Линейное интерполирование функций многих переменных

Рассматриваются вопросы существования, единственности и построения интерполяционных полиномов функции многих переменных. Розглядаються питання існування, єдиності і побудови інтерполяційних поліномів функції багатьох змінних. The issues of existence, uniqueness and construction of interpolation poly...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Date:2009
Main Authors: Каленчук-Порханова, А.А., Фесун, Т.М.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2009
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6532
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Линейное интерполирование функций многих переменных / А.А. Каленчук-Порханова, Т.М. Фесун // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2009. — № 8. — С. 28-34. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860058556642885632
author Каленчук-Порханова, А.А.
Фесун, Т.М.
author_facet Каленчук-Порханова, А.А.
Фесун, Т.М.
citation_txt Линейное интерполирование функций многих переменных / А.А. Каленчук-Порханова, Т.М. Фесун // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2009. — № 8. — С. 28-34. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
collection DSpace DC
description Рассматриваются вопросы существования, единственности и построения интерполяционных полиномов функции многих переменных. Розглядаються питання існування, єдиності і побудови інтерполяційних поліномів функції багатьох змінних. The issues of existence, uniqueness and construction of interpolation polynoms of functions of many-variables are considered in this article.
first_indexed 2025-12-07T17:03:12Z
format Article
fulltext Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 28 A. Kalenchuk-Porkhanova, T. Fesun LINEAR INTERPOLATION OF FUNCTIONS OF MANY- VARIABLES The issues of existence, uniqueness and construction of interpolation polynoms of functions of many- variables are considered in this article. Розглядаються питання існуван- ня, єдиності і побудови інтерпо- ляційних поліномів функції бага- тьох змінних. Рассматриваются вопросы суще- ствования, единственности и по- строения интерполяционных по- линомов функции многих перемен- ных.  А.А. Каленчук-Порханова, Т.М. Фесун, 2009 УДК 004.428.4:519.651 А.А. КАЛЕНЧУК-ПОРХАНОВА, Т.М. ФЕСУН ЛИНЕЙНОЕ ИНТЕРПОЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИЙ МНОГИХ ПЕРЕМЕННЫХ Введение. В работе рассматриваются во- просы существования, единственности и построения интерполяционных полино- мов функции многих переменных. Рассмотрим некоторое линейное мно- жество R действительных функций, опре- делённых на отрезке [a, b] и некоторую конечную или счётную совокупность дос- таточно простых функций этого множест- ва ( )xiϕ , и предположим, что любая ко- нечная система функций ( )xiϕ линейно независима на [a, b]. На практике в каче- стве ( )xiϕ , как правило, берутся последо- вательность степеней x: 2 31, , , , , ,nx x x x последовательность тригонометрических функций: 1, sin x, cos x, sin 2x, cos 2x, … или последовательность показательных функций: ,,,1 21 xx ee αα , где { }αi – некото- рая числовая последовательность попарно различных действительных чисел и т. д. Всевозможные линейные комбинации ( ) ( ) ( ) ( )xaxaxax nnϕ++ϕ+ϕ=ϕ 1100 с действительными коэффициентами ia назовём обобщёнными многочленами по системе ( ) ( ) ( )0 1φ , φ , , φnx x x , которые образуют линейное подмножество nR множества R. В зависимости от целей, ко- торых мы хотим достичь, могут быть раз- ные подходы к задаче приближения ( ) Rxf ∈ функциями ( ) nRx ∈ϕ . В теории интерполирования эта задача решается таким образом, что на отрезке [a, b] выби- ЛИНЕЙНОЕ ИНТЕРПОЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИЙ МНОГИХ ПЕРЕМЕННЫХ Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 29 рается некоторая фиксированная совокупность попарно различных точек nxxx ,,, 10  и каждой конкретной функции ( ) Rxf ∈ ставится в соответствие обобщённый многочлен ( ) nRx ∈ϕ , значения которого в выбранных точках сов- падают со значениями функции f(x). Точки nxxx ,,, 10  называют узлами ин- терполирования, а обобщённый многочлен, обладающий указанным свойством, называют обобщённым интерполяционным многочленом для f(x) по заданной системе узлов. Если f(x) и ( )xiϕ – дифференцируемые функции, то иногда, кроме того, требуют совпадения производных f(x) и φ( x) в узлах до некоторых порядков [1]. В настоящей работе рассматривается задача линейной интерполяции функ- ции n независимых переменных, приводятся формулы вычисления значения ин- терполирующего полинома в произвольной точке и формула остаточного члена. Постановка задачи интерполирования. Пусть известны значения функции ( ))()2()1( ,,, nxxxf  в точках прямоугольной сетки NE n-мерного пространства, и пусть задана некоторая точка ( ))()2()1( ,,, nξξξξ  в пределах сетки. Требуется построить для прямоугольной сетки, содержащей данную точку ξ, линейную интерполяционную функцию ( ) ∑ = += n i i i n xppxxxf 1 )( 0 )()2()1( ,,,  , которая совпадает с исходной в узлах интерполирования, и найти её значение в точке ξ [2]. Для решения этой задачи будем пользоваться формулой, аналогичной фор- муле Ньютона линейной интерполяции функции одного переменного ( ) ( ) ( ) ( ) Rxxfxxxfxf +−+= 1000 ; , (1) где R – остаточный член, ( )( ) ( )1010 ;; xxxfxxxxR −−= , а ( )10 ; xxf и ( )10 ;; xxxf – разделённые разности, которые вычисляются по формулам ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 1 0 1 0 1 0 1 1 2 0 1 2 0 2 0 1 1 1 2 0 1 0 ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; .r r r r f x f x f x x x x f x x f x x f x x x x x f x x x f x x x f x x x x x − − = − − = − − = −     Применяя n раз формулу (1) для функции n переменных, получаем: А.А. КАЛЕНЧУК-ПОРХАНОВА, Т.М. ФЕСУН Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 30 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (1) (2) ( ) (1) (2) ( ) 0 0 0 ( ) ( ) (1) (2) ( 1) ( ) ( ) ( 1) ( ) ( ) ( ) 0 0 0 0 0 1 0 0 1 2 1 , , , , , , ; ; ; ; ; ; ; ; , 2 n n n i i i i i i n n n i f x x x f x x x x x f x x x x x x x R R− + = = + + − + +∑     где ( )( ) (∑ ∑ − = += −+−−−= 1 1 1 )1( 0 )1( 0 )( 1 )( 0 )1( 0 )2( 0 )1( 0 )( 0 )()( 0 )()( 1 ;;;;;;;;; n i n ij jiiiijjiin xxxxxxxfxxxxR  ) ( )( )( ) (∑ ∑ ∑ − = − += += + −−−+ 2 1 1 1 )2( 0 )1( 0 1 )( 0 )( 0 )()( 0 )()( 0 )1( 0 )( 1 )( 0 ;;;;;;; n i n ij n jk kkjjiinjjj xxfxxxxxxxxxx  ) +++−+−+−  )( 0 )1( 0 )( 1 )( 0 )1( 0 )1( 0 )( 1 )( 0 )1( 0 )1( 0 )( 1 )( 0 )1( 0 ;;;;;;;;;;;;;;; nkkkkjjjjiiii xxxxxxxxxxxxx ( ) ( )∏ = −+ n i nnii xxxxxxfxx 1 )( 1 )( 0 )2( 1 )2( 0 )1( 1 )1( 0 )( 0 )( ;;;;;;  ; ( )( ) ( )( )( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 0 1 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 0 1 0 12 1 1 1 ( ) ( ) ( ) ( ) 2 0 1 1 1 2 1 2 11 ; 2 i j i i n n i i i i x i n n j j j j i i i i x x j i i n n i i i i n x i R x x x x D x x x x x x x x D D x x x x D = = + = − = = − − − − − − − − + + + − − − ∑ ∑ ∑ ∏  ( ) ( ) ( ) (1) (2) ( 1) ( ) ( ) ( 1) ( ) 0 0 0 0 1 0 0 (1) (2) ( 1) ( ) ( 1) ( ) (1) (2) ( ) 0 0 0 1 0 0 0 0 0 ( ) ( ) 1 0 ; ; ; ; ; ; ; ; , , , , , , , , , , ; i i i i n i i i n n i i f x x x x x x x f x x x x x x f x x x x x − + − + = − = −      ( ) )( 1 )( * )( 02)( )( * 2 2 ,)( iii i i x xx x fD i ≤ξ≤ ∂ ξ∂ = . Если задать сетку NE точек ij x , такую что ,,1,,,, )()( 