Земечание

Интерполяционную формулу (19) применяют на практике для точек x, близких к x₀. Если необходимо вычислить приближенное значение функции f(x) в точках x, близких к правому концу отрезка, то полагают и записывают интерполяционный многочлен Ньютона в терминах данного q.

9. Среднеквадратичное приближение функции.

Рассмотрим задачу наилучшего среднеквадратичного приближения функции полиномом по системе .

Определение 1. Обобщенным полиномом порядка m по системе {j_k} называется линейная комбинация где C_k – произвольные вещественные коэффициенты.

Задача. Найти полином , наименее уклоняющийся от функции f в метрике L₂, т.е. удовлетворяющий условию:

Теорема 1. Если система линейно независима, то задача наилучшего среднеквадратичного приближения по этой системе однозначно разрешима.

Запишем квадрат расстояния между функцией и полиномом:

(1)

Очевидно, что величина - неотрицательно определенная квадратичная функция переменных , а такая функция достигает минимального значения. Таким образом, решение задачи среднеквадратичного приближения существует.

Докажем единственность решения.

Запишем необходимые условия минимума: , i=0,…,m.

Вычисляя частные производные по c_i выражения (1), получим линейную cистему уравнений: (2)

Система (2) называется нормальной системой.

Выпишем определитель этой системы

(3)

Определитель системы (3) – так называемый определитель Грама системы . Известно, что если система - линейно независима, то определитель 0 (легко доказывается от противного). Согласно условию теоремы 0 и система (2) имеет единственное решение.

Классические ортогональные многочлены и их применение в задачах приближения функций.

Пусть H- гильбертово пространство со скалярным произведением <f,g> и, соответственно, нормой . Важным примером такого пространства является так называемое пространство - пространство функций f(x), для которых конечен интеграл:

(1)

Здесь h(x)- так называемая весовая функция, удовлетворяющая условиям:1.h(x)³0 на [a,b].

2.Если промежуток [a,b]- конечный, то существует и конечен;Если же [a,b]=(0,+ ), то должно выполняться условие: т.е. должны существовать любые моменты весовой функции.

Определение 1. Для определено скалярное произведение:

(2)

и соответственно норма: согласно условию (1).

Используя неравенство Коши – Буняковского - Шварца, получаем

Поэтому скалярное произведение существует для

Определение 2. Расстояние между элементами f и g определяется равенством: .

Возникает вопрос о том, как понимать нулевой элемент. Если норма , следует ли отсюда, что f=g? Вводится терминология: f=g почти всюду, то есть они могут отличаться в конечном числе точек.

Определение 3. f и g ортогональны на отрезке [a,b] с весом h(x), если <f,g>=0 (кратко пишут ).Если в гильбертовом пространстве взять любую линейно независимую систему , i=0,1,2,…, то ее можно ортогонализировать.

Рассмотрим в качестве примера систему: При конечный набор степенных функций линейно независим, поэтому на базе этой системы можно построить ортогональные полиномы. Известна следующая рекуррентная процедура ортогонализации (процедура Грама - Шмидта): (3)

Коэффициенты b_k+1,j определяются из условий ортогональности: Последовательно умножая (3) на получаем (4)

11.Полиномы Лежандра. Построение и использование в задачах ср.кв.приближения.

Пусть h(x)º1, [a,b]=[-1,1].Построить первые три ортогональных полинома по процедуре (3) - (4).(см 10)

Далее имеем:

,

следовательно, Действуя, аналогично далее, получаем:

Для системы ортогональных многочленов на отрезке [-1,1] с весом h(x)=1 справедлива формула Родрига: (5)

Из (5) последовательно получаем:

и т.д. Получаемые таким образом полиномы называются полиномами Лежандра.

Замечание. Найденные по процедуре (3) – (4) ортогональные многочлены могут лишь множителями отличаться от тех, которые строятся по явной формуле Родрига (5).

Квадрат нормы у этих полиномов равен: То есть эти многочлены не нормированы, так как Для всех классических многочленов существует рекуррентная формула. Для полиномов Лежандра она имеет следующий вид:

(6)

Пусть Рассмотрим среднеквадратичное приближение:

где - среднеквадратичная ошибка аппроксимации, - отрезок ряда Фурье для функции f(x) по системе ортогональных многочленов {P_k(x)}.В силу ортогональности многочленов Лежандра, система нормальных уравнений (2) из §1.5 становится диагональной, и ее решение приводит к следующим выражениям для коэффициентов c_k:

(7)

При этом то есть обеспечивается минимум нормы в L₂.

Распишем подробно ошибку аппроксимации

(8)