background image

Uwaga. Je eli wprowadzimy oznaczenie 

)

(

0

ih

x

f

y

i

+

=

,  dla 

n

i

...,

,

2

,

1

=

, to  

.

)

1

(

0

j

k

i

k

j

j

i

k

y

j

k

y

+

=

=

 

 

Wzory interpolacyjne Newtona – pierwszy wzór interpolacyjny. 

 

Załó my,  e 

.

0

1

h

x

x

N

n

h

i

i

=

>

 Wówczas 

.

0

h

i

x

x

N

i

i

+

=

 Przyjmijmy oznaczenie 

.

0

h

x

x

q

=

 We my pod uwag  nast puj cy układ funkcji bazowych 

).

1

)....(

2

)(

1

(

)

(

...,

),

1

(

)

(

,

)

(

,

1

)

(

2

1

0

+

=

Φ

=

Φ

=

Φ

=

Φ

n

q

q

q

q

x

q

q

x

q

x

x

n

  

Wówczas wielomian interpolacyjny w mo na zapisa  w postaci: 

=

+

+

+

+

+

=

Φ

=

n

i

n

i

i

n

q

q

q

b

q

q

b

q

b

b

x

b

x

w

R

x

0

).

1

(

...

)

1

(

...

)

1

(

)

(

)

(

2

1

0

 

Poniewa  dla  

0

x

x

=    

,

0

0

0

=

=

h

x

x

q

 

 

 

1

x

x

=    

,

1

0

1

=

=

=

h

h

h

x

x

q

 

2

x

x

=    

,

2

2

0

2

=

=

=

h

h

h

x

x

q

   

……………………………….   

n

x

x

=    

,

0

n

h

nh

h

x

x

q

n

=

=

=

   

wi c współczynniki wielomianu interpolacyjnego w mo na wyznaczy  rozwi zuj c układ równa :  

 

=

+

+

+

+

+

=

=

+

+

=

=

+

=

=

=

n

n

n

y

b

n

b

n

n

n

b

n

n

na

b

x

w

y

b

b

b

x

w

y

b

b

x

w

y

b

x

w

!

....

)

2

)(

1

(

)

1

(

)

(

...

..........

..........

..........

..........

..........

..........

..........

..........

..........

..........

2

2

)

(

)

(

)

(

3

2

1

0

2

2

1

0

2

1

1

0

1

0

0

0

 

 

Z układu tego wynika,  e 

=

=

=

=

=

=

=

=

]

[

2

1

]

)

[(

2

1

)

2

(

2

1

,

,

0

1

1

0

1

2

0

1

2

2

0

0

1

0

1

1

0

0

y

y

b

b

b

y

b

b

y

b

y

y

y

b

y

b

y

b

,

!

2

0

2

y

=

  itd.  

Zatem 

.

!

)

(

0

n

y

b

n

P

i

i

n

=

 St d wynika,  e pierwszy wzór interpolacyjny Newtona ma posta :  

).

1

(

...

)

1

(

!

...

)

1

(

!

2

!

1

!

0

)

(

0

0

2

0

0

+

+

+

+

+

=

n

q

q

q

n

y

q

q

y

q

y

y

x

w

n

 

 

Algorytm obliczania warto ci funkcji za pomoc  wielomianu interpolacyjnego Newtona  

 

Dane: n - całkowite, h, x

0

, q – rzeczywiste, y[n] – wektor 

Podaj warto ci  n, x

0

, h, x 

od  i = 0  do n  podaj warto ci  

0

i

 

od  i = 1  do  n  

 

od  j = 0  do  n-i  wykonuj  

 

 

1

,

1

,

1

+

=

i

j

i

j

ji

y

y

y

   

tablica ró nic sko czonych 

background image

h

x

x

q

0

=

 

od  i = 0  do n wykonuj 
 

i

i

y

b

0

=

 

 

od  j = 0  do  n  wykonuj  

 

 

)

(

1

j

q

j

b

b

i

i

+

=

 

w = 0 

od  i = 0  do  n wykonuj  
 

i

b

w

w

+

=

 

Drukuj w. 

 

Numeryczne całkowanie funkcji. 

 

Numeryczne obliczanie warto ci całki  

b

a

dx

x

)

(

  polega na poszukiwaniu jej warto ci w postaci 

kombinacji liniowej warto ci funkcji podcałkowej f(x) i jej pochodnych do pewnego ustalonego rz du 

wł cznie w ustalonych punktach w złowych. 
 

