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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) 与 f(x) 在 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)

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

Pn(x)=f(x0)+∑k=1nf(k)(x0)k!(x−x0)k

余项 ​

若 f(n+1) 在 [x0,00x] 或 [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)!(x−x0)n+1

其中 ξ 位于 x0 和 x 之间(不包括)。

证

构造辅助函数

φ(t)=Rn(t)−Rn(x)(x−x0)n+1(t−x0)n+1

则 φ(t)=000 在 t=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 x0 和 x 之间(不包括),使得

φ(n+1)(ξ)=0Rn(n+1)(ξ)−Rn(x)(x0−x)n+1⋅(n+1)!=0Rn(x)=f(n+1)(ξ)(n+1)!(x−x0)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)

设 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(x−00x1)2(ax+00b)。再代入 α0(x0)=001,00α0(x0)=000 有

{α0(x0)=(x0−x1)2(ax0+b)=1α0′(x0)=2(x0−x1)(ax0+b)+a(x0−x1)2=0

解得

{a=−2(x0−x1)3b=1(x0−x1)2+2x0(x0−x1)3

故

α0(x)=(x−x1)2(ax+b)=(x−x1)2[−2(x0−x1)3x+1(x0−x1)2+2x0(x0−x1)3]=(x−x1x0−x1)2(1+2x0x0−x1−2xx0−x1)=(x−x1x0−x1)2(1+2x−x0x1−x0)=ℓ02(x)[1+2ℓ1(x)]

类似地,有

α1(x)=(x−x0x1−x0)2(1+2x−x1x0−x1)=ℓ12(x)[1+2ℓ0(x)]β0(x)=(x−x0)(x−x1x0−x1)2=(x−x0)ℓ02(x)β1(x)=(x−x1)(x−x0x1−x0)2=(x−x1)ℓ12(x)

即

H3(x)=f(x0)⋅ℓ02(x)[1+2ℓ1(x)]+f(x1)⋅ℓ12(x)[1+2ℓ0(x)]+f′(x0)⋅(x−x0)ℓ02(x)+f′(x1)⋅(x−x1)ℓ12(x)

余项 ​

若 f(4)(x) 在 [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!(x−x0)2(x−x1)2,ξ∈(x0,x1)
证

任取 x^∈(x0,00x1),构造辅助函数

φ(t)=R3(t)−R3(x^)(x^−x0)2(x^−x1)2(t−x0)2(t−x1)2

则 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。