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埃米尔特插值

2025-07-01

简介

埃尔米特插值不仅要求插值多项式 Pn(x) 与被近似函数 f(x) 的若干函数值重合,而且要求若干阶导数也重合。

INFO

N+001 个条件可以确定 N 次埃米尔特插值多项式。

泰勒插值

要求 Pn(x)f(x)x0 处函数值重合,且 n 阶内导数均重合。

具体来说,需要满足以下 n+001 个条件:

{Pn(x0)=f(x0)Pn(x0)=f(x0)Pn(x0)=f(x0)Pn(n)(x0)=f(n)(x0)

Pn(x)=00a0+00a1(x00x0)+00+00an(x00x0)n,代入以上,解得 ak=00f(k)(x0)k!。即

Pn(x)=f(x0)+k=1nf(k)(x0)k!(xx0)k

余项

f(n+1)[x0,00x][x,00x0] 上存在且连续,则泰勒插值产生的余项为

Rn(x)=f(x)Pn(x)=f(n+1)(ξ)(n+1)!(xx0)n+1

其中 ξ 位于 x0x 之间(不包括)。

构造辅助函数

φ(t)=Rn(t)Rn(x)(xx0)n+1(tx0)n+1

φ(t)=000t=00x0 有一个 n+001 重根,在 t=00x 有一个一重根,共 n+002 个零点。

应用 n+001 次罗尔(Rolle)定理得,存在 ξ 位于 x0x 之间(不包括),使得

φ(n+1)(ξ)=0Rn(n+1)(ξ)Rn(x)(x0x)n+1(n+1)!=0Rn(x)=f(n+1)(ξ)(n+1)!(xx0)n+1

两点三次埃米尔特插值

要求三次多项式 H3(x) 满足以下 4 个条件:

{H3(x0)=f(x0)H3(x1)=f(x1)H3(x0)=f(x0)H3(x1)=f(x1)

H3(x)=00f(x0)α0(x)+00f(x1)α1(x)+00f(x0)β0(x)+00f(x1)β1(x),代入以上,得到

α0(x0)=001α0(x1)=0α0(x0)=0α0(x1)=0
α1(x0)=0α1(x1)=001α1(x0)=0α1(x1)=0
β0(x0)=0β0(x1)=0β0(x0)=001β0(x1)=0
β1(x0)=0β1(x1)=0β1(x0)=0β1(x1)=001

由于 α0(x1)=00α0(x1)=000,故设 α0(x)=00(x00x1)2(ax+00b)。再代入 α0(x0)=001,00α0(x0)=000

{α0(x0)=(x0x1)2(ax0+b)=1α0(x0)=2(x0x1)(ax0+b)+a(x0x1)2=0

解得

{a=2(x0x1)3b=1(x0x1)2+2x0(x0x1)3

α0(x)=(xx1)2(ax+b)=(xx1)2[2(x0x1)3x+1(x0x1)2+2x0(x0x1)3]=(xx1x0x1)2(1+2x0x0x12xx0x1)=(xx1x0x1)2(1+2xx0x1x0)=02(x)[1+21(x)]

类似地,有

α1(x)=(xx0x1x0)2(1+2xx1x0x1)=12(x)[1+20(x)]β0(x)=(xx0)(xx1x0x1)2=(xx0)02(x)β1(x)=(xx1)(xx0x1x0)2=(xx1)12(x)

H3(x)=f(x0)02(x)[1+21(x)]+f(x1)12(x)[1+20(x)]+f(x0)(xx0)02(x)+f(x1)(xx1)12(x)

余项

f(4)(x)[x0,00x1] 上连续,则两点三次埃米尔特插值产生的余项为

R3(x)=f(x)H3(x)=f(4)(ξ)4!(xx0)2(xx1)2,ξ(x0,x1)

任取 x^(x0,00x1),构造辅助函数

φ(t)=R3(t)R3(x^)(x^x0)2(x^x1)2(tx0)2(tx1)2

φ(t)=000 有一个一重根 x^ 和两个二重根 x0,00x1,共有 5 个零点。

应用 4 次罗尔(Rolle)定理即可得证。