2 )( 1 )( nixxxx i m iii i ==  ii mj ,1= , то в каждом n-мерном прямоугольнике { })( 1 )()( i j ii j ii xx +≤ξ≤=Π для функции ( ))()2()1( ,,, nxxxf  будет n2 интерполяционных формул вида (1) [3]. Для однозначности решения поставленной задачи на число узлов интерполи- рования и на функции ( )xiϕ накладываются такие условия, чтобы каждой функ- ции ( ) Rxf ∈ можно было поставить в соответствие один и только один обоб- щённый многочлен по системе функций ( ) ( ) ( )xxx nϕϕϕ ,,, 10  , являющийся ЛИНЕЙНОЕ ИНТЕРПОЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИЙ МНОГИХ ПЕРЕМЕННЫХ Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 31 интерполяционным многочленом для функций f(x) по данной системе узлов nxxx ,,, 10  (при ).i jx x i j≠ ≠ Назовём систему функций ( ) ( ) ( )xxx nϕϕϕ ,,, 10  системой Чебышева на от- резке [a, b], если любой обобщённый многочлен по этой системе, у которого хо- тя бы один из коэффициентов отличен от нуля, имеет на [a, b] не более n нулей. Очевидно, требование линейной независимости системы является необходимым для того, чтобы система была системой Чебышева на [a, b]. Теорема nxxx ,,, 10  . Для того, чтобы для любой функции f(x), определённой на от- резке [a, b] и для любого набора n + 1 узлов [ ]( , ,i i jx a b x x∈ ≠ при )i j≠ существовал обобщённый интерполяционный многочлен ϕ(x) = ( ) ( ) ( )0 0 1 1φ φ φn na x a x a x= + + + , необходимо и достаточно, чтобы система функций ( )[ ]xiϕ являлась системой Чебышева на [a, b]. При этом интерполяци- онный многочлен будет единственным [4]. Предлагаемый алгоритм [5] реализует формулу (2) в виде ( ) ( ) ( )1 1 2 2 (1) (2) ( ) (1) (2) ( ) (1) (2) ( ) θ θ θ, , , , , , , , , n n n n n j j jf x x x f x x x f x x x+ + +≈ = +   ( ) ( )1 1 2 2 1 1 1 1 ( ) ( ) (1) (2) ( 1) ( ) ( ) ( 1) ( ) θ θ θ θ θ 1 θ θ θ 1 ( ) 0 1 ; ; ; ; ; ; ; ; , i i i i i i i i i i n n n i i i i i i n j j j j j j j j i n i i i x x f x x x x x x x p p x − − + + − + + + + + + + − + + = = + − × = = + ∑ ∑   где ( )1 1 1 1 1 1 (1) ( 1) ( ) ( ) ( 1) ( ) θ θ θ 1 θ θ θ; ; ; ; ; ; ; i i i i i i i i n n i i i i n i j j j j j jp f x x x x x x − − + + − + + + + + − + +=   ; ( )1 1 (1) ( ) ( ) 0θ θ θ 1 ; ; n n i i n n i j j j i i p f x x x p+ + + = = −∑ ; ( ) ( ) 1( ) ( ) ( ) ( ) 1 ( ) ( ) 1 0,еслиξ , 2θ 1,еслиξ , 2 i i i i i i i i j ji i j i i i j j i i j x x x x x x + + +  + ≤ < =  + ≤ < (3) где ( ) ( ) ( ) 1ξ i i i i i j jx x +≤ < (без подсчёта остаточных членов )( 1 nR и )( 2 nR ). Погрешность приближения при условии ограниченности второй производ- ной вычисляется по формуле ( )1 1 2nR nCH H≤ + , где ( ) ( )( ) '' (1) (2) ( ) ( ) ( ) ( ) 1max , , , ,i i n i i i mx C f x x x x x x= ≤ ≤ , ( ) ( ) 1 1 1 1 1, 1, 1 max max i i j ji n j m H x x+ = = − = − . А.А. КАЛЕНЧУК-ПОРХАНОВА, Т.М. ФЕСУН Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 32 Способ расшифровки информации. Пусть каждая переменная ( )nix i ,1)( = пробегает значения )()( 2 )( 1 ,,, i m ii i xxx  . В таком случае сетка будет состоять из N точек, в которых заданы значения функции ( ) ii n jjj mjxxxf n ,1,,,, )()2()1( 21 = ; ( ) 1 1 2 1 1 jn j i j i N m m m − = = = + −∑ ∏ . (4) Данные по сетке можно расположить следующим образом: 1) точки сетки задать таблицей: )(ix Значения )1(x )1()1( 3 )1( 2 )1( 1 1mxxxx  )2(x )2()2( 3 )2( 2 )2( 1 2mxxxx  )3(x 3 (3) (3) (3) (3) 1 2 3 mx x x x  ………………………………… )(nx )()( 3 )( 2 )( 1 n m nnn n xxxx  2) значения функции в точках сетки задать n строками, причём первая строка будет состоять из m1 элементов и иметь вид ( ) ( ) ( ))( 1 )2( 1 )1()( 1 )2( 1 )1( 2 )( 1 )2( 1 )1( 1 ,,,,,,,,,,,, 1 n m nn xxxfxxxfxxxf  , а любая l-я последующая строка будет состоять из ( ) 1 1 