对于以下5个数据点(0,1),(0.75,0.816),(1,0.728),(2,0.733),(4,0.864)。用拉格朗日插值法求出该2次插值多项式(取3个点)。用拉格朗日余项估计该两次插值多项式中的插值误差?写下计算过程。
时间: 2023-09-23 10:11:06 浏览: 73
拉格朗日插值法是一种基于多项式的插值方法,可以通过已知数据点构造一个多项式函数来逼近未知函数,在这个问题中,我们需要构造一个二次多项式函数来逼近给定的5个数据点。
首先,我们需要选择3个数据点来构造二次插值多项式。为了使插值多项式更加准确,我们可以选择距离目标点最近的3个数据点。假设我们选择的3个数据点分别为(0.75,0.816),(1,0.728)和(2,0.733),则插值多项式可以表示为:
$$
P_2(x) = 0.816\frac{(x-1)(x-2)}{(0.75-1)(0.75-2)} + 0.728\frac{(x-0.75)(x-2)}{(1-0.75)(1-2)} + 0.733\frac{(x-0.75)(x-1)}{(2-0.75)(2-1)}
$$
化简后得到:
$$
P_2(x) = -0.416x^2 + 2.301x - 1.104
$$
接下来,我们需要使用拉格朗日余项来估计插值误差。拉格朗日余项公式如下:
$$
R_n(x) = \frac{f^{(n+1)}(\xi(x))}{(n+1)!}\prod_{i=0}^n(x-x_i)
$$
其中,$f^{(n+1)}(\xi(x))$ 表示原函数在区间 $[x_0,x_n]$ 上的 $(n+1)$ 阶导数,$\xi(x)$ 是区间 $[x_0,x_n]$ 上的某个点。
在这个问题中,我们需要计算二次插值多项式 $P_2(x)$ 在 $x=4$ 处的插值误差。由于我们选择的3个数据点距离目标点较远,因此估计误差可能会比较大。根据拉格朗日余项公式,我们需要计算 $P_2(x)$ 在 $[0.75,2]$ 区间内的二阶导数。由于 $P_2(x)$ 是一个二次函数,其二阶导数为常数 $-0.416$,因此可以将该值代入公式计算余项:
$$
R_2(4) = \frac{f^{(3)}(\xi(4))}{3!}\prod_{i=0}^2(4-x_i)
$$
由于 $\xi(4)$ 未知,我们无法直接计算 $f^{(3)}(\xi(4))$。不过,我们可以利用中值定理来估计 $f^{(3)}(\xi(4))$ 的取值。具体来说,我们可以选择一个介于 $[0.75,2]$ 区间的点 $\xi$,使得 $f^{(3)}(\xi)$ 等于 $P_2(x)$ 在 $[0.75,2]$ 区间内的三阶导数。由于 $P_2(x)$ 是一个二次函数,其三阶导数为零,因此我们可以任选一个点 $\xi$,比如取 $\xi=1.375$,则有:
$$
f^{(3)}(\xi) = P_2^{(3)}(\xi) = 0
$$
将上述结果代入拉格朗日余项公式,得到:
$$
R_2(4) = \frac{f^{(3)}(\xi)}{3!}\prod_{i=0}^2(4-x_i) = 0
$$
因此,利用拉格朗日插值法得到的二次插值多项式 $P_2(x)$ 在 $x=4$ 处的插值误差为零。这意味着,$P_2(x)$ 可以完美地拟合原函数在 $x=4$ 处的取值。
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