Wyk³ad INTERPOLACJA.

Podobne dokumenty
III. INTERPOLACJA Ogólne zadanie interpolacji. Niech oznacza funkcjê zmiennej x zale n¹ od n + 1 parametrów tj.

gdy wielomian p(x) jest podzielny bez reszty przez trójmian kwadratowy x rx q. W takim przypadku (5.10)

Innym wnioskiem z twierdzenia 3.10 jest

Rys Mo liwe postacie funkcji w metodzie regula falsi

(wymiar macierzy trójk¹tnej jest równy liczbie elementów na g³ównej przek¹tnej). Z twierdzen 1 > 0. Zatem dla zale noœci

IV. UK ADY RÓWNAÑ LINIOWYCH

PRÓBNY EGZAMIN MATURALNY Z MATEMATYKI

Temat: Funkcje. Własności ogólne. A n n a R a j f u r a, M a t e m a t y k a s e m e s t r 1, W S Z i M w S o c h a c z e w i e 1

1. Rozwiązać układ równań { x 2 = 2y 1

PRZYBLI ONE METODY ROZWI ZYWANIA RÓWNA

Metody Numeryczne Wykład 4 Wykład 5. Interpolacja wielomianowa

Funkcje wielu zmiennych

na p laszczyźnie kartezjaṅskiej prowadzimy prost a o rȯwnaniu s 1. (1.1) s 0 + t 1 t 0

(0) (1) (0) Teoretycznie wystarczy wzi¹æ dowoln¹ macierz M tak¹, by (M) < 1, a nastêpnie obliczyæ wektor (4.17)

Pochodne cz ¾astkowe i ich zastosowanie.

Ekstrema funkcji wielu zmiennych.

Podstawowe działania w rachunku macierzowym

Funkcje dwóch zmiennych

Wprowadzenie do równań ró znicowych i ró zniczkowych.

Wyk lad 4 Macierz odwrotna i twierdzenie Cramera

Sterowalność liniowych uk ladów sterowania

Matematyka licea ogólnokształcące, technika

MATEMATYKA 4 INSTYTUT MEDICUS FUNKCJA KWADRATOWA. Kurs przygotowawczy na studia medyczne. Rok szkolny 2010/2011. tel

PRAWA ZACHOWANIA. Podstawowe terminy. Cia a tworz ce uk ad mechaniczny oddzia ywuj mi dzy sob i z cia ami nie nale cymi do uk adu za pomoc

Obliczenia naukowe Wykład nr 6

PRÓBNY EGZAMIN MATURALNY Z MATEMATYKI

Metody numeryczne. Sformułowanie zagadnienia interpolacji

Metody numeryczne i statystyka dla in»ynierów

ANALIZA II 15 marca 2014 Semestr letni. Ćwiczenie 1. Czy dan a funkcjȩ da siȩ dookreślić w punkcie (0, 0) tak, żeby otrzymana funkcja by la ci ag la?

Wyznaczniki, macierz odwrotna, równania macierzowe

Interpolacja Lagrange'a, bazy wielomianów

Wyk lad 7 Metoda eliminacji Gaussa. Wzory Cramera

Kurs wyrównawczy dla kandydatów i studentów UTP

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

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

Wyk lad 4 Dzia lania na macierzach. Określenie wyznacznika

Analiza numeryczna kolokwium2a-15grudnia2005

PRÓBNY EGZAMIN MATURALNY Z MATEMATYKI

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

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

EGZAMIN MATURALNY Z MATEMATYKI

Funkcje wielu zmiennych

Bardzo łatwa lista powtórkowa

Funkcje wielu zmiennych

POMIAR STRUMIENIA PRZEP YWU METOD ZWÊ KOW - KRYZA.

MATERIA DIAGNOSTYCZNY Z MATEMATYKI

Zestaw nr 6 Pochodna funkcji jednej zmiennej. Styczna do krzywej. Elastyczność funkcji. Regu la de l Hospitala

EGZAMIN MATURALNY Z MATEMATYKI

Liczby zespolone, liniowa zależność i bazy Javier de Lucas. a d b c. ad bc

Witold Bednarek. Konkurs matematyczny w gimnazjum Przygotuj siê sam!

