INTERPOLACJA I APROKSYMACJA FUNKCJI

Podobne dokumenty
Matematyka stosowana i metody numeryczne

Aproksymacja. funkcji: ,a 2. ,...,a m. - są funkcjami bazowymi m+1 wymiarowej podprzestrzeni liniowej X m+1

Metody numeryczne. Sformułowanie zagadnienia interpolacji

POD- I NADOKREŚLONE UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

3. Interpolacja. Interpolacja w sensie Lagrange'a (3.1) Dana jest funkcja y= f x określona i ciągła w przedziale [a ;b], która

Interpolacja funkcji

Interpolacja. Marcin Orchel. Drugi przypadek szczególny to interpolacja trygonometryczna

ROZWIĄZYWANIE RÓWNAŃ NIELINIOWYCH

Metody numeryczne Wykład 6

Analiza numeryczna Kurs INP002009W. Wykład 8 Interpolacja wielomianowa. Karol Tarnowski A-1 p.223

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

Obliczenia naukowe Wykład nr 6

Metody numeryczne. Sformułowanie zagadnienia interpolacji

Wprowadzenie Metoda bisekcji Metoda regula falsi Metoda siecznych Metoda stycznych RÓWNANIA NIELINIOWE

DOPASOWYWANIE KRZYWYCH

Interpolacja, aproksymacja całkowanie. Interpolacja Krzywa przechodzi przez punkty kontrolne

METODY NUMERYCZNE. Wykład 3. Plan. Aproksymacja Interpolacja wielomianowa Przykłady. dr hab.inż. Katarzyna Zakrzewska, prof.agh. Met.Numer.

dr inż. Damian Słota Gliwice r. Instytut Matematyki Politechnika Śląska

Metody Obliczeniowe w Nauce i Technice

ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ. Egzamin pisemny zestaw 1 26 czerwca 2017 roku

Zaawansowane metody numeryczne

Elementy projektowania inzynierskiego Przypomnienie systemu Mathcad

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ. Egzamin pisemny zestaw 1 24 czerwca 2019 roku

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania. Technologie informatyczne

Aproksymacja funkcji a regresja symboliczna

w analizie wyników badań eksperymentalnych, w problemach modelowania zjawisk fizycznych, w analizie obserwacji statystycznych.

Metody Numeryczne Wykład 4 Wykład 5. Interpolacja wielomianowa

2.2 Udowodnić,żejeżelif(x)=(x x 0 )(x x 1 )...(x x p ),to[x 0,x 1,...,x n ;f]= 0dlan p.jakajestwartośćtegoilorazu,gdyn=p+1?

Wstęp do metod numerycznych Uwarunkowanie Eliminacja Gaussa. P. F. Góra

Układy równań i równania wyższych rzędów

Matematyka stosowana i metody numeryczne

Aproksymacja. j<k. L 2 p[a, b] l 2 p,n X = Lemat 1. Wielomiany ortogonalne P 0,P 1,...,P n tworza przestrzeni liniowej Π n. Dowód.

REPREZENTACJA LICZBY, BŁĘDY, ALGORYTMY W OBLICZENIACH

Zaawansowane metody numeryczne

5. Rozwiązywanie układów równań liniowych

Rozwiązywanie równań nieliniowych

Algebra liniowa. Macierze i układy równań liniowych

Metoda Różnic Skończonych (MRS)

INFORMATYKA ELEMENTY METOD NUMERYCZNYCH.

Analiza numeryczna kolokwium2a-15grudnia2005

x y

Egzamin z Metod Numerycznych ZSI, Grupa: A

METODY KOMPUTEROWE W MECHANICE

Liczby zespolone. x + 2 = 0.

