这里是根据清风数学建模视频课程记录的笔记,我不是清风本人。想系统学习数学建模的可以移步B站搜索相关视频
比赛中常常需要根据已知的函数点进行数据、模型的处理和分析,而有时候现有的数据是极少的,不足以支撑分析的进行,这时就可以使用一些方法“模拟产生”一些新的但又比较靠谱的值,这就是插值的作用。
设函数 y = f ( x ) y=f(x) y=f(x)在区间 [ a , b ] [a,b] [a,b]上有定义,且已知在点 a ≤ x 0 < x 1 < … < x n ≤ b a≤x_0
定理:设有 n + 1 n+1 n+1个互不相同的节点 ( x i , y i ) , ( i = 0 , 1 , 2 … , n ) (x_i,y_i),(i=0,1,2…,n) (xi,yi),(i=0,1,2…,n),则存在唯一的多项式 L n ( x ) = a 0 + a 1 x + a 2 x 2 + … + a n x n L_n(x)=a_0+a_1x+a_2x^2+…+a_nx^n Ln(x)=a0+a1x+a2x2+…+anxn,使得 L n ( x j ) = y j , ( j = 0 , 1 , 2 … , n ) L_n(x_j)=y_j,(j=0,1,2…,n) Ln(xj)=yj,(j=0,1,2…,n)
注意:①只要 n + 1 n+1 n+1个节点互异,满足上述插值条件的多项式是唯一存在的;②如果不限制多项式次数,插值多项式并不唯一
两个点 ( x 0 , y 0 ) , ( x 1 , y 1 ) (x_0,y_0),(x_1,y_1) (x0,y0),(x1,y1)
三个点 ( x 0 , y 0 ) , ( x 1 , y 1 ) , ( x 2 , y 2 ) (x_0,y_0),(x_1,y_1),(x_2,y_2) (x0,y0),(x1,y1),(x2,y2)
四个点 ( x 0 , y 0 ) , ( x 1 , y 1 ) , ( x 2 , y 2 ) , ( x 3 , y 3 ) (x_0,y_0),(x_1,y_1),(x_2,y_2),(x_3,y_3) (x0,y0),(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)
定义 f [ x 0 , x k ] = f ( x k ) − f ( x 0 ) x k − x 0 f[x_0,x_k]=\Large \frac {f(x_k)-f(x_0)}{x_k-x_0} f[x0,xk]=xk−x0f(xk)−f(x0)为函数 f ( x ) f(x) f(x)关于点 x 0 , x k x_0,x_k x0,xk的一阶差商, f [ x 0 , x 1 , x 2 ] = f [ x 1 , x 2 ] − f [ x 0 , x 1 ] x 2 − x 0 f[x_0,x_1,x_2]=\Large \frac {f[x_1,x_2]-f[x_0,x_1]}{x_2-x_0} f[x0,x1,x2]=x2−x0f[x1,x2]−f[x0,x1]为二阶差商
牛顿插值: f ( x ) = f ( x 0 ) + f [ x 0 , x 1 ] ∗ ( x − x 0 ) + f [ x 0 , x 1 , x 2 ] ∗ ( x − x 0 ) ∗ ( x − x 1 ) + … + f [ x 0 , x 1 , … x n − 2 , x n − 1 ] ∗ ( x − x 0 ) ∗ ( x − x 1 ) ∗ … ( x − x n − 3 ) ( x − x n − 2 ) + f [ x 0 , x 1 , … x n − 1 , x n ] ∗ ( x − x 0 ) ∗ ( x − x 1 ) ∗ … ( x − x n − 2 ) ( x − x n − 1 ) f(x)=f(x_0)+f[x_0,x_1]*(x-x_0)+f[x_0,x_1,x_2]*(x-x_0)*(x-x_1)+…+f[x_0,x_1,…x_{n-2},x_{n-1}]*(x-x_0)*(x-x_1)*…(x-x_{n-3})(x-x_{n-2})+f[x_0,x_1,…x_{n-1},x_n]*(x-x_0)*(x-x_1)*…(x-x_{n-2})(x-x_{n-1}) f(x)=f(x0)+f[x0,x1]∗(x−x0)+f[x0,x1,x2]∗(x−x0)∗(x−x1)+…+f[x0,x1,…xn−2,xn−1]∗(x−x0)∗(x−x1)∗…(x−xn−3)(x−xn−2)+f[x0,x1,…xn−1,xn]∗(x−x0)∗(x−x1)∗…(x−xn−2)(x−xn−1)
设函数 f ( x ) f(x) f(x)在区间 [ a , b ] [a,b] [a,b]上有 n + 1 n+1 n+1个互异节点 a = x 0 < x 1 < x 2 < … < x n = b a=x_0
见代码
除了满足基本插值条件 S ( x i ) = f i S(x_i)=f_i S(xi)=fi还应该满足
S ( x ) = { S 0 ( x ) , x ∈ [ x 0 , x 1 ] S 1 ( x ) , x ∈ [ x 1 , x 2 ] ⋮ S n − 1 ( x ) , x ∈ [ x n − 1 , x n ] S(x)=\begin{cases}{S_0(x),x∈[x_0,x_1]}\\S_1(x),x∈[x_1,x_2]\\{\vdots }\\{S_{n-1}(x),x∈[x_{n-1},x_n]}\end{cases} S(x)=⎩ ⎨ ⎧S0(x),x∈[x0,x1]S1(x),x∈[x1,x2]⋮Sn−1(x),x∈[xn−1,xn]
并且满足
{ S i − 1 ( x i ) = S i ( x i ) , S i − 1 ′ ( x i ) = S i ′ ( x i ) , S i − 1 ′ ′ ( x i ) = S i ′ ′ ( x i ) , \begin{cases}{S_{i-1}(x_i)=S_i(x_i),}\\{S'_{i-1}(x_i)=S'_i(x_i),}\\{S''_{i-1}(x_i)=S''_i(x_i),} \end{cases} ⎩ ⎨ ⎧Si−1(xi)=Si(xi),Si−1′(xi)=Si′(xi),Si−1′′(xi)=Si′′(xi),
具体见代码
注意:实际比赛中多用分段三次和三次样条