6.1. Feladatok
6.1.1. Az interpolációs polinom Lagrange- és Newton-alakja, hibája
1. Tekintsük azf(x) =√
x függvényt és az1,4,9alappontokat.
a) Írjuk fel az interpolációs polinom Lagrange-alakját!
b) Írjuk fel az interpolációs polinom Newton-alakját!
c) Közelítsükf(2) =√
2-t az interpolációs polinommal!
d) Becsüljük a hibát az x= 2pontban és az[1; 9] intervallumon!
2. Írjuk fel az(xi, yi) pontokon interpoláló polinom Newton-alakját!
xi −2 −1 0 1 2
yi −15 −4 −1 0 5
3. Határozzuk meg azf(x) = log2(x)függvényt az1,2,4 pontokban interpoláló polinomot (P).
Adjuk megf(3) közelítését P(3) segítségével és becsüljük a hibáját hibaformulával!
4. Határozzuk meg az f(x) = √
x+ 1 függvényt az 1,4,9 pontokban interpoláló polinomot.
Adjuk meg a hibabecslését az[1; 9]intervallumon!
5. Határozzuk meg az f(x) = 2x függvényt a −1,0,1,2 pontokban interpoláló polinomot (P).
Adjuk meg a√
2racionális közelítését P(12) segítségével és becsüljük a hibáját!
6. Határozzuk meg az f(x) = 3x függvényt a −1,0,1,2 pontokban interpoláló polinomot (P).
Adjuk meg a√
3racionális közelítését P(12) segítségével és becsüljük a hibáját!
7. Határozzuk meg azf(x) = cos(π·x)függvényt a 0, 13, 23,1pontokban interpoláló polinomot.
Adjuk meg azf(16)racionális közelítését a polinom segítségével és becsüljük a hibát a megadott pontban (hibaformulával)!
8. Határozzuk meg azf(x) = sin(π·x) függvényt a0, 16, 56,1 pontokban interpoláló polinomot.
Adjuk meg azf(13)racionális közelítését a polinom segítségével és becsüljük a hibát a megadott pontban (hibaformulával)!
9. Jelöljük P-vel az f(x) = x ·e−x függvényt a 0, 13, 23,1 pontokban interpoláló polinomot.
Lássuk be a polinom kiszámítása nélkül, hogy
f
1 2
−P 1
2
≤0,0015.
Vissza a tartalomhoz
10. Jelöljük P-vel azf(x) = x6 függvényt a 0, 25, 34,1 pontokban interpoláló polinomot. Lássuk be a polinom kiszámítása nélkül, hogy
f
1 2
−P 1
2
≤0,1.
11. Határozzuk meg azf(x) = sin(π2·x)függvényt a 0, 13, 53,2pontokban interpoláló polinomot.
Adjuk meg azf(23) =
√3
2 racionális közelítését a polinom segítségével és becsüljük a hibáját a megadott pontban és a[0; 2]intervallumon!
12. Határozzuk meg az f(x) = log2(x) függvényt az 1,2,4,8 pontokban interpoláló polinomot (P). Adjuk megf(3)közelítését P(3)segítségével és becsüljük a hibáját hibaformulával!
13. Igazoljuk, hogy haf ∈C2[a;b]ésP1 az aésb pontokban interpoláló polinom, akkor
|f(x)−P1(x)| ≤ M2
8 ·(b−a)2, aholM2=kf00k∞= max{|f00(x)|: x∈[a;b]}!
14. Az f(x) = cos(x) függvény [0;π]-beli értéktáblázatát szeretnénk elkészíteni. Adjuk meg a h lépésköz értékét, hogy milyen sűrűn tegyük a függvény értékeit a táblázatba, ha a táblázatban nem szereplő értékekre lineáris interpolációt alkalmazunk és azt szeretnénk, hogy a hiba 10−6-nál kisebb legyen!