PROGRAMOWANIE KWADRATOWE

Zagadnienia brzegowe dla równań eliptycznych

Ćwiczenia nr 7. TEMATYKA: Krzywe Bézier a

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

Egzamin z Metod Numerycznych ZSI, Egzamin, Gr. A

Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. Karta przedmiotu. obowiązuje studentów rozpoczynających studia w roku akademickim 2016/2017

1. PODSTAWY TEORETYCZNE

Interpolacja i modelowanie krzywych 2D i 3D

Definicja macierzy Typy i właściwości macierzy Działania na macierzach Wyznacznik macierzy Macierz odwrotna Normy macierzy RACHUNEK MACIERZOWY

Programowanie matematyczne

Programowanie nieliniowe. Badania operacyjne Wykład 3 Metoda Lagrange a

= i Ponieważ pierwiastkami stopnia 3 z 1 są (jak łatwo wyliczyć) liczby 1, 1+i 3

VII. Elementy teorii stabilności. Funkcja Lapunowa. 1. Stabilność w sensie Lapunowa.

ROZKŁAD MATERIAŁU DO II KLASY LICEUM (ZAKRES ROZSZERZONY) A WYMAGANIA PODSTAWY PROGRAMOWEJ.

PODSTAWY RACHUNKU WEKTOROWEGO

REPREZENTACJA LICZBY, BŁĘDY, ALGORYTMY W OBLICZENIACH

Wykład 5. Metoda eliminacji Gaussa

Układy równań liniowych. Krzysztof Patan

KADD Minimalizacja funkcji

1. Liczby zespolone. Jacek Jędrzejewski 2011/2012

Programowanie celowe #1

2. Kombinacja liniowa rozwiązań zeruje się w pewnym punkcie wtedy i tylko wtedy, gdy zeruje się w każdym punkcie.

a 11 a a 1n a 21 a a 2n... a m1 a m2... a mn x 1 x 2... x m ...

ZAGADNIENIA PROGRAMOWE I WYMAGANIA EDUKACYJNE DO TESTU PRZYROSTU KOMPETENCJI Z MATEMATYKI DLA UCZNIA KLASY II

Diagonalizacja macierzy i jej zastosowania

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów o stałych współcz

Aproksymacja linią prostą. dane. X dane 0. Y dane 1. p q. line X, Y. Tablica z danymi do aproksymacji

Teoretyczne podstawy programowania liniowego

Grafika komputerowa Wykład 8 Modelowanie obiektów graficznych cz. II

14a. Analiza zmiennych dyskretnych: ciągi liczbowe

2 1 3 c c1. e 1, e 2,..., e n A= e 1 e 2...e n [ ] M. Przybycień Matematyczne Metody Fizyki I

1 Równania nieliniowe

Diagonalizacja macierzy i jej zastosowania

Funkcje wymierne. Jerzy Rutkowski. Działania dodawania i mnożenia funkcji wymiernych określa się wzorami: g h + k l g h k.

Estymacja wektora stanu w prostym układzie elektroenergetycznym

Zaawansowane metody numeryczne

Łagodne wprowadzenie do Metody Elementów Skończonych

S Y L A B U S P R Z E D M I O T U

VII. WYKRESY Wprowadzenie

Szeregi funkcyjne. Szeregi potęgowe i trygonometryczne. Katedra Matematyki Wydział Informatyki Politechnika Białostocka

Równanie przewodnictwa cieplnego (II)

2. DZIAŁANIA NA WIELOMIANACH

Lokalna odwracalność odwzorowań, odwzorowania uwikłane

6. FUNKCJE. f: X Y, y = f(x).

1 Metody rozwiązywania równań nieliniowych. Postawienie problemu

Zaawansowane metody numeryczne

Matematyka I. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr zimowy 2018/2019 Wykład 9

Lista nr 1 - Liczby zespolone

Rachunek różniczkowy i całkowy w przestrzeniach R n

GAL 80 zadań z liczb zespolonych

Metody numeryczne I Równania nieliniowe

automatyka i robotyka II stopień (I stopień / II stopień) ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

Interpolacja. Interpolacja wykorzystująca wielomian Newtona

Elementy Analizy Numerycznej - opracowanie pytań egzaminacyjnych

Matematyka liczby zespolone. Wykład 1

Transkrypt:

Transport, studia niestacjonarne I stopnia, semestr I Instytut L-5, Wydział Inżynierii Lądowej, Politechnika Krakowska Ewa Pabisek Adam Wosatko

Wprowadzenie Na czym polega interpolacja? Interpolacja polega na budowaniu tzw. funkcji interpolujących ϕ(x) na podstawie zadanych wartości f (x) zapamiętanych w postaci dyskretnej. Postać dyskretną tworzą dwa zbiory liczbowe: X = {x 0, x 1,..., x n } które nazywamy węzłami interpolacji, oraz wartości pewnej funkcji interpolowanej: gdzie dla wygody zapisu f i f (x i ). F = {f 0, f 1,..., f n }

