) . . . Nn(x) ] (4.23)
z fizycznymi stopniami swobody zawartymi w wektorze F .
Jeśli bazę p(x) przyjmiemy w postaci jednomianowej
p(x) = [ 1 x x2 . . . xn ]
4.5. Interpolacja 63
to układ równań (4.21) przyjmuje postać
îÅ‚ Å‚Å‚ îÅ‚ Å‚Å‚ îÅ‚ Å‚Å‚
1 x0 x2 . . . xn a0 f0
0 0
ïÅ‚
1 x1 x2 . . . xn śł ïÅ‚ a1 śł ïÅ‚ f1 śł
ïÅ‚ śł ïÅ‚ śł ïÅ‚ śł
1 1
ïÅ‚ śł ïÅ‚ śł ïÅ‚ śł
=
. . . . . . .
ïÅ‚ śł ïÅ‚ śł ïÅ‚ śł
. . . . . . .
ðÅ‚ . . . . . ûÅ‚ ðÅ‚ . ûÅ‚ ðÅ‚ . ûÅ‚
1 xn x2 . . . xn an fn
n n
Ponadto, baza N(x) jest wówczas tzw. bazą Lagrange a
N(x) = [ Nn,0(x) Nn,1(x) . . . Nn,n(x) ]
utworzoną z wielomianów bazowych Lagrange a stopnia n o postaci ogólnej
j=n

x - xj
Nn,i(x) = =
xi - xj
j=0
(4.24)
j=i

(x - x0) (x - x1) . . . (x - xi-1) (x - xi+1) . . . (x - xn)
=
(xi - x0) (xi - x1) . . . (xi - xi-1) (xi - xi+1) . . . (xi - xn)
Na rys. 4.5 pokazano wykres funkcji Lagrange a Nn,i(x).
Nn,i(x)
1
x0 x1 xi-1 xi xi+1 xn-1 xn x
Rys.4.5. Wykres funkcji Lagrange a Nn,i(x)
Z interpretacji wzoru (4.22) oraz własności interpolacji Lagrange a (Nn,k(xi) =
´ki, gdzie ´ki jest deltÄ… Kroneckera o wÅ‚asnoÅ›ci ´ki = 1 dla k = i oraz ´ki = 0
dla k = i) wynika ważna równość

n

Nn,k(x) = 1 (4.25a)
k=0
64 Elementy aproksymacji i interpolacji funkcji
wyrażająca tzw. warunek kompletności rzędu zerowego dla funkcji bazowych.
Ogólnie, warunek kompletności rzędu p jest postaci
n

Nn,k(x)xp = xp, p = 0, 1, . . . , n (4.25b)
k
k=0
Jeśli funkcje bazowe spełniają warunki kompletności do rzędu p to oznacza to,
że przez ich kombinację liniową można dokładnie przedstawić dowolny wielo-
mian algebraiczny aż do stopnia p włącznie. W praktyce warunki kompletności
(zwłaszcza najprostszy rzędu zerowego) wykorzystujemy do sprawdzenia po-
prawności wyników obliczeń funkcji bazowych Lagrange a.
Błąd interpolacji Lagrange a wyraża wzór
f(n+1)(¾(x))
f(x) - Pn(x) = (x - x0) (x - x1) . . . (x - xn) (4.26)
(n + 1)!
gdzie f " Cn+1[a, b] i ¾ " (a, b).
Przykład 4.4. Wyprowadzić wzór na liniowy wielomian interpolacyjny La-
grange a P1(x) (n = 1).
Dane: węzły interpolacji x = (x0 x1),
wartości funkcji interpolowanej w węzłach: F = [ f0 f1 ]T .
Wielomian interpolacyjny (4.22) ma postać
P1(x) = N0(x)f0 + N1(x)f1 = N(x)F
Funkcje bazowe obliczymy najpierw z wzoru (4.23), gdzie

