數(shù)值計算方法地學(xué)

數(shù)值計算方法地學(xué)第1頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月所謂函數(shù)逼近是求一個簡單的函數(shù),例如是一個低次多項式,不要求通過已知的這n＋1個點(diǎn),而是要求在整體上“盡量好”的逼近原函數(shù)。這時,在每個已知點(diǎn)上就會有誤差,函數(shù)逼近就是從整體上使誤差盡量的小一些。2.數(shù)學(xué)描述“對函數(shù)類A中給定的函數(shù)，要求在另一類較簡單的便于計算的函數(shù)類B中，求函數(shù)，使與之差在某種度量意義下最小?！钡?頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第3頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月函數(shù)類A通常是區(qū)間上的連續(xù)函數(shù)，記作；函數(shù)類B通常是代數(shù)多項式，分式有理函數(shù)或三角多項式。區(qū)間上的所有實連續(xù)函數(shù)組成一個空間，記作。的范數(shù)定義為:稱其為—范數(shù)，它滿足范數(shù)的三個性質(zhì)：

I），當(dāng)且僅當(dāng)時才有；

II）對任意成立，為任意實數(shù)；

III）對任意，有

第4頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月度量標(biāo)準(zhǔn)最常用的有兩種，一種是在這種度量意義下的函數(shù)逼近稱為一致逼近或均勻逼近；

另一種度量標(biāo)準(zhǔn)是

用這種度量的函數(shù)逼近稱為均方逼近或平方逼近。這里符號及是范數(shù)。本章主要研究在這兩種度量標(biāo)準(zhǔn)下用代數(shù)多項式逼近。第5頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月3.維爾斯特拉斯定理用一致逼近,首先要解決存在性問題，即對上的連續(xù)函數(shù),是否存在多項式一致收斂于？維爾斯特拉斯（Weierstrass）給出了下面定理：定理1設(shè)，則對任何,總存在一個代數(shù)多項式，使在上一致成立。

證明：略。（伯恩斯坦構(gòu)造性證明）

第6頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月假定函數(shù)的定義區(qū)間是[0,1],可通過線性代換:

把映射到。對給定的，構(gòu)造伯恩斯坦多項式,此為n次多項式:其中，且

這不但證明了定理1，而且給出了的一個逼近多項式。多項式有良好的逼近性質(zhì)，但它收斂太慢，比三次樣條逼近效果差得多，實際中很少被使用。

第7頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月§2最佳一致逼近多項式

2-1最佳一致逼近多項式的存在性切比雪夫從另一觀點(diǎn)研究一致逼近問題，他不讓多項式次數(shù)n趨于無窮，而是固定n，記次數(shù)小于等于n的多項式集合為,顯然。記是上一組線性無關(guān)的函數(shù)組，是中的一組基。中的元素可表示為其中為任意實數(shù)。要在中求逼近，使其誤差第8頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

這就是通常所謂最佳一致逼近或切比雪夫逼近問題。

第9頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月為了說明這一概念，先給出以下定義。定義1，稱為在上的偏差。

顯然的全體組成一個集合，記為,它有下界0。若記集合的下確界為則稱之為在上最小偏差。第10頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月定義2假定，若存在則稱是在上的最佳一致逼近多項式或最小偏差逼近多項式，簡稱最佳逼近多項式。注意，定義并未說明最佳逼近多項式是否存在，但可證明下面的存在定理。

定理2若,則總存在，使.證明略。第11頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月2-2切比雪夫定理為研究最佳逼近多項式的特性，先引進(jìn)偏差點(diǎn)定義。

定義3設(shè)，若在上有則稱是的偏差點(diǎn)。若，稱為“正”偏差點(diǎn)。

若，稱為“負(fù)”偏差點(diǎn)。由于函數(shù)在上連續(xù)，因此,至少存在一個點(diǎn)，使第12頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月也就是說的偏差點(diǎn)總是存在的。下面討論最佳逼近多項式的偏差點(diǎn)性質(zhì)。第13頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月定理3若是的最佳逼近多項式，則同時存在正負(fù)偏差點(diǎn)。證明:因是的最佳逼近多項式，故。由于在上總有偏差點(diǎn)存在,用反證法，無妨假定只有正偏差點(diǎn)，沒有負(fù)偏差點(diǎn)，于是對一切都有因在上連續(xù)，故有最小值大于，用表示，其中。于是對一切都有第14頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月故

，

即

.