Niech 

,

,

N

m

n

R

R

b

a

f

]

,

[

:

 b dzie funkcj  klasy 

])

,

([ b

a

C

m

, za  

)

(

)

(

n

P

k

m

P

i

 

]

,

b

a

x

ik

  ustalonymi punktami. Szukamy takich liczb 

ik

  dla i =1,2,…,m;  

k =0,1,…,n,   aby  

=

=

=

b

a

n

m

ik

i

ik

k

i

x

f

A

f

Q

dx

x

f

.)

(

)

(

)

(

0

1

)

1

(

 

Def. Powy sze przedstawienie warto ci całki nazywamy kwadratur  liniow , liczby 

ik

 nazywamy 

współczynnikami kwadratury za  punkty 

ik

 nazywamy w złami kwadratury. 

 

 

Rozwa amy zadanie polegaj ce na takim doborze warto ci współczynników i w złów, aby 

kwadratura była dokładna w przypadku, gdy funkcj   f  jest wielomian okre lonego stopnia. 

 

 

Rozwa ymy obecnie przypadek, gdy znane s  jedynie warto ci funkcji  f  w w złach 

.

,

...

,

,

1

0

n

x

x

x

 Załó my,  e w zły s  uporz dkowane rosn co i s  parami ró ne, tzn. 

.

...

1

0

n

x

x

x

<

<

<

 

Rozwa ana kwadratura ma zatem posta : 

=

=

n

k

k

k

x

f

A

f

Q

0

).

(

)

(

 

Def. Mówimy,  e kwadratura Q jest rz du 

N

r

∈ , je li dla dowolnego wielomianu   stopnia 

mniejszego od 

r

:  

=

b

a

dx

x

w

w

Q

)

(

)

(

  oraz istnieje wielomian   stopnia 

r

 taki,  e 

b

a

dx

x

w

w

Q

.

)

(

)

(

 

 

Kwadratury Newtona – Cotesa. 

Def. Kwadraturami Newtona – Cotesa przybli aj cymi warto  całki 

b

a

dx

x

)

(

 nazywamy kwadratury 

otrzymane poprzez zast pienie funkcji podcałkowej jej wielomianem interpolacyjnym Lagrange’a 

opartym na równoodległych w złach  

.

,

)

(

n

a

b

h

h

i

a

x

n

P

i

i

=

+

=

  

W tym przypadku  

=

b

a

n

dx

x

L

f

Q

.

)

(

)

(

 

Przypomnijmy,  e po wprowadzeniu oznaczenia  

h

t

a

x

+

=

  wielomian L

n

  mo na zapisa  w postaci: 

,

)

(

)

(

0

0

=

=

=

+

n

i

n

i

i

j

j

j

i

j

t

x

f

th

a

L

  gdzie 

.

,

)

(

n

a

b

h

h

i

a

x

n

P

i

i

=

+

=

 

background image

Zatem w tym przypadku  

,)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

0

0

0

0

0

0

0

0

=

=

=

=

=

=

=

=

=

+

=

=

n

i

i

n

n n

i

n

b

a

n

i

b

a

n

n

j

i

j

i

i

i

i

j

j

i

i

j

j

i

i

j

j

x

f

A

dt

h

j

i

j

t

x

f

th

a

d

j

i

j

t

x

f

dx

x

x

x

x

x

f

f

Q

gdzie   (*)  

=

=

n

n

i

dt

j

i

j

t

h

A

i

j

j

0

.

0

 

Lemat.  

.

)

(

i

n

i

A

A

n

P

i

=

 

 

Przykłady najprostszych kwadratur Newtona – Cotesa. 

1.

  Dla  

0

=

n

  

=

b

a

a

f

h

f

Q

dx

x

f

)

(

)

(

)

(

. Ten sposób obliczania całki nosi nazw  metody 

prostok tów.  

Twierdzenie. Je eli f jest funkcj  klasy 

])

,

([

1

b

a

C

, to bł d metody prostok tów wynosi 

).

,

(

,

)

(

2

)

(

)

(

2

b

a

gdzie

f

a

b

f

R

=

ξ

ξ

 

Wzór ten mo emy zastosowa  w ka dym z przedziałów 

]

,

[

1

+

i

i

x

x

  dla  i = 0,1,…,n-1. 

Otrzymamy wówczas,  e 

.

)

(

)

(

1

0

=

=

n

i

i

h

x

f

f

Q

  

2.