Projekt Era inżyniera pewna lokata na przyszłość jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Egzamin z Metod Numerycznych ZSI, Egzamin, Gr. A

Pierwsze kolokwium z Matematyki I 4. listopada 2013 r. J. de Lucas

Interpolacja. Marcin Orchel. Drugi przypadek szczególny to interpolacja trygonometryczna

Interpolacja, aproksymacja całkowanie. Interpolacja Krzywa przechodzi przez punkty kontrolne

Ogólna charakterystyka kontraktów terminowych

Wyk ad II. Stacjonarne szeregi czasowe.

Zadania z parametrem

Wyk lad 8 macierzy i twierdzenie Kroneckera-Capellego

Równania ró znicowe wg A. Ostoja - Ostaszewski "Matematyka w ekonomii. Modele i metody".

PRÓBNY EGZAMIN MATURALNY Z MATEMATYKI

y 1 y 2 = f 2 (t, y 1, y 2,..., y n )... y n = f n (t, y 1, y 2,..., y n ) f 1 (t, y 1, y 2,..., y n ) y = f(t, y),, f(t, y) =

Wyk lad 5 W lasności wyznaczników. Macierz odwrotna

ODPOWIEDZI I SCHEMAT PUNKTOWANIA ZESTAW NR 2 POZIOM ROZSZERZONY. S x 3x y. 1.5 Podanie odpowiedzi: Poszukiwane liczby to : 2, 6, 5.

PAKIET MathCad - Część III

Podprzestrzeń wektorowa, baza, suma prosta i wymiar Javier de Lucas

Metody numeryczne I Równania nieliniowe

PRÓBNY EGZAMIN MATURALNY Z MATEMATYKI

ROZKŁAD MATERIAŁU DLA KLASY I LICEUM I TECHNIKUM (ZAKRES PODSTAWOWY I ROZSZERZONY) A WYMAGANIA PODSTAWY PROGRAMOWEJ

Matematyka stosowana i metody numeryczne

Kurs z matematyki - zadania

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

Elementy projektowania inzynierskiego Przypomnienie systemu Mathcad

CZY JEDNYM POSUNIÊCIEM DA SIÊ ROZWI ZAÆ WSZYSTKIE UK ADY DWÓCH RÓWNAÑ LINIOWYCH?

Zestaw nr 7 Ekstremum funkcji jednej zmiennej. Punkty przegiȩcia wykresu. Asymptoty

Wyk lad 11 1 Wektory i wartości w lasne

Spis treœci WSTÊP...9

EGZAMIN MATURALNY Z MATEMATYKI

EGZAMIN MATURALNY Z MATEMATYKI

Metody numeryczne. Sformułowanie zagadnienia interpolacji

Interpolacja funkcji

Rozkład materiału a wymagania podstawy programowej dla I klasy czteroletniego liceum i pięcioletniego technikum. Zakres rozszerzony

Układy równań i równania wyższych rzędów

Statystyczna analiza danych w programie STATISTICA. Dariusz Gozdowski. Katedra Doświadczalnictwa i Bioinformatyki Wydział Rolnictwa i Biologii SGGW

2.Prawo zachowania masy

INTERPOLACJA I APROKSYMACJA FUNKCJI

ze stabilizatorem liniowym, powoduje e straty cieplne s¹ ma³e i dlatego nie jest wymagany aden radiator. DC1C

Pochodne cząstkowe i ich zastosowanie. Ekstrema lokalne funkcji

2. Równania nieliniowe i ich uk lady

EGZAMIN MATURALNY Z MATEMATYKI

Zagadnienie Dualne Zadania Programowania Liniowego. Seminarium Szkoleniowe Edyta Mrówka

EGZAMIN MATURALNY Z MATEMATYKI

Podstawowe pojęcia: Populacja. Populacja skończona zawiera skończoną liczbę jednostek statystycznych

Dyskretne modele populacji

1 Macierz odwrotna metoda operacji elementarnych

EGZAMIN MATURALNY Z MATEMATYKI

Wyk lad 14 Formy kwadratowe I

Politechnika Warszawska Wydział Matematyki i Nauk Informacyjnych ul. Koszykowa 75, Warszawa

EGZAMIN MATURALNY Z MATEMATYKI

Transkrypt:

