Интерполяция каноническим полиномом

Материал из MachineLearning.

Версия от 10:32, 23 октября 2008; Leo (Обсуждение | вклад)

(разн.) ← Предыдущая | Текущая версия (разн.) | Следующая → (разн.)

Содержание

1 Постановка задачи
- 1.1 Полином в каноническом виде
- 1.2 Способ вычисления полинома в точке
2 Анализ метода
3 Вычислительный эксперимент
- 3.1 Пример: Интерполяция синуса
4 Рекомендации программисту
- 4.1 Предварительные настойки
- 4.2 Использование программы
5 Вывод
6 Прикреплённые файлы
7 Литература
8 Смотри также
9 Ссылки

Интерполя́ция — способ нахождения промежуточных значений величины по имеющемуся дискретному набору известных значений.

В настоящем исследовании будет изучена проблема интерполяции функции одной переменной полиномом, будет рассмотрен вопрос точности приближения, и как, варьируя узлы, через которые пройдёт полином, достигнуть максимальной точности интерполяции.

Постановка задачи

Пусть задана функция f(x) на отрезке [a,b]. Задача интерполяции состоит в построении функции g(x), совпадающей с f(x) в некотором наборе точек x₀, x₁,...,x_n из отрезка [a,b]. Эти точки называются узлами интерполяции. Также должно выполняться условие: g(x_k) = y_k, k=0,...,n, где y_k = f(x_k).

Полином в каноническом виде

Известно, что любая непрерывная на отрезке [a,b] функция f(x) может быть хорошо приближена некоторым полиномом P_n(x). Справедлива следующая Теорема (Вейерштрасса): Для любого $\eps$ >0 существует полином P_n(x) степени $n=n(\eps)$ , такой, что $max_{x \in [a,b]}|f(x)-P_n(x)|<\eps$

В качестве аппроксимирующей функции выберем полином степени n в каноническом виде:

$f(x)=P_n(x)=c_0+c_1x+c_2x^2+ \ldots + c_nx^n$

Коэффициенты полинома $c_i$ определим из условий Лагранжа $P_n(x_i)=y_i$ , $i=1, \ldots, n$ , что с учётом предыдущего выражения даёт систему линейных алгебраических уравнений с n+1 неизвестными:

$\begin{matrix} c_0 + c_1x_0 + c_2x_0^2 + \ldots + c_nx_0^n = y_0 \\ c_0 + c_1x_1 + c_2x_1^2 + \ldots + c_nx_1^n = y_1 \\ \ldots \ldots \ldots \ldots \ldots \\ c_0 + c_1x_n + c_2x_n^2 + \ldots + c_nx_n^n = y_n \end{matrix}$

Обозначим систему таких уравнений символом (*) и перепишем её следующим образом:

$\sum_{p=0}^n c_i^p = y_i, \quad i=1, \ldots, n$

или в матричной форме: $\mathbf{Ac}=\mathbf{y},$ где $\mathbf{c}$ - вектор-столбец, содержащий неизвестные коэффициенты $c_i$ , $\mathbf{y}$ - вектор-столбец, составленный из табличных значений функции $y_i$ , а матрица $\mathbf{A}$ имеет вид:

$\mathbf{A} = \begin{pmatrix} 1 & x_0 & x_0^2 & \ldots & x_0^n \\ 1 & x_1 & x_1^2 & \ldots & x_1^n \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ 1 & x_n & x_n^2 & \ldots & x_n^n \\ \end{pmatrix}$

Система линейных алгебраических уравнений (*) относительно неизвестных $c_i$ иметь единственное решение, если определитель матрицы $\mathbf{A}$ отличен от нуля.

Определитель матрицы $\mathbf{A}$ называют определителем Вандермонда, его можно вычислить по следующей формуле:

$\mathbf{detA} = \prod_{i,j=0 \\ i \neq j }^n (x_i - x_j) \neq 0$

Число узлов интерполяционного полинома должно быть на единицу больше его степени. Это понятно из интуитивных соображений: через 2 точки можно провести единственную прямую, через 3 - единственную параболу и т.д. Но полином может получиться и меньшей степени. Т.е. если 3 точки лежат на одной прямой, то через них пройдёт единственный полином первой степени (но это ничему не противоречит: просто коэффициент при старшей степени равен нулю).

При достаточной простоте реализации метода он имеет существенный недостаток: число обусловленности матрицы быстро растёт с увеличением числа узлов интерполяции, что можно показать на следующем графике

Из-за плохой обусловленности матрицы рекомендуется применять другие методы интерполяции (например, интерполяция полиномами Лагранжа). При этом важно понимать, что при теоретическом применении различных методов они приводят к одинаковому результату, т.е. мы получим один и тот же полином.

Однако при практической реализации мы получим полиномы различной точности аппроксимации из-за погрешности вычислений аппаратуры.

Способ вычисления полинома в точке

Чтобы изобразить графически аппроксимирующий полином, необходимо вычислить его значение в ряде точек. Это можно сделать следующими способами.

