Интерполяционный многочлен в форме Ньютона

 

Выборка экспериментальных данных представляет собой массив данных, который характеризует процесс изменения измеряемого сигнала в течение заданного времени (либо относительно другой переменной). Для  выполнения теоретического анализа измеряемого сигнала необходимо найти аппроксимирующую функцию, которая свяжет дискретный набор экспериментальных данных с непрерывной функцией - интерполяционным полиномом n-степени. Данный интерполяционный полином n-степени может быть записан, например, в форме Ньютона (один из способов представления). 

Интерполяционный многочлен в форме Ньютона – это математическая функция позволяющая записать полином n-степени, который будет соединять все заданные точки из набора значений, полученных опытным путём или методом случайной выборки с постоянным/переменным временным шагом измерений.

1. Интерполяционная формула Ньютона для неравноотстоящих значений аргумента

В общем виде интерполяционный многочленв форме Ньютона записывается в следующем виде:

где n – вещественное число, которое указывает степень полинома;

 –  переменная, которая представляет собой разделенную разность k-го порядка, которая вычисляется по следующей формуле:

Разделённая разность является симметричной функцией своих аргументов, то есть при любой их перестановке её значение не меняется. Следует отметить, что для разделённой разности k-го порядка справедлива следующая формула:

В качестве примера, рассмотрим построение полинома в форме Ньютона по представленной выборке данных, которая состоит из трех заданных точек Интерполяционный многочленв форме Ньютона, который проходит через три заданных точки, будет записываться в следующем виде:

• Разделенная разность 1-го порядка определяется следующим выражением

Следует отметить, что данное выражение может быть переписано в другом виде:

• Разделенная разность 2-го порядка определяется следующим выражением

Следует отметить, что данное выражение может быть переписано в другом виде:

Форма Ньютона является удобной формой представления интерполяционного полинома n-степени, так как при добавлении дополнительного узла все вычисленные ранее слагаемые остаются без изменения, а к выражению добавляется только одно новое слагаемое. Следует отметить, чтоинтерполяционный полином в форме Ньютона только по форме отличается от интерполяционного полинома в форме Лагранжа, представляя собой на заданной сетке один и тот же интерполяционный полином.

Следует отметить, что полином в форме Ньютона может быть представлен в более компактном виде (по схеме Горнера), которая получается путем последовательного вынесения за скобки множителей 

2. Интерполяционная формула Ньютона для равноотстоящих значений аргумента

В случае если значения функции заданы для равноотстоящих значений аргумента, которые имеют постоянный шаг измерений , то  используют другую форму записи интерполяционного многочлена по формуле Ньютона.

• Для интерполирования функции в конце рассматриваемого интервала (интерполирование назад и экстраполирование вперед) используют интерполяционный полином в форме Ньютона в следующей записи:

где конечные разности k-порядка определяются по следующему выражению

Получаемые конечные разности удобно представлять в табличной форме записи, в виде горизонтальной таблице конечных разностей. В этой формуле из таблицы конечных разностей используются   верхней диагонали.

• Для интерполирования функции в начале рассматриваемого интервала (интерполирование вперед и экстраполирование назад) используют интерполяционный полином в форме Ньютона в следующей записи:

где конечные разности k-порядка определяются по следующему выражению

Получаемые конечные разности удобно представлять в табличной форме записи, в виде горизонтальной таблице конечных разностей. В формуле из таблицы конечных разностей используются нижней диагонали.

3. Погрешность интерполяционного полинома в форме Ньютона

Рассмотрим функцию f(x), которая непрерывна и дифференцируема на рассматриваемом отрезке  [a, b]. Интерполяционный полином  P(x) в форме Ньютона принимает в точках  заданные значения функции В остальных точках интерполяционный полином P(x)  отличается от значения функции f(xна величину остаточного члена, который определяет абсолютную погрешность интерполяционной формулы Ньютона:

Абсолютную погрешность интерполяционной формулы Ньютона определяют следующим образом:

Переменная  представляет собой верхнюю границу значения модуля (n+1)-й производной функции f(x) на заданном интервале [a, b]

В случае равноотстоящих узлов абсолютная погрешность интерполяционной формулы Ньютона определяют следующим образом:

Выражение записано с учетом следующей формулы:

Выбор узлов интерполяции

С помощью корректного выбора узлов можно минимизировать значение  в оценке погрешности, тем самым повысить точность интерполяции. Данная задача может быть решена с помощью многочлена Чебышева: 


В качестве узлов следует взять корни этого многочлена, то есть точки: 

4. Методика вычисления полинома в форме Ньютона (прямой способ)

Алгоритм вычисления полинома в форме Ньютона позволяет разделить задачи определения коэффициентов и вычисления значений полинома при различных значениях аргумента:

1. В качестве исходных данных задается выборка из n-точек, которая включает в себя значения функции и значения аргумента функции.

2. Выполняется вычисление разделенных разностей n-порядка, которые будет использоваться для построения полинома  в форме Ньютона.

3. Выполняется  вычисление полинома n-степени в форме Ньютона по следующей формуле:

Алгоритм вычисления полинома в форме Ньютона  представлен на рисунке 1.

Рис.1. Методика вычисления полинома в форме Ньютона

Следует отметить, что разделённые разности k-го порядка в соответствии с представленной методикой перезаписывается в вектор столбец функции , а результирующая разделенная разность всегда находится в первой ячейке функций . Рассмотрим, каким образом будет изменяться вектор столбец функции  при выполнении расчета по представленной методике.

В качестве примера рассмотрим следующую практическую задачу. В рамках задачи известен набор шести значений, которые получены методом случайной выборки для различных моментов времени. Следует отметить, что данная выборка значений описывает функция  на интервале [0, 10]. Необходимо построить многочлен в форме Ньютона для представленного набора значений. С помощью интерполяционной формулывычислить приближенное значение функции в точке , а также определить оценку погрешности результата вычислений.

Многочлен в форме Ньютона, который строится на основании шести значений, представляет собой полином 5 степени. Результат построения полинома в форме Ньютона показан в графическом виде.

Рис.2Исходная функция и полином в форме Ньютона, построенный по шести заданным точкам

С помощью найденного полинома можно определить значение функции в любой точке заданного интервала. Определение промежуточных значений величины по имеющемуся дискретному набору известных значений называется «интерполяцией». В соответствии с условиями задачи полином в форме Ньютона в точке x=9,5 принимает следующее значение: L(9,5)= – 4,121. Из графика видно, что полученное значение не совпадает cо значением функции f(x) на величину абсолютной погрешности интерполяционной формулы Ньютона.

Интерполяционный полином в форме Ньютона часто оказывается удобным для проведения различных теоретических исследований в области вычислительной математики. Так, например, полином в форме Ньютона используются для интерполяции, а также для численного интегрирования таблично-заданной функцией.

 

Для того, чтобы добавить Ваш комментарий к статье, пожалуйста, зарегистрируйтесь на сайте.