多项式插值(定义)

百度的定义:
插值法又称“内插法”,是利用函数f(x)在某区间中已知的若干点的函数值,作出适当的特定函数,在区间的其他点上用这特定函数的值作为函数f(x)的近似值,这种方法称为插值法。如果这特定函数是多项式,就称它为多项式插值

简单地说,就是原函数比较复杂,根据特定区间的某几个点,我们找到一个简单易求得的函数(这里是多项式),就可以用简单函数的结果近似的替代原来的函数值。这样的替代当然会存在误差,后面会有一部分专门讨论误差的部分。

定义】设y=f(x)在区间[a,b]上有定义,且已知该函数在区间上n+1个互异点a \leq x_0 < x_1 < ... < x_n \leq b的函数值为y_0,y_1,...,y_n,若存在一个次数不超过n次的多项式p(x)=a_0+a_1x+...+a_nx^n满足条件p(x_i) = y_i(i=0,1,...,n)则称p(x)f(x)n次插值多项式。其中区间[a,b]是插值区间,给定的n+1个互异点{(x_0,y_0),(x_1,y_1),...,(x_n,y_n)}是插值点。

求函数f(x)的近似表达式p(x)所用的方法就是插值法。

定理】唯一性
满足n+1个插值条件的n次插值多项式存在且唯一。

证:对给定的插值区间[a,b],以及区间上n+1个互异点a \leq x_0 < x_1 < ... < x_n \leq b的函数值为y_0,y_1,...,y_n,设插值多项式为p_n(x)=a_0+a_1x+...+a_nx^n
由插值条件p(x_i) = y_i(i=0,1,...,n)
可以得到关于系数a_0,a_1,...,a_nn+1元线性方程组:
\begin{cases} a_0+a_1x_0+...+a_nx_0^n=y_0\\ a_0+a_1x_1+...+a_nx_1^n=y_1\\ \vdots\\ a_0+a_1x_n+...+a_nx_n^n=y_n\\ \end{cases}
此方程的系数矩阵为
A = \begin{bmatrix} {1}&{x_0}&{\cdots}&{x_0^n}\\ {1}&{x_1}&{\cdots}&{x_1^n}\\ {\vdots}&{\vdots}&{\ddots}&{\vdots}\\ {1}&{x_n}&{\cdots}&{x_n^n}\\ \end{bmatrix}
此为范德蒙德(Vandermonde)矩阵,由于x_i(i=0,1,...,n)各不相同,故有detA = \prod_{i,j=0\\i>j}^n(x_i-x_j) \neq 0
因此线性方程组的解a_0,a_1,...,a_n存在且唯一,故唯一性得证。

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