  Dla  n = 1  w złami kwadratury s  kra ce przedziału całkowania. Ze wzoru  (*) obliczamy 

współczynniki kwadratury  

=

+

=

=

1

0

1

0

2

0

,

2

]

2

[

)

(

1

0

1

)

(

a

b

t

t

a

b

dt

t

a

b

A

 

.

2

]

2

[

)

(

0

1

0

)

(

1

0

2

1

0

1

a

b

t

a

b

dt

t

a

b

A

=

=

=

 Kwadratura N – C dla n = 1  ma wi c posta : 

=

+

=

=

1

0

)).

(

)

(

(

2

)

(

)

(

i

i

i

b

f

a

f

a

b

x

f

A

f

Q

 Ten sposób obliczania całki nosi nazw  metody 

trapezów.  

Twierdzenie. Je eli 

]),

,

([

2

b

a

C

f

 to bł d metody trapezów wyra a si  wzorem 

).

,

(

,

)

(

12

)

(

)

(

3

b

a

gdzie

f

a

b

f

R

′′

=

ξ

ξ

 

 

Wzór ten mo emy zastosowa  w ka dym z przedziałów 

]

,

[

1

+

i

i

x

x

  dla  i = 0,1,…,n

−1. 

Otrzymamy wówczas,  e 

(

)

.

...

2

)

(

)

(

2

)

(

1

1

0

1

1

1

0

+

+

+

+

=

+

=

+

=

n

n

n

i

i

i

i

y

y

y

y

h

x

f

x

f

x

x

f

Q

i

 

3.

  Dla n = 2  w złami kwadratury s   

.

,

2

,

2

1

0

b

x

b

a

x

a

x

=

+

=

=

 Ze wzoru (*) wynika,  e 

współczynniki kwadratury w tym przypadku s  równe odpowiednio 

,

6

4

2

12

3

8

4

2

2

3

3

4

)

2

0

)(

1

0

(

)

2

)(

1

(

2

2

0

2

3

2

0

0

a

b

a

b

t

t

t

a

b

dt

t

t

a

b

A

=

+

=

+

=

=

 

,

6

)

(

4

)

2

1

)(

0

1

(

)

2

)(

0

(

2

2

0

1

a

b

dt

t

t

a

b

A

=

=

   

.

0

2

A

A

=

 

Otrzymana w tym przypadku kwadratura ma posta  

)

4

(

6

)

(

)

2

(

4

)

(

6

)

(

2

1

0

y

y

y

a

b

b

f

b

a

f

a

f

a

b

f

Q

+

+

=

+

+

+

=

 i nazywana jest wzorem 

parabol lub wzorem Simpsona.  

background image

Twierdzenie. Rz d metody Simpsona wynosi 4. Ponadto, je eli 

]),

,

([

4

b

a

C

f

 to bł d metody 

Simpsona wyra a si  wzorem 

).

,

(

,

)

(

2

90

1

)

(

)

4

(

5

b

a

gdzie

f

a

b

f

R

=

ξ

ξ

 

Wzór ten mo emy zastosowa  w ka dym z przedziałów 

]

,

[

2

+

i

i

x

x

  dla  i = 0,1,…,2k

(oczywi cie, gdy  n = 2k  ). Otrzymamy wówczas,  e  

(

)

.

4

2

...

4

2

4

3

)

(

1

2

3

2

1

0

n

n

n

y

y

y

y

y

y

y

n

a

b

f

Q

+

+

+

+

+

+

+

=

  ( bo,  

h

n

a

b

=

2

 ) 

Bł dy poszczególnych metod dla w złów  

n

x

x

x

,

...

,

,

1

0

 wyra aj  si  wzorami: 

− dla metody prostok tów   

).

,

(

,

)

(

2

)

(

)

(

2

b

a

gdzie

f

n

a

b

f

R

=

ξ

ξ

 

− dla metody trapezów 

 

).

,

(

,

)

(

12

)

(

)

(

2

3

b

a

gdzie

f

n

a

b

f

R

′′

=

ξ

ξ

 

− dla metody Simpsona 

 

).

,

(

,

)

(

2

180

1

)

(

)

4

(

5

4

b

a

gdzie

f

a

b

n

f

R

=

ξ

ξ

 

Twierdzenie. Kwadratury Newtona – Cotesa  oparte na n+1 w złach s  rz du   n+2 dla n – parzystych, 

za  rz du  n+1  dla n – nieparzystych.  

