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文檔簡介
第三章1函數(shù)逼近—正交多項(xiàng)式內(nèi)容提要2正交多項(xiàng)式正交函數(shù)族與正交多項(xiàng)式Legendre
正交多項(xiàng)式Chebyshev
正交多項(xiàng)式Chebyshev
插值第二類Chebyshev
正交多項(xiàng)式Laguerre
正交多項(xiàng)式Hermite
正交多項(xiàng)式正交函數(shù)族正交函數(shù)定義:設(shè)f(x),g(x)?
C[a,b],r
(x)是[a,b]上的權(quán)函數(shù),3若則稱f(x)與g(x)在[a,b]上帶權(quán)r
(x)正交ba(
f
,
g)
=r(
x)
f
(
x)
g(
x)dx
=
0正交函數(shù)族?
C[a,
b],定義:設(shè)函數(shù)j0(x),j1(x),…,jk(x),…r
(x)是[a,b]上的權(quán)函數(shù),若則稱{jk(x)}是[a,b]上帶權(quán)r
(x)的正交函數(shù)族正交函數(shù)族40,bjar(
x)ji(
x)j(ji
,j
j
)
=(
x)
dx
=i
?
j
A
?
0,
i
=
j
i若所有Ai
=1
,則稱為標(biāo)準(zhǔn)正交函數(shù)族正交函數(shù)舉例5例:三角函數(shù)系1,
cos
x,sin
x,cos
2x,sin
2x,…在[-p,p]上是帶權(quán)r
(x)=1
的正交函數(shù)族π-π(1, 1)
=dx
=
2π證:π-π(sin
nx,
sin
mx)
=
sin
nx
sin
mx
dx
=
π
dnmπ-π(cos
nx,
cos
mx)
=
cos
nx
cos
mx
dx
=
π
dnmπ-π(cos
nx,
sin
mx)
=
cos
nx
sin
mx
dx
=
0(m,
n
=
1,
2,
3,
…
)(m,
n
=
0,
1,
2,
…
)為[a,b]上帶權(quán)r
(x)正交,n稱j
(x)為n次正交多項(xiàng)式。正交多項(xiàng)式正交多項(xiàng)式定義:設(shè)jn(x)是首項(xiàng)系數(shù)不為0
的n
次多項(xiàng)式,r
(x)是[a,b]上的權(quán)函數(shù),若60,ba(ji
,j
j
)
=r(
x)ji
(
x)j
j
(
x)
dx
=i
?
j
A
?
0,
i
=
j
i則稱{}nj¥n=0正交多項(xiàng)式性質(zhì)1:設(shè)為[a,b]上帶權(quán)r
(x)正交多項(xiàng)式,Hn
為所有次數(shù)不超過n
的多項(xiàng)式組成的線性空間,則{
j0
(
x),
j1
(
x),
j2
(
x)
,
,
jn
(
x)
}構(gòu)成Hn
的一組基{
}nj¥n=0性質(zhì)2:設(shè)7為[a,b]上帶權(quán)r
(x)正交多項(xiàng)式,則對"p(x)?
Hn-1,有{
}nj¥n=0()bnnar(
x)
p(
x)p(
x),j
(
x)
=j
(
x)
dx
=0正交多項(xiàng)式為[a,b]上帶權(quán)r
(x)正交多項(xiàng)式,其中性質(zhì)3:設(shè){}nj¥n=0且首項(xiàng)系數(shù)均為1,則jn+1
(
x)
=
(
x
-an
)jn
(
x)
-
bnjn-1
(
x)n8n(jn
,jn
)a(jn
,jn
)(j
,j
)n-1
n-1=
(
xjn
,jn
)
,b
=n
=
0,
1,
2,
…證明:板書這就是正交多項(xiàng)式的三項(xiàng)遞推公式!所有首項(xiàng)系數(shù)為1
的正交多項(xiàng)式族都滿足這個(gè)公式,該公式也給出了正交多項(xiàng)式的一個(gè)計(jì)算方法。0-1j
=
0,
j
=
1,正交多項(xiàng)式為[a,b]上帶權(quán)r
(x)正交多項(xiàng)式,9性質(zhì)4:設(shè){}nj¥n=0則jn(x)在(a,b)內(nèi)有n
個(gè)不同的零點(diǎn)證明:板書正交多項(xiàng)式10幾類重要的正交多項(xiàng)式Legendre
多項(xiàng)式Chebyshev
多項(xiàng)式第二類Chebyshev
多項(xiàng)式Laguerre
多項(xiàng)式Hermite
多項(xiàng)式Legendre
多項(xiàng)式2n
n! 2n
(n!)2Pn
(x)的首項(xiàng)xn
的系數(shù)為:2n(2n
-
1)(n
+
1)
=(2n)!21dnnP0
(
x)
=
1,
Pn
(
x)
=
2n
n!
dxn
(
x
-
1)x?