15. Igazoljuk, hogy haf ∈Cn+1[a;b]ésPn az n-edfokú interpoláló interpolációs polinom, akkor
|f(x)−Pn(x)| ≤ Mn+1
4(n+ 1) ·hn+1, aholh= maxni=1|xi−xi−1|ésMn+1=kf(n+1)k∞!
16. Azf(x) = x+31 függvényt interpoláljuk az{x(n)0 , x(n)1 , . . . , x(n)n }különböző pontokból álló alap-pontrendszeren, ahol az alappontok kifeszítik a[0 ; 1] intervallumot, han→ ∞. Egyenletesen konvergál-e az interpolációs polinomok sorozata a függvényhez?
17. Azf(x) = x22x+5+5x+6 függvényt interpoláljuk az{x(n)0 , x(n)1 , . . . , x(n)n }különböző pontokból álló alappontrendszeren, ahol az alappontok kifeszítik a [0 ; 1] intervallumot, ha n→ ∞. Egyen-letesen konvergál-e az interpolációs polinomok sorozata a függvényhez?
18. AP polinom azx1, . . . , xn−1 pontokban interpoláljaf-et, aQpedig azx2, . . . , xnpontokban.
Igazoljuk, hogy
P(x) + x1−x
xn−x1 ·(P(x)−Q(x)) azx1, . . . , xn pontokban interpolálja f-et!
19. Jelöljük`k-val a Lagrange-alappolinomokat.
a) Igazoljuk, hogy∀x∈R: Pn
k=0`k(x) = 1.
b) Igazoljuk, hogy ∀x∈R: Pn
k=0xk·`k(x) =x.
c) Igazoljuk, hogy ∀x∈R: Pn
k=0(xk)n·`k(x) =xn.
20. Tekintsük a −1,0,1 alappontrendszert és az 1, x2, x4 függvényrendszert. Igazoljuk, hogy ál-talában nem létezik egy adott függvénynek a fenti függvényrendszer szerinti interpolációs polinomja!
21. Tegyük fel, hogyf(x) =anxn+. . .+a1x+a0 alakún-edfokú polinom. Tetszőlegesx0, . . . , xn különböző alappontok esetén mennyi lesz azf[x0, . . . , xn]osztott differencia értéke?
22. LegyenP egyn-edfokú polinom és x0, . . . , xk különböző alappontok. Igazoljuk, hogy
∀ k > n: f[x0, . . . , xk] = 0.
23. Közelítsük az f(x) = xn+1 függvényt az x0, . . . , xn alappontokra felírt interpolációs poli-nomjával! (A polinomot nem kell felírni.) Adjunk hibabecslést, majd ennek felhasználásával igazoljuk, hogy
f[x0, . . . , xn] =
n
X
i=0
xi.
24. Az x0 < x1 < x2 < x3 alappontokhoz tartozó Lagrange-alappolinomokat jelöljük `0, `1, `2, `3 -mal. Mutassuk meg, hogy
∀x∈[x1;x2] : `1(x) +`2(x)≥1.
25. Tekintsük aza≤x0 < . . . < xn≤bés a c≤y0< . . . < yk≤dalappontrendszert.
Legyenekf(xi, yj) adott függvényértékek (i= 0, . . . , n ésj= 0, . . . , k).
Jelöljük`(1)i (x)-szel az[a;b]-beli alappontokra felírt és `(2)j (y)-nal a[c;d]-beli alappontokra felírt Lagrange-alappolinomokat. Készítsük el az`ij(x, y) = `(1)i (x)·`(2)j (y) kétváltozós alap-polinomokat. Igazoljuk, hogy ekkor
P(x, y) =
n
X
i=0 n
X
j=0
f(xi, yj)·`ij(x, y) x-benn-edfokú, y-bank-adfokú kétváltozós interpolációs polinom.
6.1.2. Csebisev polinomok alkalmazása
26. Közelítsük az f(x) = sin(π2x), x ∈ [−1; 1] függvényt elsőfokú interpolációs polinommal, hogy a közelítés hibája minimális legyen a C[−1; 1] normában! Mik lesznek az alappontok és mekkora a hiba maximuma a megadott intervallumon?