Первый способ. Можно посчитать значение a₁x и сложить с a₀. Далее найти a₂x², сложить с полученным результатом, и так далее. Таким образом, на j-ом шаге вычисляется значение a_jx^j и складывается с уже вычисленной суммой $a_0 + a_1x + \ldots + a_{j-1}x^{j-1}$ .

Вычисление значения a_jx^j требует j операций умножения. Т.е. для подсчёта многочлена в заданной точке требуется (1 + 2 + ... + n) = n(n+1)/2 операций умножения и n операций сложения. Всего операций в данном случае: Op₁ = n(n+1)/2 + n.

Второй способ. Полином можно также легко вычислить с помощью так называемой схемы Горнера: $P_n(x) = (\ldots ((a_nx + a_{n-1})x + a_{n-2})x + \ldots)x + a_0$

Для вычисления значения во внутренних скобках a_nx + a_n-1 требуется одна операция умножения и одна операция сложения. Для вычисления значения в следующих скобках (a_nx + a_n-1)x + a_n-2 требуется опять одна операция умножения и одна операция сложения, т.к. a_nx + a_n-1 уже вычислено, и т.д.

Тогда в этом способе вычисление P_n(x) потребует n операций умножения и n операций сложения, т.е. сложность вычислений Op₂ = n+n = 2n. Ясно, что Op₂ << Op₁.

Анализ метода

Сложность вычислений

Оценка сложности интерполирования функции складывается из количества операций для решения СЛАУ (системы линейных алгебраических уравнений) и нахождения значения полинома в точке.

Сложность решения СЛАУ (системы линейных алгебраических уравнений), например, методом Гаусса для матрицы размера nxn: 2n³/3, т.е. O(n³).

Для нахождения полинома в заданной точке требуется n умножений и n сложений. В результате сложность метода: O(n³).

Погрешность интерполяции

Предположим, что на отрезке интерполирования [a,b] функция f(x) n раз непрерывно-дифференцируема. Погрешность интерполяции складывается из погрешности самого метода и ошибок округления.

Ошибка приближения функции f(x) интерполяционным полиномом n-ой степени P_n(x) в точке x определяется разностью: R_n(x) = f(x) - P_n(x).

Погрешность R_n(x) определяется следующим соотношением:
$R_n(x) = \frac{f^{n+1}(\xi)}{(n+1)!}\omega_n(x)$

Здесь $f^{n+1}(\xi)$ - производная (n+1)-го порядка функции f(x) в некоторой точке $\xi \in [a,b],$ а функция $\omega_n(x)$ определяется как
$\omega_n(x)=(x-x_0)(x-x_1)\ldots (x-x_n).$

Если максимальное значение производной fⁿ⁺¹(x) равно $M_{n+1} = \sup_{x \in [x_0, x_n]} \left| f^{n+1}(x) \right| ,$ то для погрешности интерполяции следует оценка: $\left| R_n(x) \right| = \frac{M_{n+1}}{(n+1)!}\omega_n(x).$

При реализации данного метода на ЭВМ ошибкой интерполяции E_n(x) будем считать максимальное уклонение полинома от исходной функции на выбранном промежутке: $E_n(x) = \max_{x \in [a, b]} \left| f(x) - P_n(x) \right| .$

Выбор узлов интерполяции

Ясно, что от выбора узлов интерполируемой функции напрямую зависит, насколько точно многочлен будет являться её приближением.

Введём следующее определение: полиномом Чебышева называется многочлен вида

T_k(x) = cos(k arccos x), |x|≤1.

Известно (см. ссылки литературы), что если узлы интерполяции x₀, x₁,...,x_n являются корнями полинома Чебышева степени n+1, то величина $\max_{x \in [a,b]} \left| \omega_{n+1}(x) \right|$ принимает наименьшее возможное значение по сравнению с любым другим выбором набора узлов интерполяции.

Очевидно, что в случае k = 1 функция T₁(x), действительно, является полиномом первой степени, поскольку T₁(x) = cos(arccos x) = x.

В случае k = 2 T₂(x) тоже полином второй степени. Это нетрудно проверить. Воспользуемся известным тригонометрическим тождеством: cos2θ = 2cos²θ - 1, положив θ = arccos x.

Тогда получим следующее соотношение: T₂(x) = 2x² - 1.

С помощью тригонометрического тождества cos(k + 1)θ = 2cosθcoskθ - cos(k - 1) легко показать, что для полиномов Чебышева справедливо реккурентное соотношение:

T_k+1(x) = 2xT_k(x) - T_k-1(x)

При помощи данного соотношения можно получить формулы для полиномов Чебышева любой степени.

Корни полинома Чебышева легко находятя из уравнения: T_k(x) = cos(k arccos x) = 0. Получаем, что уравнение имеет k различных корней, расположенных на отрезке [-1,1]: $x_m = \cos \frac{2m+1}{2k}\pi, \, m = 0,1, \cdots, k-1,$ которые и следует выбирать в качестве узлов интерполирования.