 

Algorytmy dla poszczególnych metod:  

 

Metoda prostok tów 

Metoda trapezów 

Metoda Simpsona 

0

,

=

=

c

n

a

b

h

 

Dla  i = 0, 1, … , n-1 wykonuj 

 

x=a+ih 

 

c=c+f(x) 

Q(f)=hc 

2

)

(

)

(

,

b

f

a

f

c

n

a

b

h

+

=

=

 

Dla i = 1, 2, … , n-1 wykonuj 

 

x=a+ih 

 

c=c+f(x) 

Q(f)=hc 

1

),

(

)

(

,

=

+

=

=

p

b

f

a

f

c

n

a

b

h

 

Dla i = 1, 2, … , n-1 wykonuj  

 

x=a+ih 

 

je eli p = 1 to p:=0,  c:=c+4f(x) 

 

else   

p:=1, c:=c+2f(x) 

Q(f)=

3

hc

 

 

Numeryczne ró niczkowanie funkcji 

 
Niech f:[a,b]

→R b dzie funkcj  ró niczkowaln  na przedziale (a,b), 

],

,

[

,

...

,

,

1

0

b

a

x

x

x

n

 gdzie 

,

...

1

0

n

x

x

x

<

<

<

 za   

)

(

...,

),

(

),

(

1

1

0

0

n

n

x

f

y

x

f

y

x

f

y

=

=

=

  b d  znanymi warto ciami funkcji f. 

Szukamy warto ci i − tej pochodnej funkcji  f  w punkcie 

].

,

[

0

n

x

x

x

 Rozwi zanie tego problemu 

polega na interpolacji funkcji  f  na przedziale [a,b] wielomianem interpolacyjnym w, a nast pnie 

przyj ciu,  e warto  i – tej pochodnej funkcji  f  w punkcie x równa jest w przybli eniu warto ci i – tej 

pochodnej wielomianu w tym punkcie  

)

(

)

(

x

dx

w

d

x

dx

f

d

i

i

i

i

 dla 

].

,

[

0

n

x

x

x

 

 

Ró niczkowanie funkcji w oparciu o wielomian interpolacyjny Newtona 

 
Załó my,  e w zły 

n

x

x

x

,

...

,

,

1

0

 s  równoodległe tzn. 

.

)

(

0

0

h

k

x

x

n

P

k

h

k

+

=

>

 Oznaczmy 

przez  

h

x

x

q

0

=

  i  rozwa my pierwszy wzór interpolacyjny Newtona  

).

1

(

...

)

1

(

!

...

)

1

(

!

2

!

1

!

0

)

(

0

0

2

0

0

+

+

+

+

+

=

n

q

q

q

n

y

q

q

y

q

y

y

x

w

n

 

background image

Korzystaj c z reguł ró niczkowania funkcji zło onej otrzymamy,  e 

.

dx

dq

dq

dw

dx

dw

=

 Poniewa  

h

dx

dq

1

=

 

i  

...

!

3

2

6

3

!

2

1

2

2

0

3

0

2

0

+

+

+

+

=

q

q

y

q

y

y

dq

dw

, wi c 

.

...

!

3

2

6

3

!

2

1

2

1

)

(

)

(

]

,

[

2

0

3

0

2

0

0

+

+

+

+

=

q

q

y

q

y

y

h

x

dx

dw

x

dx

df

x

x

x

n

 

St d w szczególno ci otrzymamy,  e  

-  dla  q = 0    

,

...

!

3

2

!

2

1

)

(

)

(

0

3

0

2

0

0

0

+

+

=

y

y

y

h

x

dx

dw

x

dx

df

  

-  dla  q = 1    

,

...

!

3

!

2

1

)

(

)

(

0

3

0

2

0

1

1

+

+

=

y

y

y

h

x

dx

dw

x

dx

df

 

-  dla  q = 2    

.

...

!

3

2

!

2

3

1

)

(

)

(

0

3

0

2

0

2

2

+

+

+

=

y

y

y

h

x

dx

dw

x

dx

df

 

Powy sze wzory okre laj  warto ci pochodnych funkcji  f  w punktach w złowych. 

 

 

Rozwa my przypadek, gdy znane s  warto ci funkcji jedynie w trzech w złach równoodległych 

).

2

(

),

(

),

(

0

2

0

1

0

0

h

x

f

y

h

x

f

y

x

f

y

+

=

+

=

=

Stosuj c oznaczenie 

h

x

x

h

x

x

2

,

0

2

0

1

+

=

+

=

 

stwierdzamy,  e mo emy obliczy  jedynie dwie ró nice 

,

0

1

0

y

y

y

=

 oraz 

.

