라그랑주 다항식

Lagrange polynomial
이 이미지는 4개의 점(-9, 5), (-4, 2), (-1, -2, (7, 9), (쿠빅) 보간 다항식 L(x00)(x11), yashed(x), y black(x22), y y(x) 및 y sum(x)의33 합계를 나타낸다. 보간 다항식은 4개의 관리점을 모두 통과하며, 각 척도 기준 다항식은 각 관리점을 통과하며, 여기서 x는 다른 3개의 관리점에 해당하는 0이다.

수치해석에서는 다항식 보간법에 라그랑주 다항식을 사용한다. 값이 같지 않은 특정 지점 집합 j, )x_의 경우, 라그랑주 다항식은 각 값 x 에서 해당 y 을 가정하는 최저도의 다항목이 된다.

1795년에 출판한 조셉 루이스 라그랑의 이름을 따서 지었지만, 이 방법은 1779년 에드워드 와링에 의해 처음 발견되었다.[1] 1783년 레온하르트 오일러가 발표한 공식의 쉬운 결과이기도 하다.[2]

라그랑주 다항식의 용도는 수치적 통합뉴턴-코테스 방법암호학에서 샤미르의 비밀 공유 체계를 포함한다.

라그랑주 보간술은 룬지의 큰 진동 현상에 취약하다. 점을 변경하면 전체 보간물을 다시 계산해야 하므로 뉴턴 다항식을 대신 사용하는 것이 더 쉬운 경우가 많다.

정의

여기에서는 1차, 2차, 3차 순서의 라그랑주 기반 함수를 바이유닛 도메인에 플롯한다. 라그랑주 기준 함수의 선형 조합은 라그랑주 보간 다항식을 구성하는 데 사용된다. lagrange basis 함수는 유한 요소 분석에서 요소 형상 기능의 기준으로 일반적으로 사용된다. 나아가 유한요소 정의의 자연공간으로 바이오유닛 도메인을 사용하는 것이 일반적이다.

k + 1 데이터 점 집합 지정

2 같지 않은 경우, 라그랑주 형태의 보간 다항식선형 결합이다.

라그랑주 기준 다항식

where . Note how, given the initial assumption that no two are the same, then (when ) , so this expression is always well-defined. The reason pairs with are not allowed is that no interpolation function such that would exist; a function can only get one value for each argument 에 y i= 그 두 점은 실제로 하나의 포인트가 될 것이다.

j j에 대해 )\ell 는 분자에 ( x- )을 포함하므로, 전체 x = ==x=i

다른 한편으로는

In other words, all basis polynomials are zero at , except , for which it holds that , because it lacks the term.

It follows that , so at each point , , showing that interpolates the function exactly.

증명

찾고 있는 L(x) 함수는 주어진 데이터 세트를 보간하는 최소 수준의 x의 다항식이다. 즉, 모든j 데이터 포인트j j:

다음 사항을 준수하십시오.

  • ( ) 에는 제품에 k 인자가 있고 각 인자가 하나의 x를 포함하고 있으므로 L(x)(이 k-di 다항식의 합)은 최대 k의 다항식이어야 한다.

이 제품을 확장하십시오. Since the product omits the term where m = j, if i = j then all terms that appear are . Also, if ij then one term in the product will be (for m = i), 전체 제품을 0으로 설정 그렇게

여기서 Kronecker 델타다. 자:

따라서 L(x) 함수는 최대 k의 도와 여기서 L(xi) = yi 갖는 다항식이다.

또한, 다항 보간 기사의 단항 정리에서 알 수 있듯이 보간 다항식은 독특하다.

또한 다음과 같은 것도 사실이다.

이 값은 기껏해야 k의 다항식이어야 하며 모든 k + 1 데이터 지점을 통과해야 하므로:

그 결과, 직선은 k + 1 정렬된 점을 통과하는 k + 1 미만의 도에 대한 유일한 다항식이기 때문에 수평선이 된다.

선형대수학에서의 관점

보간문제의 해결은 행렬의 역전에 해당하는 선형대수학상의 문제로 이어진다. 보간 다항식 )= = 0 x j }j에 대한 표준 단항 기준을 사용하여 Vandermonde 매트릭스) 한다 to solve for the coefficients of . By choosing a better basis, the Lagrange basis, , we merely get the 아이덴티티 매트릭스, {\ 그 자체 역: 라그랑주 기반은 밴더몬드 매트릭스의 아날로그를 자동으로 반전시킨다.

이 구조는 중국 잔존 정리( chinese remainder theorem theorem)와 유사하다. 정수 모듈로 소수점 잔존도를 확인하는 대신 리너로 나눌 때 다항식 잔존도를 확인하는 것이다.

또한, 순서가 클 경우, 고속 푸리에 변환을 사용하여 보간된 다항식의 계수를 해결할 수 있다.

예 1

다음 세 가지 점을 고려하여 given(x) = x2 1 interpol x 3 3 범위에 걸쳐 보간하고자 한다.

보간 다항식:

예 2

다음 네 가지 점을 고려하여 1(x) = x3 1≤ x 4 4 범위에 걸쳐 보간하고자 한다.

보간 다항식:

메모들

Lagrange 다항식 집합에 대한 보간 간격의 예

보간 다항식의 라그랑주 형식은 다항 보간법의 선형 문자와 보간 다항식의 고유성을 나타낸다. 따라서, 그것은 증명과 이론적 주장에서 선호된다. Vandermonde 결정 인자의 비반복성 때문에 Vandermonde 행렬의 반전성에서도 고유성을 볼 수 있다.

