- •Міністерство освіти і науки україни
- •Методичні вказівки
- •Методичні вказівки
- •Індивідуальне завдання 1 Обчислення кінцевих сум функціонального та числового ряду
- •Порядок виконання завдання
- •Варіанти індивідуальних завдань
- •Короткі відомості з теорії Основні поняття
- •Індивідуальне завдання 2 Чисельні методи рішення нелінійних рівнянь
- •Порядок виконання завдання
- •Короткі відомості з теорії та приклади розв’язання задач
- •2.2. Метод Ньютона (метод дотичних)
- •2.3. Метод дихотомії
- •2.4. Метод хорд
- •Приклад 2
- •Індивідуальне завдання 3 Інтерполяція функцій
- •Порядок виконання завдання
- •3.1. Форма Лагранжа
- •3.1.1 Лінійна інтерполяція
- •3.1.2. Квадратична інтерполяція
- •3.1.3. Інтерполяція багаточленом степені n-1
- •3. 2. Форма Ньютона
- •3.3. Хибність інтерполяції
- •3.4. Багатоінтервальна інтерполяція
- •Сплайн - інтерполяця
- •Методичні вказівки
3.3. Хибність інтерполяції
Якщо функція f(x), яка підлягає інтерполяції, достатнє число разів диференцюєма, то можна вивести формулу для визначення хибності інтерполяції. Оцінка максимальної хибності інтерполяції на всьому відрізку [ а ; b ] :
Mn
max | (x) - Fn-1(x)| max | Wn-1(x)| ;
[а,b] n!
Mn = max | (n)(x) | < ;
[а,b]
Wn-1(x)= (x-x1)(x-x2)...(x-xn-1).
3.4. Багатоінтервальна інтерполяція
Багатоінтервальна інтерполяція полягає в інтерполяції у(x) у ряді часткових інтервалів (які обмежені двома вузлами або групою вузлів) окремими поліномами невисокого ступеня. Така інтерполяція може застосовуватися при широкому загальному відрізку [а ; b], коли звичайна інтерполяція поліномом високого ступеня дає велику погрішність і веде до більшого часу обчислень. Помітимо також, що по вигляду полінома і значенням його коєфіціентів важко судити про вид залежності у(x).
Сплайн - інтерполяця
Сплайн-інтерполяція – є спеціальний вид багатоінтервальної інтерполяції.
Визначення. Хай відрізок [ а ; b ] розбитий на ( N-1 ) рівних часткових відрізків [ xi, xi+1 ],
де xi = а + ( i-1 ) h, i = 1, 2,..., N-1, xN = b ; x1 = а ;
h = ( b - а ) / ( N-1 ).
Сплайном назвається функція, яка разом з декількома похідними безперервна на всьому заданому відрізку [ xi ; xi+1 ] окремо є деяким многочленом алгебри.
Максимальний по всіх часткових відрізках ступінь многочленів називається ступенем сплайна, а різниця між ступенем сплайна і порядком щонайвищої безперервної на [ а, b ] похідній – дефектом сплайна
Наприклад, безперервна шматково – лінійна функція ( рис. 19 ) ( ламана ) є сплайном першому ступеню з дефектом, рівному одиниці, оскільки безперервна тільки сама функція ( нульова похідна ), а перша похідна вже розривна.
На практиці найширше вживання одержали сплайны третьому ступеню, мають на [ а, b ] безперервну, принаймні, першу похідну.
Ці сплайны називаються кубічними і позначаються через S3(x). Величина mi = S′3(xi) називається нахилом сплайна в точці ( вузлі ) xi. В загальному випадку сплайн задається глобальним способом, тобто з використанням всіх вузлів при будь-якому їх розташуванні. Розглянемо кубічний сплайн, заданий локальним способом. Це завдання реалізується порівняно просто і потрибує істотно меншого об'єму пам'яті ЕОМ, ніж при глобальному способі завдання.
Кубічний сплайн, заданий локально – це інтерполююча функція у вигляді полінома третього ступеня, обчислювана по формулах :
i = int (( b-a ) / h ) ;
h = ( b-a ) / ( N-1) ;
(xi+1-x)2(2(x-xi)+h) (x-xi) 2(2(xi+1-x)+h)
S3(x)= ----------------------- yi + ----------------------- yi+1 +
h3 h3
(xi+1-x)2(x-xi) (x-xi) 2(x-xi+1)
+ ----------------- mi - ---------------- mi+1
h2 h2
де mi, mi+1 – перші похідні S3(x).
Похідні локального сплайна можуть задаватися двома способами.
Спосіб 1. Похідні mi і mi+1 обчислюються за допомогою формул чисельного диференціювання по трьох крапках:
mi=(yi+1-yi-1)/2h , i=2, ..., n-1 ;
mi=(4y2-y3-3y1)/2h , i=1 ;
mn=(3yn+yn-2-4yn-1)/2h , i=n .
Спосіб зручний тим, що для завдання сплайна вимагається вводити лише ординати yi (значення mi обчислюються програмою). Для зменшення часу багатократних обчислень у(x) бажано заздалегідь обчислити масив mi і берегти його в пам'яті ЕОМ.
Спосіб 2. Значення mi (обчислені окремо або одержані з графіка як нахили його у вузлах) задаються безпосередньо у вигляді масиву mi.
Блок-схема алгоритму представлена на рис. 20.
Примітка. Видачу результату здійснити з відповідними коментарями.
Рис. 19
Рис. 20
Форма Лагранжа |
Форма Лагранжа |
|
|
ЛІТЕРАТУРА
Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Довідник по математиці. – М.: Наука, 1986. – 544 с.
Волков Е.А. Чисельні методи: Навчальний посібник для вузів. –.: Наука, 1987. – 248 с.
Дьяконов В.П., І.В. Абраменкова MathCad 8 PRO в математиці, фізиці та Internet. – М.: „Нолидж”, 1999., 512 с., іл..
Дьяконов В.П. Довідник по алгоритмах і програмах на мові Бейсік для ПЕОМ. – М.: „Наука”, 1987. – 240 с.
Кир’янов Д.В. MathCad 12. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 576 с.: іл..
Сергованцев В.Т., Смирнов С.М. Збірка задач по обчислювальній техніці в інженерних і економічних розрахунках. – М.: ”Фінанси і статистика”, 1985. – 160 с.
Черняк А.А., Новиков В.А., Мельников О.І., Кузнєцов А.В. Математика для економістів на базі MathCad. – СПб.: БХВ–Петербург, 2003. – 496 с.: іл..
Навчальне видання