1 l i l i m m − = −∏ элементов и иметь вид ( ) ( )(1) (2) ( ) ( 1) ( ) (1) (2) ( ) ( 1) ( ) 1 1 2 1 1 2 1 2 1 1, , , , , , , , , , , , , ,l l n l l nf x x x x x f x x x x x+ +    ( ) ( )1 (1) (2) ( ) ( 1) ( ) (1) (2) ( ) ( 1) ( ) 3 1 2 1 1 1 2 1 1, , , , , , , , , , , , , , ,l l n l l n mf x x x x x f x x x x x+ +     ( ) ( )(1) (2) (3) ( ) ( 1) ( ) (1) (2) (3) ( ) ( 1) ( ) 1 2 1 2 1 1 2 2 1 2 1 1, , , , , , , , , , , , , , , ,l l n l l nf x x x x x x f x x x x x x+ +    ( ) ( )1 (1) (2) (3) ( ) ( 1) ( ) (1) (2) (3) ( ) ( 1) ( ) 3 2 1 2 1 1 2 1 2 1 1, , , , , , , , , , , , , , , , ,l l n l l n mf x x x x x x f x x x x x x+ +     ( ) ( )(1) (2) (3) ( ) ( 1) ( ) (1) (2) (3) ( ) ( 1) ( ) 1 3 1 2 1 1 2 3 1 2 1 1, , , , , , , , , , , , , , , ,l l n l l nf x x x x x x f x x x x x x+ +    ( ) ( )1 (1) (2) (3) ( ) ( 1) ( ) (1) (2) ( ) ( 1) ( ) 3 3 1 2 1 1 3 2 1 1, , , , , , , , , , , , , , , ,l l n l l n mf x x x x x x f x x x x x+ +     ………………………………………………………………………………………… ( )1 2 (1) (2) (3) ( ) ( 1) ( ) 1 2 1 1, , , , , , , ,l l n m mf x x x x x x+  ЛИНЕЙНОЕ ИНТЕРПОЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИЙ МНОГИХ ПЕРЕМЕННЫХ Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 33 ………………………………………………………………………………………… ( )1 2 3 (1) (2) (3) (4) ( ) ( 1) ( ) 1 2 1 1, , , , , , , , ,l l n m m mf x x x x x x x+  ………………………………………………………………………………………… ( )1 2 3 4 (1) (2) (3) (4) (5) ( ) ( 1) ( ) 1 2 1 1, , , , , , , , , ,l l n m m m mf x x x x x x x x+  ………………………………………………………………………………………… ( )1 2 3 4 (1) (2) (3) (4) ( ) ( 1) ( ) 1 1, , , , , , , , . l l l n m m m m mf x x x x x x x+  Если считать, что 1) элементы массива F значений функции в точках сетки расположены таким образом по строкам, а строки – в порядке возрастания их номеров; 2) ( ))( 1 )2( 1 )1( 1 ,,, nxxxf  – первый элемент массива, то ( ))()2()1( ,,, 21 n jjj n xxxf  будет являться Ni-м элементом массива F ( ) 1 1 2 1 1 . in i i k i k N j j m − = = = + −∑ ∏ (5) Пусть ( ))()2()1( ,,, nξξξξ  – точка, в которой нужно найти значение функции. Если nixx i j ii j ii ,1,)( 1 )()( =<ξ≤ + , то для интерполяции необходимо знать значе- ния переменных ( )nijxx ii i j i j ii ,1,,, )( 1 )( =θ+ и значения функции ( )1 1 2 2 (1) (2) ( ), , , n n n j j jf x x xθ θ θ+ + + , ( )1 1 2 2 (1) (2) ( ) 1 , , , n n n j j jf x x xθ θ θ+ − + + , ( )1 1 2 2 3 3 (1) (2) (3) ( ) 1, , , , n n n j j j jf x x x xθ θ θ θ+ + − + + , ( )1 1 2 2 3 3 4 4 (1) (2) (3) (4) ( ) 1, , , , , n n n j j j j jf x x x x xθ θ θ θ θ+ + + − + + , ………………………………………………………………………………………… ( )1 1 2 2 1 1 (1) (2) ( 1) ( ) 1, , , , n n n n n n j j j jf x x x xθ θ θ θ− − − + + + − + , ( )1 1 2 2 1 1 (1) (2) ( 1) ( ) 1, , , , n n n n n n j j j jf x x x xθ θ θ θ− − − + + + + − . (6) Заключение. Исследование погрешности интерполяционных формул для функций многих независимых переменных связано с рядом трудностей при оценке остаточного члена. Во-первых, оценить остаточный член интерполяционной формулы функции многих переменных по аналогии с оценкой остаточного члена для функции одного переменного невозможно, так как теорема Роля для случая многих неза- висимых переменных действовать не будет. А.А. КАЛЕНЧУК-ПОРХАНОВА, Т.