Wprowadzenie Warunki interpolacji f f (x) ϕ(x) x 0 x 1 x 2 x 3 x i x n x Obie funkcje: interpolowana f (x) i interpolująca ϕ(x) na zbiorze węzłów X mają dokładnie takie same wartości liczbowe. Są zatem spełnione warunki ϕ(x i ) = f (x i ), i = 0, 1,..., n na podstawie których konstruuje się funkcję interpolującą ϕ(x i ).

Wprowadzenie Postać ogólna wielomianu interpolacyjnego Funkcja ϕ(x i ) w przypadku ogólnym jest przedstawiana najczęściej w postaci wielomianu uogólnionego, utworzonego z odpowiednio dobranych tzw. funkcji bazowych φ i (x), i = 0, 1,..., n. ϕ(x) = a o φ 0 (x) + a 1 φ 1 (x) +... a n φ n (x) = gdzie wprowadzono oznaczenia: Φ(x) = [φ 0 (x), φ 1 (x),..., φ n (x)] baza interpolacyjna n a i φ i (x) = Φ(x) a, a = [a 0, a 1,..., a n ] T wektor współczynników (mnożników) i=0 funkcji ϕ(x) względem bazy Φ(x).

Wprowadzenie Sformułowanie zagadnienia interpolacji funkcji jednej zmiennej Każda baza Φ(x) ma spełniać podstawowy warunek: funkcje φ i (x), i = 0, 1,..., n muszą być liniowo niezależne, czyli gdy żadnej z nich nie da się przedstawić w postaci i 1 φ i (x) = a k φ k (x) + k=1 n k=i+1 a k φ k (x), i = 1, 2,..., n. W celu utworzenia konkretnej funkcji interpolującej ϕ(x), należy: przyjąć odpowiednią bazę Φ(x) wyznaczyć wartości liczbowe wszystkich jej współczynników a i, i = 0, 1,..., n sformułować wielomian ϕ(x i )

Wprowadzenie Sformułowanie zagadnienia interpolacji funkcji jednej zmiennej układ równań Wielomian ma postać: ϕ(x i ) = Φ(x i ) a = f i, i = 0, 1,..., n lub U a = f. (1) Po wprowadzeniu oznaczenia u ij = φ i (x j ), i, j = 0, 1, 2,..., n otrzymujemy: u 00 u 10 u n0 a 0 f 0 u 01 u 11 u n1 U =......, a = a 1., f = f 1 (2). u 0n u 1n u nn a n f n Ponieważ baza Φ(x) utworzona jest z funkcji liniowo niezależnych to: det(u) 0 Układ równań (1) ma jednoznaczne rozwiązanie: a = U 1 f. (3)

Wprowadzenie Bazy interpolacji Najczęściej stosowanymi, a zarazem najprostszymi bazami interpolacji są: a) baza jednomianowa, dla ciągłych funkcji na skończonym odcinku [a, b] Φ(x) = [ 1, x, x 2, x 3,..., x n ], b) baza trygonometryczna dla okresowych funkcji f (x) na odcinku [ π, π]. Φ(x) = [ 1/ 2, sin x, cos x,..., sin nx, cos nx ], Nie każda baza interpolacyjna nadaje się równie dobrze do rozwiązywania konkretnych zadań. Dlatego staje się niezbędne dostosowanie bazy do specyfiki rozwiązywanego problemu.

Wprowadzenie Przykład Zbudować uogólniony wielomian interpolacyjny o postaci ϕ(x) = a 0 + a 1 x + a 2 cos x + a 3 sin x a) Węzły interpolacji X = {x 0, x 1, x 2, x 3 } = {0, 1.5, 3, 4} b) Wartosci funkcji F = {f 0, f 1, f 2, f 3 } = {2, 3, 1, 3} c) Baza interpolacyjna Φ(x) = [1, x, cos x, sin x], Rozwiązanie Budujemy macierz U: U = 1 x 0 cos x 0 sin x 0 1 x 1 cos x 1 sin x 1 1 x 2 cos x 2 sin x 2 1 x 3 cos x 3 sin x 3 = 1 0.0 1.00000 0.00000 1 1.5 0.07074 0.99749 1 3.0 0.98999 0.14112 1 4.0 0.65364 0.75680