그러나 구조에서 볼 수 있듯이 노드 x가 바뀔k 때마다 모든 라그랑주 기반 다항식을 다시 계산해야 한다. 실용적(또는 계산적) 목적을 위한 보간 다항식의 더 나은 형태는 라그랑주 보간(아래 참조) 또는 뉴턴 다항식의 이항성형이다.

위의 예에서와 같이 동일한 간격의 점에서 래그랑주 및 기타 보간법은 실제 함수 위와 아래에서 다항식 진동을 발생시킨다. 이러한 행동은 포인트 수에 따라 증가하는 경향이 있어 런지의 현상으로 알려진 차이를 초래한다; 체비셰프 노드에서 보간 포인트를 선택하면 문제가 제거될 수 있다.[3]

라그랑주 기반 다항식들은 뉴턴-코테스 공식을 도출하기 위해 숫자 통합에 사용될 수 있다.

쌍극성형

사용.

우리는 라그랑주 기준 다항식을 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.

또는, 이심동체 중량[4] 정의함으로써

우리는 간단히 쓸 수 있다.

일반적으로 이심성 보간식의 첫 번째 형태라고 한다.

이 표현의 장점은 보간 다항식이 이제 다음과 같이 평가될 수 있다는 것이다.

which, if the weights have been pre-computed, requires only operations (evaluating and the weights ) as opposed to 라그랑주 기준 다항식 ( x을(를) 개별적으로 평가하기 위한

The barycentric interpolation formula can also easily be updated to incorporate a new node by dividing each of the , by and constructing the new 위와 같이

상수함수 () 1의 편심 보간법을 먼저 고려함으로써 첫 번째 형식을 더욱 단순화할 수 있다.

( ) (를) ( x) 으)로 나누면 보간이 수정되지 않지만 수율은 유지됨

2차적 보간식의 두 번째 형태 또는 실제 형태라고 한다. 이 두 번째 양식은 () 의 각 평가에 대해 ( ) 을(를) 평가할 필요가 없다는 장점이 있다

라그랑주 보간 공식의 나머지 부분

x ,.. , x ..., 노드에서 주어진 함수 를 보간할 때 나머지 R( x)= f( )- L ( ) x)=(x[5] 얻는다.

여기서 [ ,, x , x 은(는) 분할된 차이에 대한 표기법이다. 또는 나머지 부분은 다음과 같이 복잡한 영역에 통합된 등고선으로 표현할 수 있다.

나머지는 다음과 같이 구속할 수 있다.

파생[6]

R ( ){\은(는) 노드에서 0이다. To find at a point , define a new function and choose where is the constant we are required to determine for a given . We choose so that has zeroes (at all nodes and )은는) x 0 {\ (끝점 포함) k 사이. Assuming that is -times differentiable, since and are polynomials, and therefore, are infinitely differentiable, will be } -비슷한 차이점. 롤의 정리로는 ( )( x) F+ 1 } 0 ( 2)( ) {\x)}}는k {\ 0... + 1 F는 1 0이며, say < 으로F (+ ){xi :

(Because the highest power of in is )

방정식은 다음과 같이 재배열할 수 있다.

Since we have

파생상품

라그랑주 다항식의 th 파생상품은 다음과 같이 기록할 수 있다.

( )( x) j ()( ) j}{j}^{j.

첫 번째 파생상품의 경우 계수는 다음과 같다.

그리고 두 번째 파생상품의 경우

.

반복을 통해 더 높은 파생상품에 대한 공식을 계산할 수 있다.

유한장

라그랑주 다항식은 유한한 분야에서도 계산할 수 있다. 이것은 샤미르의 비밀 공유 체계와 같은 암호학 분야에서의 응용 프로그램을 가지고 있다.

참고 항목

참조

  1. ^ Waring, Edward (9 January 1779). "Problems concerning interpolations". Philosophical Transactions of the Royal Society. 69: 59–67. doi:10.1098/rstl.1779.0008.
  2. ^ Meijering, Erik (2002). "A chronology of interpolation: from ancient astronomy to modern signal and image processing" (PDF). Proceedings of the IEEE. 90 (3): 319–342. doi:10.1109/5.993400.
  3. ^ Quarteroni, Alfio; Saleri, Fausto (2003). Scientific Computing with MATLAB. Texts in computational science and engineering. Vol. 2. Springer. p. 66. ISBN 978-3-540-44363-6..
  4. ^ Berrut, Jean-Paul; Trefethen, Lloyd N. (2004). "Barycentric Lagrange Interpolation" (PDF). SIAM Review. 46 (3): 501–517. doi:10.1137/S0036144502417715.
  5. ^ Abramowitz, Milton; Stegun, Irene Ann, eds. (1983) [June 1964]. "Chapter 25, eqn 25.2.3". Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables. Applied Mathematics Series. Vol. 55 (Ninth reprint with additional corrections of tenth original printing with corrections (December 1972); first ed.). Washington D.C.; New York: United States Department of Commerce, National Bureau of Standards; Dover Publications. p. 878. ISBN 978-0-486-61272-0. LCCN 64-60036. MR 0167642. LCCN 65-12253.
  6. ^ "Interpolation" (PDF).

외부 링크