27. Közelítsük azf(y) =y3−y, y∈[0; 2] függvényt másodfokú interpolációs polinommal, hogy a közelítés hibája minimális legyen aC[0; 2]normában! Mik lesznek az alappontok és mekkora a hiba maximuma a megadott intervallumon?
28. Közelítsük az f(y) = cos(y), y ∈ [−π2;π2] függvényt másodfokú interpolációs polinommal, hogy a közelítés hibája minimális legyen! Mik lesznek az alappontok és mekkora a hiba max-imuma a megadott intervallumon?
198 6. Polinom interpoláció 29. Tekintsük azf(y) = π2y+ sin(y), y∈[−π2; π2]függvényt.
a) Határozzuk meg a−π2,0, π2 pontokon interpoláló polinomot (P).
b) Becsüljük a hibáját a[−π2; π2]intervallumon!
c) Mennyi lenne az elérhető legkisebb hiba a megadott intervallumon, ha az alappontokat szabadon választhatnánk? Mik lennének az alappontok?
6.1.3. Inverz interpoláció
30. Az xk−1, xk pontokra támaszkodó inverz interpolációval közelítsük az f(x) = 0 egyenlet megoldását. Írjunk fel egy közelítést azxk+1-re!
31. Az x0, x1, x2 pontokra támaszkodó inverz interpolációval közelítsük az f(x) = 0 egyenlet megoldását. Írjunk fel egy közelítést azx3-ra!
32. Az inverz interpoláció elvét alkalmazzuk asin(π2·x) = 34 megoldására! A0, 13,1alappontokra felírt másodfokú inverz interpolációt használjuk. Számítsuk ki azx3 közelítő értéket!
33. Az inverz interpoláció elve segítségével azxk, f(xk), f0(xk)felhasználásával írjon fel egy iterá-ciós módszert azf(x) = 0egyenlet gyökének meghatározására.
6.2. Megoldások
6.2.1. Az interpolációs polinom Lagrange- és Newton-alakja, hibája
1. a) Az1,4,9 alappontokhoz tartozó Lagrange-alappolinomok a következők:
`0(x) = (x−4)(x−9) (1−4)(1−9) = 1
24(x−4)(x−9)
`1(x) = (x−1)(x−9) (4−1)(4−9) =− 1
15(x−1)(x−9)
`2(x) = (x−1)(x−4) (9−1)(9−4) = 1
40(x−1)(x−4).
Az1,4,9 alappontokhoz tartozó függvényértékek rendre1,2,3.
Ezt felhasználva a másodfokú interpolációs polinom Lagrange-alakja:
L2(x) = 1·`0(x) + 2·`1(x) + 3·`2(x) =
= 1
24(x−4)(x−9)− 2
15(x−1)(x−9) + 3
40(x−1)(x−4).
b) Az alappontok és függvényértékek ismeretében készítsük el az osztott differencia tábláza-tot.
xi f(xi) f[xi, xi+1] f[xi, xi+1, xi+2]
1 1
4 2 2−14−1 = 1 3 9 3 3−29−4 = 15
1 5−1
9−13 = − 1 60 Vissza a tartalomhoz
A táblázat bekeretezett értékei segítségével felírjuk az interpolációs polinom Newton-alakját.
N2(x) = 1 +1
3(x−1)− 1
60(x−1)(x−4) c) Az f(2) =√
2közelítése az interpolációs polinom felhasználásával N2(2) = 1 + 1
3(2−1)− 1
60(2−1)(2−4) = 1 + 1 3+ 1
30 = 41
30 ≈1,3667.
d) Az interpoláció hibabecslése azx∈[1; 9] pontban
|f(x)−P2(x)| ≤ M3
3! |ω(x)|, aholM3=kf000k∞= max{|f000(x)|: x∈[1; 9]}.
