Оценка погрешности интерполяционной формулы Лагранжа. Для функции y = f(x) мы построили интерполяционный полином Лагранжа Ln(x), принимающий в точках х0, х1,…, хп заданные значения
Возникает вопрос, насколько близко построенный полином приближается к функции f(x) в других точках, т. е. как велик остаточный член
Для определения этой степени приближения наложим на функцию у = f(x) дополнительные ограничения. Именно, мы будем предполагать, что в рассматриваемой области а≤х≤b изменения х, содержащей узлы интерполирования, функция f(x) имеет все производные f '(x), f "(x),…,f(n +1 ) (х) до (п+ 1)-го порядка включительно.
Введем вспомогательную функцию
(13.1)
где k — постоянный коэффициент, который будет выбран ниже. Функция и(х), очевидно, имеет п+1 корень в точках
Подберем теперь коэффициент k так, чтобы и(х) имела (n +2)-й корень в любой, нофиксированной точке отрезка [a,b], несовпадающей с узлами интерполирования (рис. 10). Для этого достаточно положить
Отсюда, так как , то
(13.2)
рис. 10
При этом значении множителя k функция u(х) имеет п+2 корня на отрезке [а, b] и будет обращаться в нуль на концах каждого из отрезков
|
|
Применяя теорему Ролля к каждому из этих отрезков, убеждаемся, что производная и' (х) имеет не менее п+ 1 корня на отрезке [а, b]. Применив теорему Ролля к производной и'(х), мы убедимся, что вторая производная и" (х) обращается в нуль не менее п раз на отрезке [а, b].
Продолжая эти рассуждения, придем к заключению, что на рассматриваемом отрезке [а, b] производная и(n+1) (х) имеет хотя бы один корень, который обозначим через ξ, т. е, u ( n +1)(ξ)= 0.
Из формулы (13.1), так как
и ,
имеем:
При получаем:
Отсюда
(13.3)
Сравнивая правые части формул (13.2) и (13.3), будем иметь:
т.е.
(13.4)
Так как произвольно, то формулу (13.4) можно записать и так:
(13.5)
где зависит от x и лежит внутри отрезка [а, b].
Отметим, что формула (13.5) справедлива для всех точек отрезка [а,b], в том числе и для узлов интерполирования.
Обозначая через
,
мы получаем следующую оценку для абсолютной погрешности интерполяционной формулы Лагранжа:
(13.6)
где
(13.7)
Оценки погрешностей интерполяционных формул Ньютона. Если узлы интерполирования x0, х1,..., хп —равноотстоящие, причем xi+1-xi=h (i = 0, 1, 2,...n —1), то, полагая
получим остаточный член первой интерполяционной формулы Ньютона
(13.8)
где ξ — некоторое промежуточное значение между узлами интерполирования х0, х1,.... хп и рассматриваемой точкой х. Аналогично, полагая
получим остаточный член второй интерполяционной формулы Ньютона
где ξ— некоторое промежуточное значение между узлами интерполирования х0, х1,…,хп и точкой х.
Обычно при практических вычислениях интерполяционная формула Ньютона обрывается на членах, содержащих такие разности, которые в пределах заданной точности можно считать постоянными.
|
|
Предполагая, что Δ n+1у почти постоянны для функции y= f(x) и h достаточно мало, и учитывая, что
В этом случае остаточный член первой интерполяционной формулы Ньютона приближенно равен
В этих же условиях для остаточного члена второй интерполяционной формулы Ньютона получаем выражение