它表示多項式與的偏差小于

,與是最小偏差的定義矛盾。同樣可證明只有負(fù)偏差點(diǎn)沒有正偏差點(diǎn)也是不成立的。

定理得證。

第15頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月下面給出反映最佳逼近多項式特征的切比雪夫定理。

定理4.是的最佳逼近多項式的充分必要條件是在上至少有n+2個輪流為“正”、“負(fù)”的偏差點(diǎn)，即有n+2個點(diǎn)，使，使

這樣的點(diǎn)組稱為切比雪夫交錯點(diǎn)組。

證明:只證充分性。假定在上有n+2個點(diǎn)使上式成立。要證明是在上的最佳逼近多項式。用反證法，若存在

第16頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月在點(diǎn)上的符號與一致，故也在n+2個點(diǎn)上輪流取“+”、“－”號。由連續(xù)函數(shù)性質(zhì)，它在內(nèi)有n+1個零點(diǎn)。但因是不超過n次的多項式，它的零點(diǎn)不超過n。這矛盾說明假設(shè)不對，故就是所求最佳逼近多項式。充分性得證。必要性證明較繁，思想類似定理3，此處略.

第17頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月定理4說明用逼近的誤差曲線是均勻分布的。由這定理可得以下重要推論。推論1若,則在中存在唯一的最佳逼近多項式。推論2若，則其最佳逼近多項式就是的一個拉格朗日插值多項式。證明

由定理4可知，在上要么恒為0，要么有n+2個輪流取“正”、“負(fù)”的偏差點(diǎn)，于是存在n+1個點(diǎn)，使。第18頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月以為插值節(jié)點(diǎn)的拉格朗日插值多項式就是。第19頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月2-3最佳一次逼近多項式定理4給出了最佳逼近多項式的特性，但要求出卻相當(dāng)困難。下面先討論n=1的情形。假定，且在內(nèi)不變號，求最佳一次逼近多項式。根據(jù)定理4可知至少有3個點(diǎn)，使第20頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月代入方程2，得這就得到最佳一次逼近多項式。幾何意義。第22頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第24頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月最佳一致逼近多項式定理4.充分必要條件是至少有n+2個輪流為“正”、“負(fù)”的偏差點(diǎn)第25頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月§3函數(shù)平方逼近用均方誤差最小作為度量標(biāo)準(zhǔn)，研究函數(shù)的逼近多項式，就是最佳平方逼近問題。若存在，使

就是在上的最佳平方逼近多項式.第26頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第27頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月由于是關(guān)于的二次函數(shù)，利用多元函數(shù)求極值的必要條件于是有

(內(nèi)積定義)第28頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月這是關(guān)于的線性方程組，稱為法方程，由于線性無關(guān)，故系數(shù)行列式，于是此方程組有唯一解，從而得到第29頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月定理5.在上線性無關(guān)的充分必要條件是它的克來姆（Gramer）行列式，其中證：在上線性無關(guān)，則由方程

知

第30頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月將此方程兩邊分別乘以之后再積分，便得到下列方程組：即

此齊次方程組只有零解，故其系數(shù)行列式的值一定不為0，即。反之，若，同樣對可經(jīng)過適當(dāng)變換得到在上線性無關(guān)。證畢第31頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月證明為最佳平方逼近函數(shù),即對任何，有

為此只考慮第32頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月由于的系數(shù)是方程的解，故從而上式第二個積分為0，于是這就證明了是在中的最佳平方逼近函數(shù)。

第33頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月若令，則平方誤差為由于

所以第34頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月若取，則要在中求n次最佳平方逼近多項式

若用H表示對應(yīng)的矩陣，即第35頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月此為希爾伯特（Hilbert）矩陣，記，則的解即為所求。

第36頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月例:設(shè)，求[0,1]上的一次最佳平方逼近多項式。解:利用公式得

