2013年12月16日 星期一

牛頓、拉格朗日多項式插值法與基底變換


在座標平面上要找出通過固定幾個點的函數會有很多種,通常可以用多項式函數來近似原本的函數,稱為插值多項式。在高中一年級的課程就有提到牛頓插值法(Newton’s interpolation)和拉格朗日插值法(Lagrange’s interpolation)。前幾天在跟其他老師聊天時,說到我對這些多項式插值法的感覺,一是將多項式採用不同基底的線性組合,另一則是將拉格朗日多項式與數論的中國剩餘定理(the Chinese Remainder Theorem, CRT)作連結。以下就以基底的線性組合的觀點來談這件事(關於CRT和Lagrange’s interpolation的關係以後有空再寫):

以不同基底的概念來說,例如欲求在座標平面上通過(x1, y1)、(x2, y2)、(x3, y3)的多項式函數y=f(x),其中degf(x)≦2,則f(x)可作以下假設:

(1)一般式的假設:f(x)=ax2+bx+c

(2)牛頓插值法的假設:f(x)=A(x-x1)(x-x2)+B(x-x1)+C

(3)拉格朗日插值法的假設:f(x)=α(x-x1)(x-x2)+β(x-x2)(x-x3)+γ(x-x1)(x-x3)

這三個其實就是考慮所有deg≦2的多項式構成的向量空間,分別採用B1={x2, x, 1}、B2={(x-x1)(x-x2), (x-x1), 1}、B3={(x-x1)(x-x2)、(x-x2)(x-x3)、(x-x1)(x-x3)}為基底的假設,所以這三種假設法都能得到唯一的係數,確實能表示滿足所需條件的多項式。

更仔細來說,基底的座標變換矩陣可以寫成


所以

例:欲求在座標平面上通過(1, 6)、(2, 14)、(3, 26)的二次函數y=f(x)的一般式。
Sol
:
利用牛頓插值法假設,可設f(x)=A(x-1)(x-2)+B(x-1)+C,依次代入(1, 6)、(2, 14)、(3, 26),可得C=6,B=8,A=2,即f(x)=2(x-1)(x-2)+8(x-1)+6,若利用座標變換矩陣可得
 即f(x)=2x2+2x+2。

若利用拉格朗日插值法,我們可以直接寫出
 利用座標變換矩陣可得
即f(x)=2x2+2x+2。

當然上面兩種方法,直接將f(x)=2(x-1)(x-2)+8(x-1)+6或f(x)=13(x-1)(x-2)+3(x-2)(x-3)-14(x-1)(x-3)展開都會比較容易。

相關文章:中國剩餘定理(the CRT)與拉格朗日插值法(Lagrange's interpolation)

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