Számítsuk ki a képletben szereplő mennyiségeket! Azf(x) =√
x deriváltjai f0(x) = 1
2x−12, f00(x) =−1
4x−32, f000(x) = 3 8x−52. Innen a derivált becslése
|f000(x)|= 3
8x−52 = 3 8
√1 x5 ≤ 3
8 =M3 illetve
|ω(2)|=|(2−1)(2−4)(2−9)|= 14.
Azx= 2 pontban a hibabecslés
|f(2)−P2(2)|=
√ 2−41
30
≤ M3
3! |ω(2)|=
3 8
6 ·14 = 7 8. Számítsuk kikωk∞-t.
ω(x) = (x−1)(x−4)(x−9) =x3−14x2+ 49x−36 ω0(x) = 3x2−28x+ 49
Azω lehetséges szélsőértékei
x1,2 = 28±√
282−4·3·49
6 = 28±14
6 = 14±7 3 x1 = 7, x2 = 7
3
ω(7) = (7−1)(7−4)(7−9) =−36 ω
7 3
= 7
3 −1 7
3−4 7 3 −9
= 400
27 ≈14,8 Innenkωk∞= 36.
Azx∈[1; 9]intervallumon a hibabecslés
|f(x)−P2(x)| ≤ M3
3! kωk∞=
3 8
6 ·36 = 9 4.
2. Az alappontok és függvényértékek ismeretében készítsük el az osztott differencia táblázatot.
xi f(xi) f[xi, xi+1] f[xi, xi+1, xi+2] . . . .
−2 −15
−1 −4 −4−(−15)−1−(−2) = 11
0 −1 −1−(−4)0−(−1) = 3 0−(−2)3−11 = −4
1 0 0−(−1)1−0 = 1 1−(−1)1−3 =−1 −1−(−4)1−(−2) = 1
2 5 5−02−1 = 5 5−12−0 = 2 2−(−1)2−(1) = 1 2−(−2)1−1 = 0
A táblázat bekeretezett értékei segítségével felírjuk az interpolációs polinom Newton-alakját.
N4(x) =−15 + 11(x+ 2)−4(x+ 2)(x+ 1) + (x+ 2)(x+ 1)x=
=−15 + 11x+ 22−4x2−12x−8 +x3+ 3x2+ 2x=
=x3−x2+x−1
Mivel az interpolációs polinom független az alappontok sorrendjétől, ezért azokat fordítva is felírhatnánk. Az új Newton bázisban az együtthatók a fenti táblázat legalsó sorában szerepel-nek, így az új Newton-alak
N4(x) = 5 + 5(x−2) + 2(x−2)(x−1) + (x−2)(x−1)x=
= 5 + 5x−10 + 2x2−6x+ 4 +x3−3x2+ 2x=
=x3−x2+x−1.
Látjuk, hogy ugyanazt a polinomot kaptuk.
3. Az1,2,4alappontok és a0,1,2függvényértékek ismeretében írjuk fel az interpolációs polinom Newton-alakját. Ehhez készítsük el az osztott differencia táblázatot.
xi f(xi) f[xi, xi+1] f[xi, xi+1, xi+2]
1 0
2 1 1−02−1 = 1 4 2 2−14−2 = 12
1 2−1
4−1 = −1 6
A táblázat bekeretezett értékei segítségével felírjuk az interpolációs polinom Newton-alakját.
P(x) =N2(x) = 0 + (x−1)−1
6(x−1)(x−2) Azf(3) = log2(3)közelítő értéke az interpolációs polinomból
P(3) =N2(3) = 0 + (3−1)−1
6(3−1)(3−2) = 2−1 3 = 5
3. Azx= 3 pontban a hibabecslés
|f(3)−P(3)| ≤ M3
3! |ω(3)|, ahol|ω(3)|=|(3−1)(3−2)(3−4)|= 2.
Mivelf(x) = log2(x) = ln(x)ln(2), így az f deriváltjai f0(x) = 1
ln(2)x−1, f00(x) =− 1
ln(2)x−2 f000(x) = 2 ln(2)x−3,