[-1,
1],n
=
1,
2,
…記號:P0
,P1
,P2
,...2dnnnnn!(2n)!
dxP
(
x)
=(
x
-
1)則Pn
(x)是首項(xiàng)系數(shù)為1
的勒讓德多項(xiàng)式令勒讓德(Legendre)多項(xiàng)式在[-1,
1]
上帶權(quán)r
(x)=1
的正交多項(xiàng)式稱為勒讓德多項(xiàng)式11Legendre
多項(xiàng)式勒讓德多項(xiàng)式的性質(zhì)1-10,
m
?
n(1)
正交性:(Pn
,Pm
)=Pn
(
x)Pm
(
x)
dx
=
2
, m
=
n
2n
+
1(2)
奇偶性:P2n(x)只含偶次冪,P2n+1(x)只含奇次冪,故P
(-x)
=
(-1)n
P
(
x)n
n遞推公式:(n
+1)Pn+1
(x)=(2n
+1)x
Pn
(x)-nPn-1
(x)其中P0(x)=1,
P1(x)=x,n
=1,
2,…Pn(x)在(-1,1)
內(nèi)有n
個(gè)不同的零點(diǎn)12Legendre
多項(xiàng)式132P
(
x)
=
(3x2
-1)
/
23P
(
x)
=
(5
x3
-
3x)
/
24P
(
x)
=
(35
x4
-
30
x2
+
3)
/
85P
(
x)
=
(63x5
-
70
x3
+
15
x)
/
8ex31.m勒讓德多項(xiàng)式的表達(dá)式P0
(
x)
=
1P1
(
x)
=
x14Chebyshev
多項(xiàng)式r(
x)
=11
-
x2Tn
(
x
)
=
cos(n
arccos
x
)切比雪夫多項(xiàng)式的表達(dá)式x?
[-1,
1],n
=
0,
1,
2,
…令x
=cos
q,則Tn
(x)=cos(nq),展開后即得4n
2n
n
nn-2
2
4
n-4T
(
x)
=
cos
q
q
sin
q-
C
cos
+
C
cosq
sin
q
+=
xn
-
C
2
xn-2
(1
-
x2
)
+
C
4
xn-4
(1
-
x2
)2
+n
n切比雪夫(Chebyshev)多項(xiàng)式在[-1,
1]
上帶權(quán)r
(x)的正交多項(xiàng)式稱為切比雪夫多項(xiàng)式Chebyshev
多項(xiàng)式切比雪夫多項(xiàng)式的性質(zhì)12Tn
(
x)Tm
(
x)-1
0,(1)
正交性:(Tn
,Tm
)=dx
=
π
/
2,1
-
xm
?
nm
=
n
?
0
π,
m
=
n
=
0(2)
奇偶性:T2n(x)只含偶次冪,T2n+1(x)只含奇次冪,故T
(-x)
=
(-1)nT
(
x)n
n(3)
遞推公式:Tn+1
(x)=2xTn
(x)-Tn-1
(x)其中T0(x)=1,
T1(x)=x,n
=1,
2,…cos(n+1)q
+
cos(n-1)q
=
2cosq
cosnqx
=
cosq15Chebyshev
多項(xiàng)式(4)Tn(x)在(-1,1)
內(nèi)有n
個(gè)不同的零點(diǎn):k2nx
=
cos
2k
-
1
π
(k
=
1,
2,
…
,
n)(5)Tn(x)在[-1,
1]
上有n+1
個(gè)極值點(diǎn):k16n=
cos
kπx(k
=
0,
1,
…
,
n)(6)
Tn(x)的首項(xiàng)系數(shù)為2n-1,且|Tn(x)|
£
1切比雪夫多項(xiàng)式的性質(zhì)(續(xù))Chebyshev
多項(xiàng)式(7)令nT
(
x)n2n-1T
(
x)
=n即{T
(x)}為首項(xiàng)系數(shù)為1
的Chebyshev
多項(xiàng)式n-1£x£1
-1£x£1max
T
(
x)
£
max
p(
x)定理:記H
n
為所有次數(shù)不超過n
的首項(xiàng)系數(shù)為1的多項(xiàng)式集合,則對
"
p(
x)
?
