Сетка – это одно из основных понятий. Точки ,
,
называются узлами сетки. Отметим, что в дальнейшем мы будем рассматривать
только такие сетки, в которых все узлы сетки различны (
для
) и упорядочены по возрастанию.
Определение интерполяционной таблицы.Пусть заданы вещественные
числа . Таблица, состоящая из значений
,
, называется интерполяционной
таблицей, где
- узлы сетки,
– значения некоторой функции в узлах
сетки.
Постановка
задачи интерполяции. Пусть
на отрезке задана сетка
, в узлах которой заданы значения:
,
, (где
- некоторая функция). Требуется
построить функцию
такую, что
1) ,
;
2) достаточно близка к
на отрезке
.
Другими словами, задача интерполяции заключается в нахождении значений таблично заданной функции в тех точках внутри заданного отрезка, которые не являются узлами сетки.
Постановка
задачи численного дифференцирования. Пусть на отрезке задана сетка
, в узлах которой заданы значения:
,
(где
- некоторая функция).
Требуется найти функцию
на отрезке
, которая достаточно близка к
.
В курсе «Вычислительная математика» мы рассматривали
интерполяцию полиномами, в дальнейшем мы будем изучать сплайн-интерполяцию. При
решении задачи интерполяции будем полагать, что -
интерполяционный сплайн. При решении задачи численного дифференцирования будем
полагать, что
- производная некоторого
сплайна. При этих предположениях о функциях
и
задачи интерполяции и численного
дифференцирования имеют единственное решение.
Сначала мы дадим нестрогое определение сплайна, а затем подробно рассмотрим интерполяционный линейный сплайн, интерполяционный параболический сплайн и интерполяционный кубический сплайн.
Сплайнна отрезке - это функция (как правило, непрерывная),
которая является кусочно-полиномиальной, то есть состоит из «кусочков»
полиномов одинаковой степени.
Рекомендуемая литература: / 7 – 9 /.
2.1. ИНТЕРПОЛЯЦИОННЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ СПЛАЙН
Линейный сплайнна
отрезке - это непрерывная кусочно-линейная
функция. На отрезке
введем сетку
. Обозначим
линейный
сплайн. Для каждого
из отрезка
линейный сплайн определяется следующим
образом:
, где
и
- числовые коэффициенты.
Пример . На рисунке 2.1
приведен график линейного сплайна. Формула этого сплайна записывается следующим
образом:
В дальнейшем мы будем рассматривать, как правило,
равномерные сетки . Так как сетка
состоит из
точки,
то отрезок
разбит на
отрезков
. На каждом из отрезков
линейный сплайн
определяется
формулой
, то есть однозначно определяется двумя
коэффициентами:
,
. На
всем отрезке
линейный сплайн
определяется
коэффициентами
и
,
.
Для того, чтобы однозначно определить интерполяционный линейный сплайн на
отрезке
, нам требуется
уравнений
относительно
и
.
Так как является
интерполяционной функцией, то первые
уравнения получаем из
условия
,
.
Узлы сетки и
называют граничными узлами, а узлы
- внутренними узлами сетки. Во всех
внутренних узлах сетки (а их число равно
)
функция
должна быть непрерывна, следовательно,
получаем еще
уравнение. В сумме получаем
линейных уравнений относительно
неизвестных
и
.
Дадим строгое определение интерполяционного линейного сплайна.
Определение интерполяционного линейного
сплайна. Пусть на
отрезке задана сетка
, в
узлах которой заданы значения
,
. Интерполяционным линейным сплайном называется
функция
, удовлетворяющая следующим условиям:
1)
функция – непрерывная функция на
;
2)
на каждом
из отрезков функция
является
полиномом первой степени вида
,
;
3)
функция – интерполяционная функция, то есть:
,
.
Отметим, что из этого определения, отбросив условие три, мы получаем определение линейного сплайна.
Пример. Функция
является линейным сплайном, определенным на отрезке . Эта же функция является интерполяционным линейным
сплайном, удовлетворяющим следующей интерполяционной таблице:
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.