1
1 x0 x1 -x0
p(x) = [ 1 x ] BT = oraz (BT )-1 =
1 x1
x1 - x0 -1 1
otrzymujÄ…c

1 x
x1 -x0 - x1 x - x0
N(x) = p(x) (BT )-1 = [ 1 x ] =
x1 - x0 -1 1
x0 - x1 x1 - x0
Ten sam wynik oczywiście otrzymamy wykorzystując wprost wzór (4.24).
PrzyjmujÄ…c x0 = 0 oraz x1 = L mamy
x x
N1,0(x) = 1 - N1,1(x) = (4.27)
L L
4.5. Interpolacja 65
Powyższe funkcje spełniają warunki kompletności rzędu zerowego i rzędu pierw-
szego ponieważ
1

x x
N1,k(x) = 1 - + = 1
L L
k=0
oraz
1

x x
N1,k(x)xk = (1 - )x0 + x1 = 0 + x = x
L L
k=0
Na rys. 4.6 pokazano wykresy liniowych funkcji bazowych Lagrange a (4.27).
f(x)
f(x)
P1(x)
f(x1 ) f1
f(x0 ) f0
x0 x1 x
L
x
N1,0 (x)=1-
1
L
x
1
N1,1 (x)=
L
Rys.4.6. Liniowa interpolacja Lagrange a
Przykład 4.5. Wyprowadzić wzór na kwadratowy wielomian interpolacyjny
Lagrange a P2(x) (n = 2).
Dane: węzły interpolacji x = (x0 x1 x2),
wartości funkcji interpolowanej w węzłach: F = [ f0 f1 f2 ]T .
Wielomian interpolacyjny (4.22) jest w formie
P2(x) = N0(x)f0 + N1(x)f1 + N2(x)f2 = N(x)F (4.28)
66 Elementy aproksymacji i interpolacji funkcji
Funkcje bazowe Ni(x), i = 0, 1, 2 znowu można obliczyć z wzoru (4.23), co
już jednak jest bardziej kłopotliwe (można potraktować to jako ćwiczenie),
dlatego skorzystamy od razu z wzoru (4.24) otrzymujÄ…c
(x - x1) (x - x2)
N2,0(x) =
(x0 - x1) (x0 - x2)
(x - x0) (x - x2)
N2,1(x) =
(x1 - x0) (x1 - x2)
(x - x0) (x - x1)
N2,2(x) =
(x2 - x0) (x2 - x1)
Na rys. 4.7 zilustrowano graficznie wzór (4.28).
2
N2,2 (x)f2 P2 (x)= N2,k (x)fk
f(x)
k=0
N2,0 (x)f0
x0 x1 x2 x
N2,1 (x)f1
Rys.4.7. Interpretacja graficzna kwadratowego wielomianu interpolacyjnego
L
PrzyjmujÄ…c x0 = 0 oraz x1 = i x2 = L dostaniemy
2
2 L
N2,0(x) = (x - L) (x - )
L2 2
4
(4.29)
N2,1(x) = x (L - x)
L2
2 L
N2,2(x) = x (x - )
L2 2
4.5. Interpolacja 67
Na rys. 4.8 narysowano kwadratowe funkcje bazowe Lagrange a (4.29).
f(x)
f(x)
P2(x) f2
f0 f1
x0 x2 x
L x1 L
2
2
2
L
1
N2,0 (x)= (x-L)(x- )
L2
2
4
1
N2,1 (x)= x(L-x)
L2
2 L
N2,2 (x)= x(x- )
1
L2 2
Rys.4.8. Kwadratowa interpolacja Lagrange a
Przykład 4.6. Wyprowadzić wzór interpolacyjny Lagrange a stopnia dru-
1
giego przybliżający funkcję f(x) = , przyjmując węzły interpolacji x0 = 2,
x
x1 = 2, 5 i x2 = 4.
Wykorzystując wzory z przykładu 4.5 obliczymy
(x - 2, 5) (x - 4)
N2,0(x) = = x2 - 6, 5x + 10
(2 - 2, 5) (2 - 4)
(x - 2) (x - 4) 1
N2,1(x) = = (-4x2 + 24x - 32)
(2, 5 - 2) (2, 5 - 4) 3
(x - 2) (x - 2, 5) 1
N2,2(x) = = (x2 - 4, 5x + 5)
(4 - 2) (4 - 2, 5) 3
68 Elementy aproksymacji i interpolacji funkcji
Wartości funkcji f(x) w węzłach interpolacji wynoszą
1
f0 a" f(x0) = f(2) = = 0, 5
2
1
f1 a" f(x1) = f(2, 5) = = 0, 4
2, 5
1
f2 a" f(x2) = f(4) = = 0, 25
4
Wielomian interpolacyjny Lagrange a stopnia drugiego ma postać
2

