Щоб
помилка інтерполяції не перевищувала за абсолютною величиною деяке а,
необхідно вибрати h, яке задовольняло б умову
Аналізуючи
попереднє, можна зазначити, що інтерполювання може бути здійснене лише на
невеликому інтервалі по кількох вузлах інтерполяції, процес обчислення
скінченних різниць є нестійким. Окрім того, якщо значення подають значення функції, яка
наближується, зі значними похибками, інтерполювати ці значення недоцільно.
За таких умов застосовують середньоквадратичне наближення. Найбільш ефективним методом побудови середньоквадратичного наближення функції є метод найменших квадратів (МНК).
Нехай
є відомими значень
(
) деякої фізичної величини
, виміряної у моменти часу
. Припустимо, що ці значення подають
істинні значення функції
у відповідні моменти
часу зі значними похибками, значення яких невідомі, але припускається, що ці
похибки є випадковими з математичним сподіванням, що дорівнює нулю. Будемо
наближати невідому функцію
за допомогою лінійної
комбінації деяких відомих
функцій
, (5.39)
де функції ,
, . . .,
називатимемо базовими функціями. Потрібно
визначити
невідомих коефіцієнтів
(
) з
умови, щоб квадрат середньоквадратичного відхилення (СКВ) апроксимуючої функції
від апроксимованої
(обчисленого
для заданих значень
аргумента
)
(5.40)
був мінімальним
(саме тому відповідний метод називається МНК). Квадрат СКВ (5.40) є функцією невідомих коефіцієнтів
(
). Тому
для пошуку його мінімуму необхідно знайти
частинних
похідних за окремими коефіцієнтами
(5.41)
і прирівняти їх до нуля. В результаті
одержується система з лінійних алгебричних рівнянь з
невідомими
,
,...,
:
(5.42)
Система
(5.42) називається нормальною системою для методу найменших квадратів. Визначником цієї системи є визначник Грама сукупності функцій :
(5.43)
Як
відомо, якщо функції
складають
сукупність взаємонезалежних функцій (тобто ніяку з цих функцій неможливо подати
як лінійну комбінацію решти з них), то визначник Грама цих функцій не дорівнює
нулю. Це означає, що за базові функції при апроксимуванні потрібно обирати
сукупності лінійно незалежних функцій. Тоді СЛАР (5.42) має єдиний розв'язок -
значення коефіцієнтів
, що
забезпечують мінімум квадрата середньоквадратичного відхилення апроксимуючої та
апроксимованої функцій.
Ортогональними на
деякому інтервалі функціями називається сукупність
таких функцій, що
.
Матриця Грама для ортогональних функцій є одиничною.
У випадку, коли за базові при апроксимуванні обрані ортогональні функції, обчислення коефіцієнтів апроксимації значно спрощується. У цьому випадку значення їх можна визначити співвідношенням
. (5.44)
Тому при апроксимуванні бажано обирати за базові системи ортогональних функцій.
Класичними
прикладами ортогональних функцій-поліномів є поліноми Якобі, Лежандра, Лагерра,
Чебишева, Ерміта. Наприклад, поліноми Лежандра є
ортогональними на відрізку
і мають вигляд:
;
;
;
;
;
.
Поліноми
Чебишева першого роду є ортогональними також на
інтервалі
. Їх можна задати співвідношенням
;
,
а рекурентна формула їх визначення має такий вигляд:
;
.
Наведемо приклади поліномів Чебишева першого роду:
;
;
;
;
;
;
.
Поліноми
Чебишева другого роду також ортогональні на тому
самому інтервалі і мають такий вигляд:
;
;
;
;
.
Поліноми Ерміта ортогональні на всій числовій осі
і мають вигляд
;
;
;
;
.
Наведені системи ортогональних поліномів стають у нагоді, коли за апроксимуючу функцію обирається поліном певного степеня, тобто для здійснення так званої поліноміальної апроксимації.
Прикладом системи неортогональних базових поліномів може бути така система:
;
;...,
;....
Вона
часто використовується на практиці. Тоді - многочлен
степеня
. В цьому разі до
розв’язку пропонується система вигляду
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.