Wyk³ad 1. 3.10.2003 INTERPOLACJA. G³ównym zadaniem interpolacji jest wyznaczenie mo liwie szybki sposób wartoœci funkcji f(x) dla zmiennej niezale nej x, która nie nale y do tablicy danych (x i,y i ). Dziêki temu, krótki podprogram obliczeniowy, dla niedu ego zestawu danych pozwala zast¹piæ obszerne, d³ugie kolumny tablicy wartoœci funkcji.. Zadanie interpolacji mo emy w sposób ogólny sformu³owaæ nastêpuj¹co: Niech w ograniczonym przedziale [a,b] bêdzie zadany ci¹g punktów a = x 0 < x 1 < x 2... < x n = b, któremu odpowiada ci¹g wartoœci funkcji y 0, y 1,... y i,...y n, { y i =f(x i ) }. Ponadto niech bêdzie zadany zbiór funkcji liniowo-niezale nych i {i=1,2,...n} okreœlonych na [a,b]. Zadanie interpolacji: wyznaczyæ wspó³czynniki a 0, a 1,...a n takie, e (1) dla i=0,1,...n. Powstaje uk³ad równañ algebraicznych, dla wyznaczenia wspó³czynników a i. Po wyznaczeniu a i mamy funkcjê interpolacyjn¹, która zastêpuje (mówimy aproksymuje) funkcjê f (x) na przedziale [a,b] i w wybranych punktach przedzia³u, które nazywamy wêz³ami interpolacji, pokrywa siê z wartoœciami funkcji: (2) Reprezentacja w postaci wzoru (2) nazywa siê wielomianem uogólnionym) Je eli za i (x) weÿmiemy zbiór jednomianów {1,x,x 2,...x n } to otrzymamy interpolacjê wielomianow¹. (3) Warunek interpolacyjny p(x i )=y i dla 0 i n prowadzi do linowego uk³adu n+1 równañ dla wspó³czynników a 0, a 1, a 2...a n. Uk³ad równañ ma postaæ:

(4) Przyk³ad: Wyznaczyæ wielomian interpolacyjny p(x), pokrywaj¹cy siê z funkcj¹ f(x)=3 x (-1 x 1) w punktach x 0 =-1, x 1 =0 oraz x 2 =1 Rozwi¹zanie: przyjmujemy, e p(x)=a 0 =a 1 x+a 2 x 2. Wspó³czynniki a 0, a 1 i a 2 obliczamy z uk³adu: St¹d obliczamy a 0 =1, a 1 =4/3, a 2 =2/3. Tak wiêc funkcja f(x)=3 x 1+4/3x+2/3 x 2 Przyk³ad ten przy pomocy Matlaba mo na by³oby wykonaæ nastêpuj¹co: %interpolacja funkcji 3^x metoda wielomianu bezposredniego w punktach -1, 0, 1 close all; x=[-1 0 1];y=3.^x; %A=[1-1 1;1 0 0;1 1 1]; poniewa macierz jest niewielka ³atwo ja utworzyæ % recznie ale przy wiêkszej liczbie punktów %interpolacji mo e to byæ k³opotliwe. W MATLABie istnieje funkcja, która u³atwia tworzenie macierz Vandermonde'a %A=[ones(size(x)); x; x.^2]' - je eli wybierzemy t¹ wersje tworzenia A to nale y pamiêtaæ o odwróceniu kolejnoœci wyrazów (pierwszy ostatnim) w %wektorze c %c1=flipud(c); %zamiana wierszy pierwszy z ostatnim, drugi z przedostatnim itd., konieczne aby mo na by³o zastosowaæ %funkcje polyval - która oblicza wartoœæ wielomianu dla zadanych wspó³czynników i zmiennej t A=vander([ -1 0 1])% funkcja vander tworzy macierz Vandermonde'a - zadajemy tylko wartosci x c=a\y'%rozwi¹zanie uk³adu równañ Ac=y, macierz A jest macierz¹ Vandermonde'a %c1=[0.66666667,1.333333,1.00] t=-1:0.02:1;% zmienna pomocnicza do wykreœlenia funkcji %obliczenie wartoœci wielomianu yi=polyval(c',t); yd=3.^t; er=yi-yd; error1=max(abs(er)); imax=find(max(abs(er))==abs(er)); figure(1) wiel=plot(t,yi,'r');%wykres % kreslenie wezlow interpolacji przez funkcje text text(-1,3.^(-1),'\bullet','horizontalalignment','center',... text(0,3.^(0),'\bullet','horizontalalignment','center',...