1
P2(x) = N2,k(x) f(xk) = (x2 - 6, 5x + 10) · 0, 5 + (-4x2 + 24x - 32) · 0, 4+
3
k=0
1
+ (x2 - 4, 5x + 5) · 0, 25 = 0, 05x2 - 0, 425x + 1, 15
3
1
<"
Dla przykładu, P2(3) = 0, 325, a f(3) = 0, 333.
=
3
Z powyższego przykładu wynika, że obliczony wielomian interpolacyjny
1
dobrze przybliża funkcję f(x) = . Nie zawsze jednak tak jest, co widzimy
x
rozważając interpolację pokazaną na rys. 4.9a. Na rysunku tym funkcją in-
terpolowanÄ… jest prosta Å‚amana A B C D E, a funkcjami interpolacyjnymi
są wielomiany stopnia drugiego P2(x), czwartego P4(x) i ósmego P8(x). Jak
widać, w przypadku wielomianu interpolacyjnego P8(x) jakość interpolacji w
skrajnych przedziałach trudno uznać za zadowalającą: różnice pomiędzy f(x)
i P8(x) są duże. Ten efekt pogarszania się jakości interpolacji wielomianami
wysokiego stopnia w skrajnych przedziałach znany jest jako tzw. efekt Run-
gego. Dlatego zazwyczaj interpolacjÄ™ funkcjami wielomianowymi ograniczamy
do wielomianów niskiego stopnia. Pewnym wyjściem jest zastosowanie inter-
polacji sklejanej, która jest złożona przedziałami z wielomianów niskiego stop-
nia. Pokazano to na rys.4.9b, gdzie wielomian interpolacyjny jest złożony z
czterech wielomianów stopnia drugiego. Taka idea interpolacji sklejanej jest
wykorzystywana we współczesnych metodach komputerowych, na przykład w
metodzie elementów skończonych, przedstawionej w rozdziale szóstym.
Innym problemem w stosowaniu interpolacji Lagrange a jest to, że jest ona
klasy C0, przez co rozumiemy, że w węzłach interpolacji spełniony jest tylko
warunek zgodności wartości funkcji interpolowanej z funkcją interpolującą,
natomiast nie ma ciągłości w węzłach przynajmniej pierwszych pochodnych
(punkty B, C i D na 4.9b). Ten warunek spełnia interpolacja Hermita, opisana
w p. 4.6.
4.5. Interpolacja 69
a)
P2(x)
P4(x)
P8(x)
C
b)
P2(x)
P2(x)
A B D E
Rys.4.9. a) efekt Rungego, b) interpolacja sklejana
4.5.2. Interpolacja Lagrange a funkcji dwóch zmiennych
Wielomian interpolacyjny Lagrange a dla funkcji f(x, y) obliczać będzie-
my podobnie jak to miało miejsce przy interpolacji funkcji jednej zmiennej,
pamiętając jednakże, że obecnie funkcje i macierze funkcyjne zależą od dwóch
zmiennych (x, y). Przepisując wzór (4.22) mamy
Pn(x, y) = N(x, y) F (4.30)
gdzie macierz funkcji bazowych Lagrange a wyrażona jest wzorem
N(x, y) = p(x, y) (BT )-1 (4.31)
Zastosowanie powyższych wzorów zilustrujemy dwoma przykładami interpo-
lacji funkcji nad obszarem trójkątnym i prostokątnym.
Przykład 4.7. Wyprowadzić wzór interpolacyjny Lagrange a nad obszarem
trójkątnym z trzema węzłami.
Dane: węzły interpolacji x = ((xi, yi) (xj, yj) (xk, yk)),
wartości funkcji interpolowanej w węzłach:
F = [f(xi, yi) a" fi f(xj, yj) a" fj f(xk, yk) a" fk]T .
70 Elementy aproksymacji i interpolacji funkcji
Na rys. 4.10 pokazano rozważany trójkąt z numeracją węzłów i współrzędnymi
węzłów.
k
y (xk,yk )
A - powierzchnia
trójkąta
A
(xj,yj )
j
(xi,yi )
i
x
Rys.4.10. Obszar trójkątny z trzema węzłami
Interpolację funkcji możemy też wyrazić poprzez matematyczne stopnie swo-
body wykorzystując wzór (4.11) (dla m = n), co zostało pokazane na rys.
4.11. Należy zauważyć, że numeracja węzłów i, j, k jest przeciwna do ruchu
wskazówek zegara.
Pn(x)=a1+a2 x+a3 y =
Ni fi + Nj fj + Nk fk
f(x,y) fk
fj
fi
y
j
k
x
i
Rys.4.11. Interpolacja liniowa funkcji f(x, y) nad obszarem trójkątnym
Korzystając w dalszym ciągu ze wzorów (4.30) i (4.31) napiszemy potrzebne
wektory i macierze.
Macierz jednowierszowa jednomianów
p(x, y) = [ 1 x y ]
4.5. Interpolacja 71
Macierz BT i jej odwrotność
îÅ‚ Å‚Å‚
1 xi yi
ïÅ‚
BT = 1 xj yj śł
ðÅ‚ ûÅ‚
1 xk yk
îÅ‚ Å‚Å‚
xjyk - xkyj xkyi - xiyk xiyj - xjyi
1
ïÅ‚
(BT )-1 = yj
ðÅ‚ - yk yk - yi yi - yj śł
ûÅ‚
2A
xk - xj xi - xk xj - xi
gdzie A jest powierzchnią trójkąta lub 2A jest wyznacznikiem macierzy BT .
Znak wyznacznika się zmieni, jeśli węzły zostaną ponumerowane zgodnie z ru-
chem wskazówek zegara.
Funkcje bazowe Lagrange a otrzymamy ze wzoru (4.31) (pomijajÄ…c w dalszym
ciÄ…gu pierwszy dolny indeks)
1
Ni(x, y) = [xjyk - xkyj + (yj - yk) x + (xk - xj) y ]
2A
1
(4.32)
Nj(x, y) = [xkyi - xiyk + (yk - yi) x + (xi - xk) y ]
2A
1
Nk(x, y) = [xiyj - xjyi + (yi - yj) x + (xj - xi) y ]
2A
k Nk(x,y)
k 1
Ni(x,y)
Nj(x,y)
k
1
N
1
i i
i
j
j
j
y
x
Rys.4.12. Liniowe funkcje bazowe Lagrange a nad obszarem trójkątnym
Funkcje te możemy również zapisać w zwartej postaci
1
Ni(x, y) = (Ä…i + ²ix + Å‚iy)
2A
(4.33)
Ä…i = xjyk - xkyj ²i = yj - yk Å‚i = xk - xj i = j = k