方程組為解出

第37頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月平方誤差最大誤差

用做基，求最佳平方逼近多項式，當(dāng)n較大時，系數(shù)矩陣是高度病態(tài)的，求法方程的解，舍入誤差很大，這時要用正交多項式做基，才能求得最小平方逼近多項式。第38頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月§4正交多項式若首項系數(shù)的n次多項式,滿足就稱多項式序列，在[a,b]上帶權(quán)正交，并稱是[a,b]上帶權(quán)的n次正交多項式。

第39頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月構(gòu)造正交多項式的格拉姆－施密特（Gram-Schmidt）方法定理：按以下方式定義的多項式集合是區(qū)間[a,b]上關(guān)于權(quán)函數(shù)的正交函數(shù)族。

第40頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月例：求在［0，1］上的二次最佳平方逼近多項式。解：

構(gòu)造正交多項式

第41頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第42頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月最佳一致逼近:最佳平方逼近第43頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月4-1勒讓德多項式當(dāng)區(qū)間為［－1,1］，權(quán)函數(shù)時，由正交化得到的多項式就稱為勒讓德(Legendre)多項式，并用表示。是n次多項式，對其n次求導(dǎo)后得第44頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月首項的系數(shù)

顯然最高項系數(shù)為1的勒讓德多項式為

第45頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月勒讓德(Legendre)多項式具體表達(dá)式為第46頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月性質(zhì)1正交性證明：反復(fù)用分部積分公式，略。

性質(zhì)2奇偶性n為偶數(shù)時為偶函數(shù)，n為奇數(shù)時為奇函數(shù)。

性質(zhì)3遞推關(guān)系證明略。

第47頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月性質(zhì)4在所有最高項系數(shù)為1的n次多項式中，勒讓德多項式在［－1，1］上與零的平方誤差最小。證：設(shè)是任意一個最高項系數(shù)為1的多項式，可表示為于是

證畢。性質(zhì)5在區(qū)間［－1，1］內(nèi)有n個不同的實零點(diǎn)。

第48頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月4-2第一類切比雪夫（Chebyshev）多項式

當(dāng)區(qū)間為[-1,1]，權(quán)函數(shù)時，由序列正交化得到的正交多項式就是第一類切比雪夫（Chebyshev）多項式。它可表示為若令當(dāng)在[-1,1]上變化時，對應(yīng)的在［0，π］上變化，其可改寫成第49頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月具體表達(dá)式為是首項系數(shù)為的n次多項式。第50頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月性質(zhì)1遞推關(guān)系這只要由三角恒等式

性質(zhì)2最高項系數(shù)為1的對零的偏差最小。即在區(qū)間[-1,1]上所有最高項系數(shù)為1的一切n次多項式中，與零的偏差最小，偏差為其

第51頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第52頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月例：求在[-1,1]上的最佳2次逼近多項式。解：最佳逼近多項式應(yīng)滿足由性質(zhì)2知，當(dāng)即時，與零偏差最小，故就是在［-1,1］上的最佳2次逼近多項式。第53頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月性質(zhì)3切比雪夫多項式在區(qū)間[-1,1]上帶權(quán)正交，且第54頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月性質(zhì)4只含的偶次冪，只含的奇次冪.

性質(zhì)5在區(qū)間［-1，1］上有個n零點(diǎn)第55頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月可用的線性組合表示，其公式為具體表達(dá)式為

第56頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月4-3其他常用的正交多項式

一般說，如果區(qū)間[-1,1]及權(quán)函數(shù)不同,則得到的正交多項式也不同。除上述兩種最重要的正交多項式外，下面再給出三種較常用的正交多項式。1、第二類切比雪夫多項式在區(qū)間[-1,1]上帶權(quán)的正交多項式稱為第二類切比雪夫多項式，其表達(dá)式為第57頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月由，可得即是[-1,1]上帶權(quán)的正交多項式族，還可得到遞推關(guān)系式第58頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月2.拉蓋爾多項式

在區(qū)間上帶權(quán)的正交多項式稱為拉蓋爾（Laguerre）多項式，其表達(dá)式為

它也具有正交性質(zhì)

和遞推關(guān)系第59頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、埃爾米特多項式在區(qū)間上帶權(quán)的正交多項式稱為埃爾米特（Hermite）多項式，其表達(dá)式為它滿足正交關(guān)系并有遞推關(guān)系第60頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月4-4函數(shù)按正交多項式展開設(shè)，用正交多項式作基，求最佳平方逼近多項式由