拉格朗日插值

这篇文章存在极其严重的伪证现象,请就情况往下翻。

在平面直角坐标系中,给出n+1个函数在不同的坐标的点,求其解析式

即设n+1个点坐标分别为:(x0,y0),(x1,y1),......,(xn,yn)

:i=0nyij=0n(xxj)(ij)j=0n(xixj)(ij)

引理:

n+1个点得出的解析式可表达为Ln(x)

Ln(x)=a0+a1(xx0)an(xx0)(xx1)(xxn1)

:a有唯一解且一定有解,并且Ln(xj)=yj

可得以下方程:

{y0=a0y1=a0+a1(x1x0)yn=a0+a1(x1x0)++an(xnx0)(xnx1)(xnxn1)

我们首先证明一下一个定理:克拉默法则

:

{a11x1+a12x2++a1nxn=b1a21x1+a22x2++a2nxn=b2an1x1+an2x2++annxn=bn

:

D=|a11a12a1na21a22a2nan1an2ann|

D为方程组的系数行列式

:x1=D1D,x2=D2D,,xn=DnD

其中Dj(j=1,2,,n)是把西施行列式D中的第j列元素用方程组右端的常数项代替所得到的n阶行列式,即

Dj=|a11a12a1,j1b1a1,j+1a1na21a22a2,j1b2a2,j+1a2nan1an2an,j1bnan,j+1ann|

Proof: 我们分2步证明

(1):把方程写成

j=1naijxj=bi(i=1,2,,n)

x1=D1D,x2=D2D,,xn=DnD带入式子:

j=1naijDjD=1Dj=1naijDj

因为:Dj=b1A1j+b2A2j++bnAnj=s=1nbsAsj(其中Asj为元素asj的代数余子式)

j=1naijAsj={D,s=i0,si

所以

1Dj=1naijDj=1Dj=1naijs=1nbsAsj=1Dj=1ns=1naijAsjbs

=1Ds=1nj=1naijAsjbs=1Ds=1n(j=1naijAsj)bs

=1DDbi=bi

这相当于此式确为方程组的解

(2):D中第j列的代数余子式A1j,A2j,,Anj依次乘方程组的n个方程,再把它们相加,得:

(k=1nak1Akj)x1++(k=1nakjAkj)xj+(k=1naknAkj)xn=k=1nbkAkj

于是有

Dxj=Dj(j=1,2,3,,n)

D0时,得解一定满足式子,综上所述,方程组有唯一解.

我们回到之前的式子:

其系数行列式

D=|1001(x1x0)01(xnx0)(xnx0)(xnx1)(xnxn1)|

xixj(ij)

D0

a一定有解,且有唯一解。

引理得证

接下来我们可以用数学归纳法证明等式成立

n=2

:L2(x)=a0+a1(xx0)

{y0=Ln(x0)=a0y1=Ln(x1)=a0+a1(x1x0)

a0=y0,a1=y1y0x1x0

:

Ln(x)=y0+y1y0x1x0(xx0)
=y0+y1xx0x1x0y0xx0x1x0
=y0(1xx0x1x0)+y1xx0x1x0
=y0xx1x0x1+y1xx0x1x0

证毕

即,当n=2等式成立

n=p1等式成立

:n=p,等式成立

Lp(x)=a0+a1(xx0)ap(xx0)(xx1)(xxp1)

易得:

ap=Lp(xp)Lp(xp)(xpx0)(xpx1)(xpxp1)

将本式代入原式

Lp(x)=Lp1(x)+ypLp1(xp)(xpx0)(xpx1)(xpxp1)(xx0)(xx1)(xxp1)

=k=0p1yk(xx0)(xxk1)(xxk+1)(xxp1)(xkx0)(xkxk1)(xkxk+1)(xkxp1)+[ypk=0p1yk(xpx0)(xpxk1)(xpxk+1)(xpxp1)(xkx0)(xkxk1)(xkxk+1)(xkxp1)](xx0)(xxp1)(xpx0)(xpxp1)

=k=0p1yk(xx0)(xxk1)(xxk+1)(xxp1)(xkx0)(xkxk1)(xkxk+1)(xkxp1)k=0p1yk(xx0)(xxk1)(xxk+1)(xxp1)(xkx0)(xkxk1)(xkxk+1)(xkxp1)xxkxpxk+yp(xx0)(xxp1)(xpx0)(xpxp1)

=k=0p1yk(xx0)(xxk1)(xxk+1)(xxp1)(xkx0)(xkxk1)(xkxk+1)(xkxp1)(1xxkxpxk)+yp(xx0)(xxp1)(xpx0)(xpxp1)

1xxkxpxk=xpxkx+xkxpxk=xxpxkxp

Lp(x)=k=0p1yk(xx0)(xxk1)(xxk+1)(xxp)(xkx0)(xkxk1)(xkxk+1)(xkxp)+yp(xx0)(xxp1)(xpx0)(xpxp1)

Lp(x)=i=0nyij=0n(xxj)(ij)j=0n(xixj)(ij)

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