72 Elementy aproksymacji i interpolacji funkcji
ze zmianą indeksów wg permutacji podstawowej i j k. Funkcje bazowe
3
(4.32) spełniają oczywiście warunek kompletności Nk(x, y) = 1. Na rys.
k
4.12 pokazano wykresy funkcji bazowych (4.32).
Wzór interpolacyjny Lagrange a przyjmuje formę
P2(x, y) = Ni(x, y) fi + Nj(x, y) fj + Nk(x, y) fk
Przykład 4.8. Wyprowadzić funkcje bazowe Lagrange a nad obszarem pro-
stokątnym z czterema węzłami.
Dane: węzły interpolacji x = ((x1, y1) (x2, y2) (x3, y3) (x4, y4)),
wartości funkcji interpolowanej w węzłach:
F = [f(x1, y1) a" f1 f(x2, y2) a" f2 f(x3, y3) a" f3 f(x4, y4) a" f4]T .
Rozważany obszar prostokątny jest pokazany na rys. 4.13.
4 3
y (x4,y4 ) (x3,y3 )
2b
(x1,y1 ) (x2,y2 )
1 2
2a
x
Rys.4.13. Obszar prostokątny z czterema węzłami
Macierz jednowierszową jednomianów przyjmiemy w postaci
p(x, y) = [ 1 x y xy ]
Można byłoby zamiast bazowego elementu kwadratowego xy wybrać x2 lub
y2. Wybór xy jest jednak preferowany ponieważ implikuje to, że zależność
funkcji interpolacyjnych od x i y jest podobna, tzn. że aproksymacja jest tego
samego typu w tych kierunkach. Pomimo tego, że w macierzy p(x, y) wystę-
puje element kwadratowy xy to zmiana funkcji bazowych w kierunkach x i y
(dla odpowiednio y = const. i x = const.) jest liniowa. Z tego powodu taka
interpolacja jest nazywana interpolacjÄ… dwuliniowÄ….
Funkcje bazowe interpolacji można obliczyć w sposób analogiczny jak to
miało miejsce w przykładzie 4.7. A
atwiej jednak jest skorzystać ze wzoru
4.5. Interpolacja 73
(4.24). Rozważmy na przykład węzeł 1 na rys. 4.13. Funkcja bazowa Lagran-
ge a w kierunku x jest następująca
x - x2
L1(x) =
x1 - x2
natomiast w kierunku y jest
y - y4
L1(y) =
y1 - y4
FunkcjÄ™ bazowÄ… N1(x, y) obliczymy ze wzoru
x - x2 y - y4 1
N1(x, y) = L1(x) L2(y) = = (x - x2) (y - y4)
x1 - x2 y1 - y4 4ab
gdzie 2a = x2 - x1 = x3 - x4 i 2b = y4 - y1 = y3 - y2. A
atwo sprawdzić, że
warunki interpolacji są spełnione: N1(x1, y1) = 1 i N1(x2, y2) = N1(x3, y3) =
N1(x4, y4) = 0. Wyprowadzając w ten sposób pozostałe funkcje bazowe otrzy-
mamy cztery funkcje bazowe Lagrange a
1
N1(x, y) = (x - x2) (y - y4)
4ab
1
N2(x, y) = (x - x1) (y - y3)
4ab
(4.34)
1
N3(x, y) = (x - x4) (y - y2)
4ab
1
N4(x, y) = (x - x3) (y - y1)
4ab
1
3
N4 4
y
1 2
x
Rys.4.14. Dwuliniowa funkcja bazowa Lagrange a N4(x, y) nad obszarem prosto-
kÄ…tnym
74 Elementy aproksymacji i interpolacji funkcji
