Интерполяция каноническим полиномом

Материал из MachineLearning.

Перейти к: навигация, поиск

Постановка задачи

Пусть задана функция \varphi(x) на некотором интервале [x0,xn]. Предположим, что мы знаем значения этой функции в n точках. Известно, что через n+1 точек на плоскости можно провести кривую, являющуюся графиком степенного многочлена (полинома) степени n, причем такой полином единственный.

Этот факт лежит в основе так называемой полиномиальной интерполяции, при которой функцию \varphi(x) строят в виде полинома степени n.

Если на всём интервале [x_0,x_n], содержащем n+1 узлов, строят один полином степени n, то говорят о глобальной интерполяции. Если же интервал разбивается на отрезки, и на каждом из отрезков строится свой полином, то говорят о локальной интерполяции.

Полином в каноническом виде

В качестве аппроксимирующей функции выбирается полином степени n в каноническом виде:

\varphi(x)=P_n(x)=c_0+c_1x+c_2x^2+ \ldots + c_nx^n

Коэффициенты полинома c_i определяются из условий Лагранжа P_n(x_i)=y_i, i=1, \ldots, n, что с учётом предыдущего выражения даёт систему уравнений с n+1 неизвестными:


\begin{matrix}
c_0 + c_1x_0 + c_2x_0^2 + \ldots + c_nx_0^n = y_0 \\
c_0 + c_1x_1 + c_2x_1^2 + \ldots + c_nx_1^n = y_1 \\
\ldots \ldots \ldots \ldots \ldots \\
c_0 + c_1x_n + c_2x_n^2 + \ldots + c_nx_n^n = y_n
\end{matrix}

Обозначим систему таких уравнений символом (*) и перепишем её следующим образом:

 \sum_{p=0}^n c_i^p = y_i, \quad i=1, \ldots, n

или в матричной форме: \mathbf{Ac}=\mathbf{y}, где \mathbf{c} --- вектор-столбец, содержащий неизвестные коэффициенты c_i, \mathbf{y} --- вектор-столбец, составленный из табличных значений функции y_i, а матрица \mathbf{A} имеет вид:

 \mathbf{A} = 
\begin{pmatrix}
1 & x_0 & x_0^2 & \ldots & x_0^n \\
1 & x_1 & x_1^2 & \ldots & x_1^n \\
\ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\
1 & x_n & x_n^2 & \ldots & x_n^n \\
\end{pmatrix}

Система линейных алгебраических уравнений (*) относительно неизвестных c_i будет иметь решение, если определитель матрицы \mathbf{A} отличен от нуля.

Определитель матрицы \mathbf{A} называют определителем Вандермонда, его можно вычислить по следующей формуле:

\mathbf{detA} = \prod_{i,j=0 \\ i \neq j }^n (x_i - x_j) \neq 0

Личные инструменты