М. ФЕСУН Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 34 Во-вторых, формулы остаточного члена при интерполировании функции многих переменных очень громоздки и трудно подобрать алгоритм, вычисляю- щий остаточный член с большой степенью точности. Для нашей задачи линейной интерполяции функции многих переменных формула остаточного члена будет ещё более громоздкая за счёт того, что в неё войдут члены интерполяционной формулы, включающие разделённые разности, начиная со 2-го порядка и выше. Формула остаточного члена разбита на две части и имеет вид ( ) ( ) ( )nnn RRR 21 += . Для оценки )( 2 nR необходимо вычислять разделённые разности ( ))()1()( 1 )( 0 )()2()1( ;;;;;;;; niiii xxxxxxxf  + . Это возможно только тогда, когда известно аналитическое выражение функции. Так как в нашей задаче функция задана в виде таблицы, то можно бы- ло бы вычислять разделённые разности путём численного дифференцирования, но этот приближенный метод привёл бы к ещё большему увеличению погреш- ности. Поэтому имеет смысл ограничиться вычислением только ( )nR1 , учитывая при этом, что полученное значение ( )nR1 будет нижней границей точности полу- ченного решения. Алгоритм линейной интерполяции функции многих переменных реализован на языке Алгол-60, а также на языке С++ для суперкомпьютера с кластерной архитектурой. Алгоритм может быть применен для расчетов, когда требует- ся вычислять значения в заданных точках n-мерных пространств, в частности в картографии. 1. Стефенсен Н.Ф. Теория интерполяции. − ОНТИ, М-1, 1935. − 236 с. 2. Микеладзе Ш.Е. Численные методы математического анализа. − ГТТИ, 1953. − 527 с. 3. Гончаров В.Л. Теория интерполирования функций: 12-е изд. − ГТТИ, 1954. − 327 с. 4. Соболев С.Л. О задаче интерполирования функции n переменных // Докл. АН СССР. − 1961. − 137 5. Порханова А.А., Фесун Т.М. Линейное интерполирование функций многих переменных // Материалы IV республ. науч. конф. молодых исследователей по системотехнике. − Киев, 1970. − , № 4. − С. 126 −154. III Получено 12.10.2009 . − С. 68 −78.
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-6532
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1817-9908
language Russian
last_indexed 2025-12-07T17:03:12Z
publishDate 2009
publisher Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
record_format dspace
spelling Каленчук-Порханова, А.А.
Фесун, Т.М.
2010-03-05T15:17:11Z
2010-03-05T15:17:11Z
2009
Линейное интерполирование функций многих переменных / А.А. Каленчук-Порханова, Т.М. Фесун // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2009. — № 8. — С. 28-34. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
1817-9908
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6532
004.428.4:519.651
Рассматриваются вопросы существования, единственности и построения интерполяционных полиномов функции многих переменных.
Розглядаються питання існування, єдиності і побудови інтерполяційних поліномів функції багатьох змінних.
The issues of existence, uniqueness and construction of interpolation polynoms of functions of many-variables are considered in this article.
ru
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
Линейное интерполирование функций многих переменных
Linear interpolation of functions of many-variables
Article
published earlier
spellingShingle Линейное интерполирование функций многих переменных
Каленчук-Порханова, А.А.
Фесун, Т.М.
title Линейное интерполирование функций многих переменных
title_alt Linear interpolation of functions of many-variables
title_full Линейное интерполирование функций многих переменных
title_fullStr Линейное интерполирование функций многих переменных
title_full_unstemmed Линейное интерполирование функций многих переменных
title_short Линейное интерполирование функций многих переменных
title_sort линейное интерполирование функций многих переменных
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6532
work_keys_str_mv AT kalenčukporhanovaaa lineinoeinterpolirovaniefunkciimnogihperemennyh
AT fesuntm lineinoeinterpolirovaniefunkciimnogihperemennyh
AT kalenčukporhanovaaa linearinterpolationoffunctionsofmanyvariables
AT fesuntm linearinterpolationoffunctionsofmanyvariables