Na rys. 4.14 pokazano przykładowo wykres funkcji N4(x, y). Funkcja zmie-
nia się liniowo dla linii równoległych do osi układu współrzędnych. Obecność
członu xy w p(x, y) oznacza, że w każdym innym kierunku zmiana funkcji jest
już nieliniowa.
Budowa funkcji bazowych Lagrange a w obszarze dwuwymiarowym jest
zadaniem trudnym, wymagającym dużego doświadczenia. Pomijając fakt, że
obszar w którym dokonujemy interpolacji może mieć złożoną geometrię, istot-
nym jest wybór odpowiedniej macierzy p(x, y). Korzysta się w tym przypadku
z trójkąta Pascala, w którym jednomiany są ułożone w sposób systematyczny,
rys. 4.15. Dla interpolacji jednowymiarowej trójkąt Pascala degeneruje się do
1
x y
x2 xy y2
x3 x2y xy2 y3
x4 x3y x2y2 xy3 y4
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rys.4.15. Trójkąt Pascala
1, x, x2, x3, . . . . Jeśli w macierzy p(x, y) zawarte są wszystkie człony określo-
nego rzędu (z jednej linii trójkąta Pascala) to otrzymujemy w efekcie kompletny
wielomian interpolacji. Często, z przyczyn uzasadnionych, konstruuje się wie-
lomiany niekompletne. Nie wchodząc w szczegóły powiemy tylko, że uzasad-
nioną przyczyną jest brak poprawy zbieżności interpolacji przy zwiększaniu
stopnia wielomianu. Wówczas pomijamy te człony, które są tego przyczyną
(tzw. człony pasożytnicze).
4.6. Interpolacja Hermite a
W zastosowaniach praktycznych, w których operuje się zbiorami o du-
żej liczbie punktów węzłowych, interpolacja Lagrange a z konieczności musi
być stosowana w wersji sklejanej bowiem, jak już o tym mówiliśmy, tylko
w ten sposób można uniknąć stosowania wielomianów interpolacyjnych zbyt
wysokiego stopnia. Tak sklejona interpolacja nie zawsze jednak może sprostać
4.6. Interpolacja Hermite a 75
wymaganiom zastosowań, głównie z powodu występowania nieciągłości funkcji
interpolacyjnej Pn(x), będących konsekwencją dokonanych  sklejeń . Tymcza-
sem, wymagania dotyczące ciągłości nie tylko samej funkcji f(x) lecz także jej
pochodnych do danego rzędu m włącznie pojawiają się bardzo często i bywają
bardzo istotne. Powstaje więc uzasadniona potrzeba odpowiedniego uogólnie-
nia koncepcji interpolacji Lagrange a. Takie uogólnione wielomiany mają tą
własność, że dla danych n + 1 punktów węzłowych x0, x1, . . . , xn i nieujem-
nych liczb całkowitych m0, m1, . . . , mn, wielomianem aproksymującym funkcję
f(x) " Cm[a, b], gdzie m = max(m0, m1, . . . , mn) i xi " [a, b], i = 0, 1, . . . , n,
jest wielomian stopnia co najwyżej
m