2

)

(

)

(

0

1

2

0

1

1

2

0

2

y

y

y

y

y

y

y

y

+

=

=

 W tym przypadku naturalnym jest pomini cie wyrazów 

zawieraj cych ró nice rz du wy szego ni  2. Otrzymamy zatem,  e 

,

!

2

1

2

)

2

(

1

)

(

)

(

]

,

[

0

1

2

0

1

0

+

+

=

q

y

y

y

y

y

h

x

dx

dw

x

dx

df

x

x

x

n

  

),

4

3

(

2

1

2

2

1

)

(

)

(

2

1

0

0

1

2

0

1

0

0

y

y

y

h

y

y

y

y

y

h

x

dx

dw

x

dx

df

+

=

+

=

 

),

(

2

1

2

2

1

)

(

)

(

0

2

0

1

2

0

1

1

1

y

y

h

y

y

y

y

y

h

x

dx

dw

x

dx

df

=

+

+

=

 

).

3

4

(

2

1

2

2

(

3

1

)

(

)

(

2

1

0

0

1

2

0

1

2

2

y

y

y

h

y

y

y

y

y

h

x

dx

dw

x

dx

df

+

=

+

+

=

 

 

Wyznaczanie pochodnej rz du drugiego 

 

Drugiego rz du pochodna wielomianu interpolacyjnego Newtona ma posta :  

,

1

)

(

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

dq

w

d

h

dx

dq

dq

w

d

dx

q

d

dq

dw

dx

dq

dq

w

d

dx

dq

dq

dw

dx

d

dx

w

d

=

=

+

=

=

  bo 

h

dx

dq

1

=

 i 

.

0

2

2

=

dx

q

d

St d 

otrzymamy,  e    

(

)

.

...

)

1

(

1

...

!

3

6

6

!

2

2

1

)

(

)

(

0

3

0

2

2

0

3

0

2

2

2

2

+

+

=

+

+

=

′′

y

q

y

h

y

q

y

h

x

dx

w

d

x

f

  

Wstawiaj c kolejno warto ci  

,

2

,

1

,

0

=

=

=

q

q

q

 otrzymamy warto ci pochodnej rz du drugiego w 

w złach  

),

...

(

1

)

(

)

(

0

3

0

2

2

0

0

+

=

′′

′′

y

y

h

x

w

x

f

  

),

...

(

1

)

(

)

(

0

2

2

1

1

+

=

′′

′′

y

h

x

w

x

f

  

).

...

(

1

)

(

)

(

0

3

0

2

2

2

2

+

+

=

′′

′′

y

y

h

x

w

x

f

 

 

Przy znajomo ci warto ci funkcji tylko w trzech w złach, istnieje mo liwo  obliczenia 

pochodnej rz du drugiego funkcji  f  jedynie w w le 

1

:    

(

)

.

2

1

)

(

0

1

2

2

1

y

y

y

h

x

f

+

′′

  

background image

W pozostałych w złach otrzymaliby my ten sam wynik, który niewiele ma wspólnego z 
rzeczywisto ci .  

Znaj c warto ci funkcji w czterech w złach, mo emy sensownie oblicza  warto ci pochodnej 

we wszystkich w złach. I tak np:   

(

)

,

4

5

2

1

)

(

3

2

1

0

2

0

y

y

y

y

h

x

f

+

′′

  

(

)

,

2

2

1

)

(

2

1

2

1

y

y

h

x

f

+

′′

  

(

)

.

2

1

)

(

3

0

1

2

2

y

y

y

h

x

f

+

′′

  

 

Uwaga: Mo na pokaza ,  e bł dy metod interpolacyjnych s  proporcjonalne do warto ci kroku h
natomiast bł dy zaokr gle  s  odwrotnie proporcjonalne do warto ci  ,

k

 gdzie  k jest maksymalnym 

wykładnikiem we wzorze interpolacyjnym. Zatem zmniejszanie kroku h powoduje z jednej strony 
zmniejszanie bł du interpolacji, a z drugiej strony bł dy zaokr glenia powi kszaj  si . Zatem w 
przypadku, gdy mamy mo liwo  liczy  warto ci funkcji w dowolnym punkcie, nie nale y przesadza  
ze zmniejszaniem warto ci kroku h