H
n
有17且n12n-1-1£x£1max
T
(
x)
=切比雪夫多項(xiàng)式的性質(zhì)(續(xù))證明略Chebyshev
多項(xiàng)式n¥¥T
(
x)
£
p(
x)T
(
x)
是集合
H
中無窮范數(shù)最小的多項(xiàng)式n
n18n"
p(
x)
?
H注:這里的無窮范數(shù)是指C[-1,1]
上的無窮范數(shù)性質(zhì):設(shè)f(x)?
Hn,且首項(xiàng)系數(shù)為an?0,則f(x)在[-1,1]
上的n-1
次最佳一致逼近多項(xiàng)式為f
(
x)
-
anT
(
x)n證明:留作練習(xí)Chebyshev
多項(xiàng)式例:求f(x)=2x3+x2+2x-1在[-1,1]上的二次最佳一致逼近多項(xiàng)式。解:設(shè)p(x)是f(x)在[-1,1]上的二次最佳一致逼近多項(xiàng)式,則由前面的性質(zhì)可知3
3p(
x)
=
f
(
x)
-
a
T
(
x)3
2334x=
2x
+
x
+
2x
-
1
-
2x
-21972=
x
+x
-
1思考:如何計(jì)算f(x)在區(qū)間[a,b]上的最佳逼近多項(xiàng)式?Chebyshev多項(xiàng)式20T0
(
x)
=
1T1
(
x)
=
x2T
(
x)
=
2x2
-13T
(
x)
=
4
x3
-
3x4T
(
x)
=
8
x4
-
8
x2
+
15T
(
x)
=
16
x5
-
20
x3
+
5
x切比雪夫多項(xiàng)式的表達(dá)式ex32.mChebyshev零點(diǎn)插值以Chebyshev
多項(xiàng)式的零點(diǎn)作為插值節(jié)點(diǎn)進(jìn)行插值好處:所有插值多項(xiàng)式中,總體插值誤差最小kx
=cos
2k
+1
π
2(n+1)定理:設(shè)
f(x)?
Cn+1[-1,
1],插值節(jié)點(diǎn)
x0
,
x1
,
…
,
xn
為Tn+1
(x)的n+1
個(gè)零點(diǎn),則121nf
(
n+1)
(
x)¥¥f
(
x)
-
L
(
x)
£2n
(n
+
1)!用Chebyshev
多項(xiàng)式的零點(diǎn)插值注:此處原ppt
有誤!Chebyshev零點(diǎn)插值若f(x)?
Cn+1[a,b],怎么辦?x
=
b
-
a
t
+
b
+
a2
2作變量替換插值節(jié)點(diǎn)kx=
b
-
a
cos
2k
+
1
π
+
b
+
a2
2(n
+
1)
2(k
=
0,
1,
…
,
n)插值誤差122nf
(
x)(
n+1)2n+1¥¥(b
-
a)n+1f
(
x)
-
L
(
x)
£·2n
(n
+
1)!舉例例:(教材64頁,例
4)
求
在
[0,
1],上的四f
(
x)
=
ex次Chebyshev
插值多項(xiàng)式L4(x),并估計(jì)誤差。解:板書例:(教材65頁,例5,上機(jī)),插值區(qū)間[-5,5],試分別用等距節(jié)點(diǎn)和Chebyshev
節(jié)點(diǎn)作10次多項(xiàng)式插值,畫圖比較兩種插值的數(shù)值效果。ex33.m123函數(shù)f
(x)=1
+
x2其他正交多項(xiàng)式24其他正交多項(xiàng)式第二類Chebyshev
多項(xiàng)式Laguerre
多項(xiàng)式Hermite
多項(xiàng)式x?
[-1,
1],n
=
0,
1,
2,
…n第二類Chebyshev第二類Chebyshev
多項(xiàng)式U
(
x
)
=
sin
((n
+
1)
arccos
x
)1
-
x
2正交,即1-1(Un
,Um
)
=r(
x)Tn
(
x)Tm
(
x)
dx
=π
/
2,0,
m
?
nm
=
n遞推公式:Un+1
(x)=2xUn
(x)-Un-1
(x)其中U0(x)=1,
U1(x)=2x,n
=1,2,…在[-1,
1]
上帶權(quán)r(x)=251
-
x2Laguerre
多項(xiàng)式拉蓋爾(Laguerre)多項(xiàng)式x?
[0,
¥],n
=
0,
1,
2,
…xndndxn(
xne
-
x
)L
(
x
)
=
e2260(n!)
,¥(
Ln
,
Lm
)
=r(
x)Ln
(
x)Lm
(
x)
dx
=0,
m
?
nm
=
n其中L0(x)=1,
L1(x)=1
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