M = mi + n
i=0
z własnością, że w każdym punkcie węzłowym xi, i = 0, 1, . . . , n, funkcja ta i jej
wszystkie pochodne rzędu mniejszego lub równego mi, i = 0, 1, . . . , n są równe
funkcji f(x) i jej odpowiednim pochodnym. Stopień M wielomianu wynika
n

stąd, że liczba warunków, które muszą być spełnione wynosi mi + (n + 1)
i=0
i właśnie wielomian stopnia M ma M + 1 współczynników.
Powyższe stwierdzenia podsumujemy w definicji.
Definicja 3. Niech x0, x1, . . . , xn jest zbiorem n + 1 punktów węzłowych
w przedziale [a, b] i mi są nieujemnymi liczbami całkowitymi związanymi z
punktami xi, i = 0, 1, . . . , n, oraz
m = max mi i f(x) " Cm[a, b]
0 i n
Wielomianem uogólnionym, aproksymującym funkcję f(x) jest wielomianem
P (x) co najmniej takiego stopnia, że
dkP (xi) dkf(xi)
=
dxk dxk
dla wszystkich i = 0, 1, . . . , n i k = 0, 1, . . . , mi.
Zauważmy, że jeśli n = 0 to wielomian uogólniony jest wielomianem Tay-
lora stopnia m0 dla f(x) w punkcie x0. Jeśli mi = 0 dla i = 0, 1, . . . , n,
to wielomian uogólniony jest wielomianem interpolacyjnym f(x) w punktach
x0, x1, . . . , xn, tzn. jest wielomianem Lagrange a.
76 Elementy aproksymacji i interpolacji funkcji
Wielomian uogólniony nazywa się wielomianem Hermite a jeśli mi = 1
dla wszystkich i = 0, 1, . . . , n. Taki wielomian ma tę własność, że w punk-
tach węzłowych x0, x1, . . . , xn wartości funkcji f(x) i P (x) i ich pierwszych
pochodnych są sobie równe.
Postać wielomianu Hermite a jest określona dokładniej przez poniższe twier-
dzenie.
Twierdzenie 3.
Jeśli f " C1[a, b] i x0, x1, . . . , xn " [a, b] są izolowanymi punktami węzłowymi,
to wielomianem Hermite a, co najmniej stopnia zapewniającego jego zgodność
z funkcją f i jej pochodną f2 , jest wielomian stopnia co najwyżej 2n + 1 okre-
ślony wzorem
n n