Wprowadzenie Przykład (c.d.) Otrzymujemy układ równania U a = f, którego rozwiązanie pozwala zapisać poszukiwany wielomian w postaci: 1.6210 ϕ(x) = Φ(x) a = [1, x, cos x, sin x] 2.0046 3.6210 1.3615

Interpolacja wielomianowa (algebraiczna) Interpolacja wielomianowa (algebraiczna) 1 Ten typ interpolacji ma ograniczone zastosowanie, zwłaszcza gdy zachodzi konieczność posługiwania się wielomianami n > 10. W tym przypadku algorytm metody staje się niestabilny i wrażliwy na błędy zaokragleń. 2 Dla wielomianów stopni n > 10 w obliczeniach pojawia tzw. efekt (zjawisko) Rungego, polegający na tym, że wielomian interpolacyjny przybliża funkcję interpolowaną w sposób niejednostajny. Wielomian ten wykazuje oscylacje względem funkcji f (x) w pobliżu jego końców osiagając tym większe wartości im wyższy jest stopień n wielomianu.

Interpolacja wielomianowa (algebraiczna) Interpolacja wielomianowa Baza jednomianowa Przyjmujemy bazę jednomianową Φ(x) = [ 1, x, x 2, x 3,..., x n ], i budujemy wielomianową funkcję interpolującą ϕ(x) = a 0 + a 1 x + a 2 x 2 + a 3 x 3 +... + a n x n (4) Układ równań Ua = f przyjmuje teraz postać: 1 x 0 x0 2 x0 3 x0 n a 0 1 x 1 x1 2 x1 3 x1 n a 1......... = 1 x n xn 2 xn 3 xn n a n z którego w sposób jednoznaczny można obliczyć współczynniki a wielomianu (4). f 0 f 1. f n,

Interpolacja wielomianowa (algebraiczna) Przejście do bazy Lagrange a Stosowanie wzorów: a = U 1 f ϕ(x) = Φ(x) a = Φ(x) U 1 f = N(x) f, w celu zbudowania nowej bazy: N(x) Φ(x) U 1 = [ L 0 (x), L 1 (x),..., L n (x) ] w przypadku ogólnym jest niewygodne ze względu na dużą złożoność obliczeń. Dlatego też elementy tej bazy nazywanej bazą Lagrange a zostaną wygenerowane w inny sposób.

Interpolacja Lagrange a Interpolacja Lagrange a Przyjmujemy zatem następującą postać funkcji interpolującej stopnia n. Funkcja ta to wielomian interpolacyjny Lagrange a Jeżeli założymy, że N(x) L n (x) = f 0 L n 0(x) + f 1 L n 1(x) +... + f n L n n(x). (5) to na podstawie (5) otrzymamy f = [ 0, 0,..., 1 i,..., 0, 0, ] T, (6) L n (x) L n i (x). (7) czyli w szczególnym przypadku funkcja interpolująca L n (x) jest identyczna z bazową L n i (x) i musi zgodnie z (6): a) zerować się we wszystkich węzłach x j dla których j i, b) przyjmować wartość jednostkową w węźle x i, czyli { L n δ ij = 1, gdy i = j, i (x j ) = δ ij, δ ij = 0, gdy i j.

Interpolacja Lagrange a Interpolacja Lagrange a Z powyższego wynika, że funkcja bazowa L n i (x) musi mieć postać: L n i (x j ) = C i (x x 0 ) (x x 1 )... (x x i 1 ) (x x i+1 )... (x x n ). (8) Ponieważ w węźle x i wielomian ten przyjmuje wartość równą 1 otrzymujemy C i (x i x 0 ) (x i x 1 )... (x i x i 1 ) (x i x i+1 )... (x i x n ) = 1. Stąd otrzymujemy 1 C i = (x i x 0 ) (x i x 1 )... (x i x i 1 ) (x i x i+1 )... (x i x n ). (9) Po podstawieniu do (8) i- ta funkcja bazowa Lagrange a ma postać L n i = (x x 0) (x x 1 )... (x x i 1 ) (x x i+1 )... (x x n ) (x i x 0 ) (x i x 1 )... (x i x i 1 ) (x i x i+1 )... (x i x n ) L n i = j=n j=0, j i x x j x i x j. (10)

