分段三次插值

用函数来表示变量间的数量关系广泛应用于各学科领域，但是在实际问题中，往往是通过实验、观测以及计算等方法，得到的是函数在一些点上的函数值。如何通过这些离散数据找到函数的一个满足精度要求且便于使用的近似表达式，是经常遇到的问题。对于这类问题我们解决的方法为插值法，而最常用也最简单的插值方法就是多项式插值。当然用插值法得到的近似表达式必须满足插值条件即假设给定了n+1个点的自变量的值以及函数值，近似函数必须要过这n+1个点。多项式插值，从几何角度看，就是寻求n次代数曲线y=Pn(x)通过n+1个点作为f(x)的近似。但是随着插值节点个数的增加，高次插值多项式的近似效果并不理想。根据大量实验得出，在进行高次多项式插值时，会出现龙格现象。因此，为了解决这样的一个问题，我们可以通过缩小插值区间的办法达到减小误差的目的。但是当在每个小区间上用一次函数进行插值时，有很好的收敛性但是光滑度不够，因此本实验将用三次Hermite进行插值，做具体的讨论和学习。关键词：龙格现象分段差值三次Hermite进行插值1、 实验目的通过对分段三次Hermite插值算法程序的编写，提高自己编写程序的能力体会分段三次Hermite插值比分段线性插值优越在哪里用实验报告的形式展现，提高自己在写论文方面的能力2、 算法流程分段线性插值多项式S(x)在插值区间\a.b]±只能保证连续性，而不光滑。要想得到在插值区间上光滑的分段线性插值多项式，可采用分段埃尔米特(Hermite)插值，这里我们考虑在整个I。,用上用分段三次埃尔米特插值多项式来逼近f(x)。一般的将带有导数的插值多项式称为Hermite插值多项式。如果已知函数y=f(x)在节点a=X。v*1v?v=b处的函数的值和导数值：yt==f'(xi),i=0,1,2,?,“则在小区间氏」1，刈上有四个插值条件：yi-i=「(豹-1)山=/3)羌一1=广(羽-1)必'=广(豹)故能构造一个三次多项式〃心),并称为三次Hermite插值多项式。这时在整个力］上可以用分段三次Hermite插值多项式来逼近/'(x)。H}(x\xe[x0,x1：H(x)=H2(x)fxe[xltx2H(x)=其中HQ)"[&_i西]满足条件：乩(豹_i)=f'(xf-J=y,_!，//,(%,)=f(xf)=y(=f\xi_i)=y'i_MO=/(xz)=y'i关于仇(x)的构造，我们可以通过基函数来进行，这时令Kx)=y_的一13)+y的3)+乂一1也一13)+饥仇3)其中(p—i(x)、(pi(x)、站一i(x)和也(x)均为三次多项式，并称为三次Hermite插值多项式的基函数。对上式两边关于x求导，得到H'q)="1拭-13)+贝饥3)+E-iW—iO)+«优3)则由插值条件可以分别给出基函数满足的条件：1 =1,佝(x」i)=0,i/a.1(x1_1)=0,也(豹_1)=0(Pi~1(妇=0,啊(妇=VPi-i(妇=。,也(孕)=0"i(")=o航(孕一J=0,"—iG「i)=tvAfe-i)=o拭—13)=。，况(豹)=o加-i(&)=1,况3)=1下面具体求解基函数妇(X)、"X)、W」i(x)和仇(X)。由上面的条件的第一列可以得到饥-l(x)满足条件：0」1(阳_1)=1,口_1(孙)=0,拭_1(勤_1)=0,0—1(狼)=0(1)由上式中的第二、第四个条件可知饥-13)应该具有形式(pt-i(x)=(x-%i)2(ax4-h)(2)这时况-13)=2(%-%,)(ax4-幻4-a(x-xf)2(3)再由(1)式中的第一、第三个条件分别带入(2)式(3)式得到h^axt_1+b)=1一2hz(axf_1+b)+aht2=0I解此线性方程组得到2 1 2Xi-!将a、b代入(2)式得到(2 1 2x」i\ %-%,_!(x-Xj)2饥•_1(%)=(%-xJ + =(1+2—-—)———\hi3h，CI 山妒类似地有X-%,-1(X-&)2的(x)=(1-2—-—)———1也-13)=萨3-豹-1)(X-妇21也(X)=萨(X-豹)(x-豹_1)2因此将得到

血+血+2(x-Xj，!)](%-%i)2[hi-2(x-Xf)](%-x(-1)2M(x)= y+ yf(Xf・1)(%-妇2, 0_豹)(％_*])2+ y『i+ Vi这样，便求出了分段三次Hermite插值多项式：Hi(x),xe[x0,xlzH(x)=如3),乂£[%b%2H(x)=??????3、数值算例已知下列的条件Xi1223y'i1-1通过分段三次Hermite插值法，求解当x=1.5时的y值。解：具体的程序如下所示：#include，zstdafx.h〃floatHermite(floatx[],floaty[],floatz[],floatxl,intlen)(inti=0;floats=0;floath=0;floatLl=0;floatL2=0;floatL3=0;floatL4=0;for(i=0;i<len-l;i++)(if(xl>=x[i]&&xl<x[i+l])break;)i=i+l;h=x[i]-x[i-l];L1二(h+2*(xl-x[i-l]))*(xl-x[i])*(xl-x[i])/(h*h*h);L2二(h+2*(xl-x[i]))*(xl-x[i-l])*(xl-x[i-l])/(h*h*h);L3二(xl-x[i-l])*(xl-x[i])*(xl-x[i])/(h*h);L4=(xl-x[i-l])*(xl-x[i-l])*(xl-x[i])/(h*h);s=Ll*y[iT]+L2*y[i]+L3*z[iT]+L4*z[i];returns;)floatHermite(floatx[],floaty[],floatxl,intlen);voidmainO(floatx[]={l,2);floaty□={2,3);floatz[]={l,-1);intlen=sizeof(x)/sizeof(x[0]);floatxl=0;floats=0;printf(，z请输入要求解的xl的值:\n〃)；scanf(〃%f〃,&xl);s=Hermite(x,y,z,xl,len);printfC经过分段三次Hermite插值的结果为：\