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  • 拉格朗日插值

    一,介绍

      学过FFT的人都应该知道什么叫做插值,插值的意思就是说将一个多项式从点值表达转变成系数表达。

      在FFT的插值中为什么可以做到n log n,是因为单位复数根的关系。

      那对于普通的插值应该怎么办呢?解方程是一种方法,但是这个在计算机中十分不现实。

      所以有许多种插值的方法,其中比较普及的就是拉格朗日插值。

    二,定义

       对某个多项式函数,已知有给定的k + 1个取值点:

    (x_{0},y_{0}),ldots ,(x_{k},y_{k})

       其中x_{j}对应着自变量的位置,而y_{j}对应着函数在这个位置的取值。

       假设任意两个不同的xj都互不相同,那么应用拉格朗日插值公式所得到的拉格朗日插值多项式为:

    L(x):=sum _{{j=0}}^{{k}}y_{j}ell _{j}(x)

       其中每个ell _{j}(x)为拉格朗日基本多项式(或称插值基函数),其表达式为:

    ell _{j}(x):=prod _{{i=0,\,i
eq j}}^{{k}}{frac  {x-x_{i}}{x_{j}-x_{i}}}={frac  {(x-x_{0})}{(x_{j}-x_{0})}}cdots {frac  {(x-x_{{j-1}})}{(x_{j}-x_{{j-1}})}}{frac  {(x-x_{{j+1}})}{(x_{j}-x_{{j+1}})}}cdots {frac  {(x-x_{{k}})}{(x_{j}-x_{{k}})}}.[3]

       拉格朗日基本多项式ell _{j}(x)的特点是在x_{j}上取值为1,在其它的点x_{i},\,i
eq j上取值为0。

    三,例子

       假设有某个二次多项式函数f,已知它在三个点上的取值为:

       f(4)=10    f(5)=5.25   f(6)=1

       要求f(18)的值。

       首先写出每个拉格朗日基本多项式:

    ell _{0}(x)={frac  {(x-5)(x-6)}{(4-5)(4-6)}}
    ell _{1}(x)={frac  {(x-4)(x-6)}{(5-4)(5-6)}}
    ell _{2}(x)={frac  {(x-4)(x-5)}{(6-4)(6-5)}}

       然后应用拉格朗日插值法,就可以得到p的表达式(p为函数f的插值函数):

    p(x)=f(4)ell _{0}(x)+f(5)ell _{1}(x)+f(6)ell _{2}(x)
    .\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,=10cdot {frac  {(x-5)(x-6)}{(4-5)(4-6)}}+5.25cdot {frac  {(x-4)(x-6)}{(5-4)(5-6)}}+1cdot {frac  {(x-4)(x-5)}{(6-4)(6-5)}}
    .\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,={frac  {1}{4}}(x^{2}-28x+136)

       此时代入数值 18就可以求出所需之值: f(18)=p(18)=-11

    四,证明唯一性

      就是说n+1个点对应的n次多项式只有一个,这个需要证明,但是一般都会直接当成结论,所以不需要去记忆。

    五,优点和缺点

      拉格朗日插值法的公式结构整齐紧凑,在理论分析中十分方便,然而在计算中,当插值点增加或减少一个时,所对应的基本多项式就需要全部重新计算,

      于是整个公式都会变化,非常繁琐[5]。这时可以用重心拉格朗日插值法或牛顿插值法来代替。此外,当插值点比较多的时候,拉格朗日插值多项式的次数

      可能会很高,因此具有数值不稳定的特点,也就是说尽管在已知的几个点取到给定的数值,但在附近却会和“实际上”的值之间有很大的偏差(如右下图)[6]

      这类现象也被称为龙格现象,解决的办法是分段用较低次数的插值多项式。

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