Interpolacja Lagrange a Przykład 1 Interpolacja Lagrange a Zbudować wielomian interpolacyjny Lagrange a stopnia n = 2. a) Węzły interpolacji: X = {x 0, x 1, x 2 } b) Wartosci funkcji: F = {f 0, f 1, f 2 } c) Baza interpolacyjna: Φ(x) = [1, x, x 2 ] d) Wielomian interpolacyjny: ϕ(x) = a 0 + a 1 x + a 2 x 2 e) Baza Lagrange a: L 2 (x) = Φ(x) U 1 = [L 2 0 (x), L2 1 (x), L2 2 (x)] L 2 i (x) = j=2 j=0 j i f) Wielomian interpolacyjny: x x i x i x j : L 2 0(x) = (x x 1)(x x 2 ) (x 0 x 1 )(x 0 x 2 ), L 2 1(x) = (x x 0)(x x 2 ) (x 1 x 0 )(x 1 x 2 ), L 2 2(x) = (x x 0)(x x 1 ) (x 2 x 0 )(x 2 x 1 ). ϕ(x) = L 2 (x) f = f 0 L 2 0 (x) + f 1L 2 1 (x) + f 2L 2 2 (x).

Interpolacja Lagrange a Przykład 1 (c.d.) Interpolacja Lagrange a Wielomiany bazowe Lagrange a L 2 0 (x), L2 1 (x), L2 2 (x) wyznaczone dla x = {x 0, x 1, x 2 } = { 1, 2, 3} F = {f 0, f 1, f 2 } = {1, 4, 9 } oraz wielomian interpolacyjny Lagrange a ϕ(x) = 1 x 2 10 8 Warto zauważyć, że dla dowolnego x zachodzi: 6 4 2 L 2 1(x) ϕ(x) n L 2 i (x) = 1. i=1 0 L 2 2(x) L 2 0(x) 2 2 1 0 1 2 3 4 W wielomianie interpolacyjnym ϕ(x) = L 2 (x) f = f 0 L 2 0 (x) + f 1L 2 1 (x) + f 2L 2 2 (x) każdy z wielomianów bazowych L i ma udział z wagą f i.

Interpolacja Lagrange a Przykład 2 Interpolacja Lagrange a Dla funkcji f (x) = x, w przedziale < 1, 1 > znaleźć wielomiany interpolacyjne Lagrange a stopnia n = 2, 4, 10. Rozwiązanie: 1 dla n = 2, X = { 1, 0, 1} : ϕ 2 (x) = x 2 2 dla n = 4, X = { 1, 0.5, 0.0, 0.5, 1.0} : ϕ 4 (x) = 4 3 x 4 + 7 3 x 2 3 dla n = 10, X = { 1, 0.8, 0.6,..., 0.6, 0.8, 1} : ϕ 10 (x) = 75.352x 10 167.93x 8 + 128.40x 6 41.281x 4 + 6.4563x 2

Wprowadzenie Aproksymacja funkcji Zasadnicza różnica pomiędzy interpolacją a aproksymacją Aproksymacja różni się od interpolacji funkcji tym, że dla wyznaczania współczynników wielomianu aproksymacyjnego (nie interpolacyjnego!) nie korzysta się z warunków ϕ i (x) = f i. Oznacza to, że wielomian aproksymacyjny na zbiorze X nie musi przyjmować wartości funkcji aproksymowanej.

Wprowadzenie Aproksymacja optymalna Stopień wielomianu aproksymacyjnego nie ma związku z liczbą elementów zbioru X, a wyznaczanie niewiadomych a i musi być realizowane inną metodą. Wybór tego sposobu decyduje o własnościach stosowanej aproksymacji, która w pewnym określonym sensie powinna być najlepsza (optymalna). Rozwiązanie problemu aproksymacji optymalnej wymaga: przyjęcia odpowiedniej bazy funkcyjnej ustalenia kryterium oceny jakości aproksymacji, które służy do jednoznacznego określenia wartości a i. Można stwierdzić, że aproksymacja funkcji f (x) za pomocą funkcji ϕ(x) jest tym lepsza, im te dwie funkcje mniej różnią się od siebie.