Нетрудно видеть, что корни на [-1,1] расположены симметрично и неравномерно - чем ближе к краям отрезка, тем корни расположены плотнее. Максимальное значение модуля полинома Чебышева равно 1 и достигается в точках $\cos \frac{m}{k}\pi.$

Если положить $\omega_k(x) = \frac1{2^{k-1}}T_k(x),$ то для того, чтобы коэффициент при старшей степени полинома ω_k(x) был равен 1, $\max_{x \in [-1,1]}\omega_k(x) = \frac1{2^{k-1}}.$

Известно, что для любого полинома p_k(x) степени k с коэффициентом, равным единице при старшей производной верно неравенство $\max_{x \in [-1,1]}p_k(x) \geq \frac1{2^{k-1}},$ т.е. полиномы Чебышева являются полиномами, наименее уклоняющимися от нуля.

Вычислительный эксперимент

Для реализации поставленной задачи была написана программа на языке С++, которая по заданной функции приближает её каноническим полиномом. Разумеется, необходимо указать узлы, через которые полином пройдёт, и значения функции в этих узлах.

Далее строится СЛАУ, которая решается методом Гаусса. На выходе получаем коэффициенты для полинома и ошибку аппроксимации.

Как было показано выше, и в чём мы убедимся в дальнейшем, от выбора узлов зависит точность, с которой полином будет приближать функцию.

Пример: Интерполяция синуса

Попробуем интерполировать функцию y = sin(x) на отрезке [1, 8.5]. Выберем узлы интерполяции: {1.1, 2, 4.7, 7.5, 8.5}

Полученный в результате интерполяции полином отображён на рисунке (синим цветом показан график y = sin(x), красным – интерполяционного полинома)

Ошибка интерполяции в этом случае: 0.1534

Давайте посмотрим, что произойдёт, если выбрать равномерно стоящие узлы {2, 3.5 5, 6.5, 8} для той же функции на том же отрезке.

На отрезке [3, 6] приближение, бесспорно, стало лучше. Однако разброс на краях очень большой. Ошибка интерполяции: 2.3466.

Наконец, выберем узлы интерполяции в соответствии с Чебышевским алгоритмом. Получим их по следующей формуле (просто сделаем замену переменной): $x_m = \frac{a+b}{2} + \frac{b-a}{2}\cos \frac{\pi(2m-1)}{2n}, \, m=1,2, \cdots, n.$ $y_m = y(x_m)$

В нашем случае [a,b] - отрезок [1, 8.5], y = cosx, n+1 - количество узлов.

Остаётся открытым вопрос, какое количество узлов выбрать.

При значении n меньше 3 ошибка аппроксимации получается более 10.6626.
При n = 4: приближение лучше (ошибка равна 1.0111),
при n = 5: ошибка аппроксимации 0.2797

График функций при n = 4 выглядит следующим образом:

Продолжим исследования.

n = 6: ошибка аппроксимации 1.0233.

При n = 7 ошибка аппроксимации принимает наименьшее из полученных ранее значений (для данного промежутка): 0.0181. График синуса (обозначен синим цветом) и аппроксимационного полинома (обозначен красным цветом) представлены на следующем графике:

Что интересно, если при этом же количестве узлов выбирать их на отрезке [1, 8], то ошибка аппроксимации становится ещё меньше : 0.0124. График в этом случае выглядит так:

При выборе большего количества узлов ситуация ухудшается: мы стараемся слишком точно приблизить исходную функцию:

Ошибка аппроксимации будет только расти с увеличением числа узлов.

Как видим, наилучшее приближение получается при выборе узлов по методу Чебышева. Однако рекомендаций, какое количество узлов является оптимальным, нет - это определяется только экспериментальным путём.

Вывод

Был исследован и программно реализован метод интерполяции функции каноническим полиномом. В ходе исследований установлено, что ошибка интерполяции получается как из-за ошибок компьютерных вычислений, так и из-за ошибок метода.

Также замечено, что от выбора узлов интерполяции напрямую зависит качество интерполяции. Минимальная ошибка интерполяции достигается при выборе «чебышевских» узлов.

Прикреплённые файлы

Программная реализация на языке С++ (исходный текст) [2.55Кб]

Литература

Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М. Кобельков. Численные методы. Изд-во "Лаборатория базовых знаний". Москва. 2003.
И.С. Березин, Н.П. Жидков. Методы вычислений. Изд. ФизМатЛит. Москва. 1962.
Дж. Форсайт, М.Мальком, К. Моулер. Машинные методы математических вычислений. Изд-во "Мир". Москва. 1980.

Смотри также

Ссылки

Собрание библиотек Boost

Источник — «http://poligon.machinelearning.ru/wiki/index.php?title=%D0%98%D0%BD%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%8F%D1%86%D0%B8%D1%8F_%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%BC_%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D0%BD%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D0%BC»

Категория: Учебные задачи

Интерполяция каноническим полиномом

Материал из MachineLearning.

Содержание

Постановка задачи

Полином в каноническом виде

Способ вычисления полинома в точке

Анализ метода

Сложность вычислений

Погрешность интерполяции

Выбор узлов интерполяции

Вычислительный эксперимент

Пример: Интерполяция синуса

Рекомендации программисту

Предварительные настойки

Использование программы

Вывод

Прикреплённые файлы

Литература

Смотри также

Ссылки

Просмотры

Личные инструменты

Навигация

Поиск

Инструменты