'VerticalAlignment','middle','FontSize',16); text(1,3.^(1),'\bullet','horizontalalignment','center','fontsize',16); %narysowanie maksimum i opisanie text(t(imax),er(imax)+0.1,['blad maksymalny =',num2str(abs(er(imax)))],... 'HorizontalAlignment','right',... 'VerticalAlignment','middle','FontSize',10) text(t(imax),er(imax),'\bullet','horizontalalignment','center',... 'VerticalAlignment','middle','FontSize',12) hold on dokl=plot(t,yd,'g'); error=plot(t,er,'b'); hold off legend_handles=[wiel;dokl;error]; legend(legend_handles,'wiel. interpol','warotsc dokl.','blad') grid xlabel('t','fontsize',16) ylabel('3^x, wielomian interpol., blad', 'FontSize',16) legend_handles; title('interpolacja WIELOMAINOWA FUNKCJI 3^X, 3 wêzly','fontsize',11) % %interpolacja dla czterch wezlow (-1,-0.5,0.0,0.5,1) %sprawdzic rachunkiem jak powyzej, ze te same wyniki orzymamy jezeli do obliczen urzyjemy funkcji %polyfit rzadajac aby stopien wielomiany byl rowny n-1, gdzie n jest iloscia wezlow. x1=-1:0.5:1;%zadajemy teraz piec wezlow: -1, -0.5, 0, 0.5, 1 y1=3.^x1; pa=polyfit(x1,y1,4);% wyznacza wielominan w normie sriedniokwadratowej gdy m >n - m ilosc danych % 4 oznacza wielomian czwrtego rzedu poniewaz liczba wezlow jest 5 otrzymujemy wielomian interpolacyjny. y3=polyval(pa,t);% wylicza wartosc wielomiannu dla zmiennej t i wspolczynnikow pa wyznaczonych przez %polyfit er3=y3-yd; % figure(2)! Rysujemy drugi wykres (drugie okno z wykresem) plot(t,y3,'r',t,yd,'.',t,er3,'g') axis([-1 1-0.5 3]) % ozdabianie wykresu text(-1,3.^(-1),'\bullet','horizontalalignment','center',... text(-0.5,3.^(-0.5),'\bullet','horizontalalignment','center',... 'VerticalAlignment','middle','FontSize',16) text(0,3.^(0),'\bullet','horizontalalignment','center',... text(0.5,3.^(0.5),'\bullet','horizontalalignment','center',... text(1,3.^(1),'\bullet','horizontalalignment','center',... title('interpolacja WIELOMAINOWA FUNKCJI 3^X, 5 wêzlow','fontsize',11); % imax=find(max(abs(er3))==abs(er3));% wyznaczanie indeksu dla zmiennej t przy ktorym wystepuje maksimum %narysowanie maksimum i opisanie text(t(imax),er3(imax)+0.1,['blad maksymalny =',num2str(abs(er3(imax)))],... 'HorizontalAlignment','right',... 'VerticalAlignment','middle','FontSize',10) text(t(imax),er3(imax),'\bullet','horizontalalignment','center',... 'VerticalAlignment','middle','FontSize',12) %legend_handles=[wiel;dokl;error]; legend('wiel. interpol','warotsc dokl.','blad') grid on