Wprowadzenie Kryterium jakości aproksymacji Jeśli funkcja f (x) określona jest tylko za pomocą skończonego zbioru jej rzędnych to wartości różnicy f (x) ϕ(x) mogą być obliczone tylko na zbiorze X i wynoszą f (x i ) ϕ(x i ), i = 1, 2,..., n. Najprostsza postać kryterium oceniającego jakość aproksymacji jest następująca n min R = min [f (x i ) ϕ(x i )] 2 (11) i=0 Wartość funkcji R jest pewną miarą odchylenia funkcji aproksymującej ϕ(x) od aproksymowanej f (x). Ten sposób postępowania nosi nazwę metody najmniejszych kwadratów.

Aproksymacja wielomianami algebraicznymi Aproksymacja wielomianami algebraicznymi Wielomian aproksymacyjny stopnia m = 1, 2,..., n ma postać: ϕ(x) = a 0 + a 1 x + a 2 x 2 +... + a m x m = m a k x k (12) W przypadku gdy m = n mamy do czynienia z interpolacją, dla której R = 0. Gdy m < n, wówczas R > 0 i odchylenie ϕ(x) od f (x) jest najmniejsze gdy R osiąga wartość minimalną. k=0 Obliczenie wartości a i polega na wykorzystaniu warunków stacjonarności funkcji R: R = 0, k = 0, 1, 2,..., m. (13) a k

Aproksymacja wielomianami algebraicznymi Warunki stacjonarności dla aproksymacji wielomianami Metoda najmniejszych kwadratów Warunków tych jest m + 1, a więc tyle ile niewiadomych współczynników a i ma wielomian aproksymujący. Obliczając pochodne cząstkowe funkcji R otrzymujemy 2 R a k = { n } [f (x i ) ϕ(x i )] 2 = a k i=0 n [f (x i ) ϕ(x i )] ϕ(x i ) = 0, dla k = 0, 1,..., m (14) a k i=0 Gdy podstawimy n i=0 a k ϕ(x i ) = x k i, to: [ Φ(xi ) a f (x i ) ] x k i = n { [ x k i=0 i x k+1 i n i=0 [ Φ(xi ) x k i a f (x i ) x k i ] =... x k+m ] } i a fi xi k = 0, k = 0, 1,..., m.

Aproksymacja wielomianami algebraicznymi Układ równań dla aproksymacji wielomianami Wprowadzając oznaczenia otrzymujemy ostatecznie s k = n i=0 x k i, t k = n i=0 f i x k i (15) [s k, s k+1,..., s k+m ] a = t k, k = 0, 1, 2,..., m (16) lub S a = t (17) gdzie: S = s 0 s 1 s 2 s m s 1 s 2 s 3 s m+1 s 2 s 3 s 4 s m+2............. s m s m+1 s m+2 s 2m, a = a 0 a 1 a 2 a m, t = t 0 t 1 t 2 t m.

Aproksymacja wielomianami algebraicznymi Przykład Zbudować wielomian aproksymacyjny stopnia m = 1 dla funkcji: i 0 1 2 3 x π/2 π/3 π/3 π/2 f 3 10 20 3 Rozwiązanie: a) Wielomian aproksymacyjny a postać ϕ(x) = a 0 + a 1 x b) Funkcja R: R = n i=0 (a 0 + a 1 x i f i ) 2 c) Układ równań S a = t ma postać: [ n n + 1 i=0 x ] [ ] i n i=0 x a0 n i i=0 x i 2 a 1 d) Po podstawieniu danych: [ 4 0 0 7.128 ] [ a0 a 1 ] = [ = [ n i=0 f ] i n i=0 f. (18) i x i 10 40.841 ]. (19) e) Rozwiązanie układu równań (19): a 0 = 2.5, a 1 = 5.7296. f) Wielomian aproksymacyjny ma postać: ϕ(x) = 2.5 + 5.7296 x.

