Кубический интерполяционный сплайн

Пусть на задана сетка , в узлах которой известны значения функции . Сплайн третьей степени , интерполирующий заданную функцию , определяется как функция, удовлетворяющая условиям:

1)

2) Для любого частичного промежутка -многочлен третьей степени

3)

Для задания надо определить 4 коэффициента для каждого промежутка , т.е. параметров.

Условия 1) требуют чтобы во внутренних узлах сплайн и его производные до 2-го порядка были непрерывны.

Это дает условия для определения параметров, еще условие содержится в 3).

Итого имеем условия. Еще 2 условия, необходимые для однозначного определения сплайна, обычно задаются в виде граничных условий, т.е. условий в точках и .

Возьмем в качестве граничных условия

4)

Для построения кубического интерполяционного сплайна могут быть использованы различные подходы. Проведем построение сплайна, исходя из условий 1) - 4). Из 1) и 2) следует, что??? непрерывная функция, линейная на каждом т.е.??? - линейный сплайн.

Обозначив , получаем

(33)

для .

Интегрируя (5), получаем

(34)

(35)

и - постоянные интегрирования.

Условия 3) дают:

(36)

Из (36) получаем:

Подставляя и в (7), получаем:

(37)

После преобразования

из (37) получаем

(38)

Из (34) получаем

(39)

Из (39) находим односторонние пределы производной для узла ,

(40)

(41)

Подставляя (40) и (41) в условие непрерывности в узле получаем:

(42)

Дополняя (42) равенствами из условия 4): , получаем систему уравнений относительно вида:

(43)
с квадратной матрицей .

и квадратной матрицей

Координатами вектора являются значения .

Для матрицы ненулевые элементы расположены на главной диагонали и двух соседних с ней. Такие матрицы называются трехдиагональными. Для выполнено условие диагонального преобладания .

Матрица с диагональным преобладанием невырождена. Следовательно, система (42) однозначно разрешима, т.е. существует единственный кубический интерполяционный сплайн. Кроме условий 4) - условий "свободного провисания" интерполяционной кривой в точках и , могут быть известны наклоны интерполяционной кривой в граничных точках. Тогда условия на границах имеют вид:

(44)
Могут быть использованы и другие варианты.

Вид граничных условий меняет некоторые элементы матрицы , но в любом случае она остается матрицей с диагональным преобладанием.

Решение системы (43) с трехдиагональной матрицей может быть найдено посредством специального варианта метода последовательного исключения неизвестных, который называется методом прогонки.

Относительно оценки погрешности и сходимости интерполяций кубическими сплайнами имеют место следующие результаты:

если , то , где , ,

если , , то оценка имеет вид для .
Из этих оценок следует сходимость интерполяционного процесса на последовательности сеток .