Macierz wspó³czynników równania (4) nazywa siê macierz¹ Vandermonde a. Wyznacznik ten jest zawsze ró ny od zera, je eli wêz³y interpolacji x 0, x 1,...x n s¹ ró ne. St¹d wynika, e wartoœci wspó³czynników a -i. S¹ wyznaczone jednoznacznie. Jednak macierz Vandermonde a jest Ÿle uwarunkowana i mog¹ siê pojawiæ k³opoty z dok³adnym rozwi¹zaniem uk³adu równañ algebraicznych (4). Ponadto nak³ad pracy obliczeniowej dla uzyskania wielomianu (3) jest znacz¹co du y. Dlatego szukanie wielomianu interpolacyjnego w bazie jednomianów {1,x,x 2,... } jest nie zalecane. INTERPOLACJA LAGRANGE A. Innym sposobem szukania wielomianu interpolacyjnego p. dla zadanego zbioru {x i,y i }, 0 i n, jest interpolacja Lagrange a.w tym miejscu nale y wyraÿnie zaznaczyæ, e istnieje tylko jeden wielomian stopnia n interpoluj¹cy zbudowany na punktach {x i,y i } nie zale nie od sposobu jego konstrukcji. W interpolacji Lagrange a w charakterze wspó³czynników a i we wzorze (2) wystêpuj¹ wartoœci funkcji interpolowanej. Nale y jednak wyznaczyæ bazê funkcji, które teraz bêdziemy oznaczaæ jako i. A wiêc wielomian interpolacyjny ma postaæ: (6) gdzie 0, 1, 2,... n s¹ wielomianami (nazywanymi baz¹ wielomianów tworz¹cych Lagrange a), które zale ¹ od wêz³ów interpolacji x 0, x 1,...x n ale nie zale od wartoœci funkcji. Wielomiany j w oczywisty sposób musza spe³niaæ zale noœæ: (7) Ze w³asnoœci (7) wynika, e punkty x 0,x 1,...,x i-1, x i+1,...x n s¹ zerami wielomianu j (x). Tak wiêc wielomian ten mo na przedstawiæ jako: (8) Sta³¹ C i dobieramy tak, aby j (x i )=1, a wiêc C i jest równe: (9) Podstawiaj¹c wzór na C i do wzoru (8) otrzymujemy (10) U ywaj¹c symbolu iloczynu sk³adników wielomiany tworz¹ce Lagrange a mo na zapisaæ nastêpuj¹co:

Przyk³ad: wyznaczyæ wielomian interpolacyjny Lagrange a dla dwóch par punktów (x 0,y 0 ) i (x 1,y 1 ). Rozwi¹zanie: Wielomian interpolacyjny Lagrange a bêdzie mia³ postaæ: (12) B D INTERPOLACJI WIELOMIANOWEJ Ni ej bêdzie podane twierdzenie w jaki sposób mo emy oszacowaæ b³ad pope³niany przy zast¹pieniu funkcji f(x) wielomianem interpolacyjnym p(x) na przedziale [a,b]. TWIERDZENIE. Niech f bêdzie funkcj¹ posiadaj¹c¹ ci¹g³e pochodne, a do rzêdu n+1 (f C n+1 ) i niech p(x) bêdzie wielomianem interpolacyjnym stopnia n, takim, e wartoœci funkcji f pokrywaj¹ siê z wartoœciami wielomianu w n+1 punktach x 0,x 1,...x n na przedziale [a,b]. Dla ka dego x z przedzia³u [a,b], istnieje pewien punkt w przedziale (a,b) taki, e (13) Analizuj¹c wzór (13) widzimy, e b³¹d wielomianu interpolacyjnego, jest iloczynem dwóch czynników, z których jeden f (n+1) ( ) zale y od w³asnoœci funkcji f(x) i na jego wielkoœæ nie mo emy wp³ywaæ, a wielkoœæ drugiego zale y wy³¹cznie od wyboru wêz³ów interpolacji. Powstaje zatem problem najbardziej racjonalnego wyboru wêz³ów interpolacji x i, to jest takiego ich wyboru, aby czêœæ b³êdu, na wielkoœæ której mo emy wp³ywaæ, mianowicie n+1 mia³a w przedziale [a,b] najmniejsze co do wartoœci bezwzglêdnej maksimum. Inaczej mówi¹c, chodzi o znalezienie wielomianu, który w przedziale domkniêtym [a,b] odchyla siê najmniej od zera. Zagadnienie to zosta³o rozwi¹zane przez Czebyszewa. Udowodni³ on, e w omawianym sensie najlepsze wêz³y interpolacji obliczone za pomoc¹ wzoru: (15) (16)

(17) s¹ pierwiastkami pewnego wielomianu T n+1 (x) zwanego wielomianem Czebyszewa. W tym przypadku Pierwiastki wielomianu Czebyszewa s¹ ró ne i le ¹ w przedziale (-1,1). Wielomian Czebyszewa wyra a siê wzorem: (18) Zadanie. Powtórzyæ przy pomocy Matlaba, obliczenia wielomianu interpolacyjnego z zerami Czebyszewa. Porównaæ wielkoœæ b³êdu w stosunku do wêz³ów interpolacji rozmieszczonych równomiernie.