H2n+1(x) = f(xj) Hn,j(x) + f2 (xj) Hn,j(x) (4.35)
j=0 j=0
gdzie funkcje bazowe interpolacji są równe

2 2
Hn,j(x) = 1 - 2(x - xj) Nn,j(xj) Nn,j(x)
2

Hn,j(x) = (x - xj) Nn,j(x)
W powyższym twierdzeniu Nn,j oznacza funkcję bazową Lagrange a stop-
d
nia n dla punktu węzłowego xj oraz (" )2 a" (" ).
dx
Dodatkowo, jeśli f " C2n+2[a, b] to błąd interpolacji Hermite a wynosi

(x - x0)2 . . . (x - xn)2
f(x) - H2n+1(x) = f(2n+2) ¾(x) (4.36)
(2n + 2)!
gdzie ¾ " (a, b).
W dowodzie twierdzenia, którego nie będziemy przytaczać, wykazuje się, że

funkcje Hn,j i Hn,j spełniają warunki

d
0 j = k

Hn,j(xk) = Hn,j(xk) = 0 dla każdego k
1 j = k
dx

d
0 j = k


Hn,j(xk) = 0 dla każdego k Hn,j(xk) =
1 j = k
dx
co jest zilustrowane na rys. 4.16.
4.6. Interpolacja Hermite a 77
Hn,j(x)
1
x0
xj-1 xj xj+1 xn x
Hn,j(x)
Nachylenie stycznej
pod kÄ…tem 45o
x0
xj-1
xj xj+1 xn x
Rys.4.16. Funkcje bazowe interpolacji Hermite a
Przykład 4.9. Wyprowadzić wzór interpolacyjny Hermite a dla dwóch punk-
tów węzłowych.
Dane: węzły interpolacji (x0, x1)
wartości funkcji f w węzłach: (f(x0) a" f0, f(x1) a" f1)
2 2
wartości pochodnych funkcji f w węzłach: (f2 (x0) a" f0, f2 (x1) a" f1)
Wielomian interpolacyjny jest stopnia 2n + 1 = 2 · 1 + 1 = 3 i ma postać
1 1

2

H3(x) = H1,j(x) fj + H1,j(x) fj
j=0 j=0
Funkcje bazowe wyznaczymy obliczajÄ…c kolejno
x - x1 2 1
N1,0(x) = N1,0(x) =
x0 - x1 x0 - x1

1 x - x1 2
H1,0(x) = 1 - 2(x - x0) = (2¾ + 1)(¾ - 1)2
x0 - x1 x0 - x1
gdzie oznaczono ¾ = (x - x0)/L, L = x1 - x0
78 Elementy aproksymacji i interpolacji funkcji

x - x1 2

H1,0(x) = (x - x0) = L ¾(¾ - 1)2
x0 - x1
x - x0 2 1
N1,1(x) = N1,1(x) =
x1 - x0 x1 - x0

1 x - x0 2
H1,1(x) = 1 - 2(x - x1) = ¾2(3 - 2¾)
x1 - x0 x1 - x0

x - x0 2

H1,1(x) = (x - x1) = L ¾2(¾ - 1)
x1 - x0
H3(x)
f0 ,f0'
f1 ,f1'
x0 x1 x
L
1 H1,0 (x)
o
H1,0 (x)
a=45
1 H1,1 (x)
H1,1 (x)
o
a=45
Rys.4.17. Funkcje bazowe interpolacji Hermite a
PrzyjmujÄ…c x0 = 0 mamy L = x1 i wzory na funkcje bazowe interpolacji
Hermite a sÄ… w postaci
4.6. Interpolacja Hermite a 79
2 3 2
x x x