Aproksymacja wielomianami algebraicznymi Przykład (c.d.) 20 15 10 5 0 ϕ(x) = 2.5 + 5.7296 x 5 10 2 1.5 1 0.5 0 0.5 1 1.5 2

Aproksymacja wielomianami uogólnionymi Aproksymacja wielomianami uogólnionymi Załóżmy, że φ i (x), i = 0, 1,..., m jest układem funkcji bazowych. Poszukujemy wielomianu uogólnionego ϕ(x), będącego najlepszym przybliżeniem średniokwadratowym funkcji f (x) na zbiorze X, tj. funkcji: ϕ(x) = a 0 φ 0 (x) + a 1 φ 1 (x) +... + a m φ m (x) = Współczynniki a k są tak określone aby wyrażenie było minimalne. R = m a k φ k (x). (20) k=0 n f (x i ) ϕ(x i ) 2. (21) i=0

Aproksymacja wielomianami uogólnionymi Warunki stacjonarności dla aproksymacji Metoda najmniejszych kwadratów Oznaczmy: Z warunków: R = n [ m 2 f (x i ) a k φ k (x i )]. (22) i=0 k=0 R a j = 0, j = 0, 1,..., m, (23) otrzymamy układ m + 1 równań liniowych z m + 1 niewiadomymi a j : R a j = n [ m f (x i ) i=0 k=0 ] a k φ k (x i ) φ j (x i ) = 0, j = 0, 1,..., m. (24)

Aproksymacja wielomianami uogólnionymi Układ równań dla aproksymacji W zapisie macierzowym układ (24) przyjmuje postać: gdzie D = φ 0 (x 0 ) φ 1 (x 0 )... φ m (x 0 ) φ 0 (x 1 ) φ 1 (x 1 )... φ m (x 1 ) φ 0 (x 2 ) φ 1 (x 2 )... φ m (x 2 )............ φ 0 (x n ) φ 1 (x 0 )... φ m (x n ) D T D a = D T f (25), a = a 0 a 1 a 2... a m, y = Macierz współczynników układu (25) jest macierzą symetryczną i dodatnio określoną co zapewnia jednoznaczność rozwiązania. f (x 0 ) f (x 1 ) f (x 2 )... f (x n ).

Aproksymacja wielomianami uogólnionymi Przykład Dana jest funkcja o stabelaryzowanych rzędnych: i 0 1 2 3 x π/2 π/3 π/3 π/2 f 3 10 20 3 Znaleźć równanie krzywej najlepiej aproksymującej daną funkcję w sensie najmniejszych kwadratów. Przyjąć funkcje bazowe: φ 0 (x) = 3x π, φ 1(x) = cos(x). Obliczyć wartość funkcji aproksymującej w punkcie x 0 (x) = π/4.

Aproksymacja wielomianami uogólnionymi Przykład (c.d.) Rozwiązanie: Funkcja aproksymująca: ϕ(x) = a 0 φ 0 (x) + a 1 φ 1 (x) Korzystając z definicji błędu aproksymacji: 1 ε = [f i ϕ(x i )] 2 i=0 i warunków najlepszej aproksymacji ε a 0 = 0, ε a 1 = 0 otrzymujemy układ równań: D T Da = D T f

Aproksymacja wielomianami uogólnionymi Przykład (c.d.) gdzie D = φ 0 (x 0 ) φ 1 (x 0 ) φ 0 (x 1 ) φ 1 (x 1 ) φ 0 (x 2 ) φ 1 (x 2 ) φ 0 (x 3 ) φ 1 (x 3 ) D T Da = D T f a = [ a0 a 1 Po wymnożeniu otrzymujemy układ równań: [ ] [ ] [ 13/2 0 a0 39 = 0 1/2 a 1 5 Po jego rozwiązaniu mamy: a 0 = 6, a 1 = 10. Wielomian aproksymacyjny ma postać: ϕ(x) = 6φ 0 (x) + 10 φ 1 (x). ] f = ]. f 0 f 1 f 2 f 3.

Aproksymacja wielomianami uogólnionymi Przykład (c.d.) Wartość funkcji aproksymowanej w punkcie π/4: ϕ(π/4) = 6 φ 0 (π/4) + 10 φ 1 (π/4). 20 15 10 5 0 ϕ(x) = 6φ 0 (x) + 10φ 1 (x) ϕ(x) = 2.5 + 5.7296x 5 10 2 1.5 1 0.5 0 0.5 1 1.5 2