H1,0(x) = 1 - 3 + 2 H1,0(x) = x 1 -
L L L
(4.37)
2 3 2
x x x x

H1,1(x) = 3 - 2 H1,1(x) = x -
L L L L
Na rys. 4.17 pokazano wykresy tych funkcji.
Przykład 4.10. Obliczyć wzorem interpolacyjnym Hermite a f(1, 5) dla da-
nych z tabeli 4.3.
W tym przykładzie n = 2 i wielomian interpolacyjny jest stopnia 2n + 1 =
2 · 2 + 1 = 5 wyrażony wzorem
2 2

2

H5(x) = H2,j(x) fj + H2,j(x)fj
j=0 j=0
k xk f(x0) f2 (xk)
0 1,3 0,620 -0,522
1 1,6 0,455 -0,570
2 1,9 0,282 -0,581
Tabela 4.3. Dane do przykładu 4.10
Obliczamy kolejno
(x - x1) (x - x2) 50 175 152
N2,0(x) = = x2 - x +
(x0 - x1) (x0 - x2) 9 9 9
100 175
2
N2,0(x) = x -
9 9
(x - x0) (x - x2) 100 320 247
N2,1(x) = = - x2 + x -
(x1 - x0) (x1 - x2) 9 9 9
200 320
2
N2,1(x) = - x +
9 9
80 Elementy aproksymacji i interpolacji funkcji
(x - x0) (x - x1) 50 145 104
N2,2(x) = = x2 - x +
(x2 - x0) (x2 - x1) 9 9 9
100 145
2
N2,2(x) = x -
9 9
2
50 175 152
H2,0(x) = 1 - 2(x - 1, 3) · (-5) x2 - x + =
9 9 9

50 175 152 2
(10x - 12) x2 - x +
9 9 9

100 320 247 2
H2,1(x) = 1 · - x2 + x -
9 9 9

50 145 104 2
H2,2(x) = 10 · (2 - x) x2 - x +
9 9 9
2
50 175 152

H2,0(x) = (x - 1, 3) x2 - x +
9 9 9

100 320 247 2

H2,1(x) = (x - 1, 6) - x2 + x -
9 9 9
2
50 145 104

H2,2(x) = (x - 1, 9) x2 - x +
9 9 9

H5(x) = 0, 620H2,0(x) + 0, 455H2,1(x) + 0, 282H2,2(x) - 0, 522H2,0(x)-

0, 570H2,1(x) - 0, 581H2,2(x)

4 64 5 4
H5(1, 5) = 0, 620 · + 0, 455 · + 0, 282 · - 0, 522 · -
27 81 81 405

32 2
0, 570 · - - 0, 581 · - = 0, 512
405 405
Interpolację Hermite a można też stosować w wersji sklejanej. Funkcje in-
terpolacyjne mogą być w ogólności sklejane z wielomianów różnych stopni
w podprzedziałach na jakie podzielimy przedział [a, b] będący dziedziną funk-
cji f(x). Szczegóły takiej interpolacji funkcjami sklejanymi (ang. spline inter-
polation functions) można znalez
ć w podręcznikach z metod numerycznych.


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
cwiczenia10 aproksymacja interpolacja
Rozdział 8 Elementy karoserii
MN MiBM zaoczne wyklad 2 aproksymacja, interpolacja
Aproksymacja i interpolacja (2)
Interpolacja aproksymacjanew
03 mo interpolacja aproksymacjaidF07
BIOS Interpretujemy jego elementy
Rozdział 01 Komunikacja procesora z innymi elementami architektury komputera
Interpolacja i aproksymacja
option extended valid elements
Alchemia II Rozdział 8
Drzwi do przeznaczenia, rozdział 2

więcej podobnych podstron