第三章 函數(shù)逼近與曲線擬合

第三章函數(shù)逼近與曲線擬合

在科學(xué)與工程技術(shù)的很多領(lǐng)域，人們常碰到大量帶有誤差的實驗數(shù)據(jù)，這時采用高次插值會出現(xiàn)震蕩，采用分段插值則會使函數(shù)非常復(fù)雜，無法準確反映被插函數(shù)的整體性態(tài)，因此，不適合用插值法?！?引言

如何在給定精度下，求出計算量最小的近似表達式，這就是函數(shù)逼近要解決的問題。

一、問題的提出二、函數(shù)逼近問題的一般提法注：本章中所研究的函數(shù)類通常為區(qū)間上的連續(xù)函數(shù)，記做;而函數(shù)類通常是代數(shù)多項式或三角多項式。對于函數(shù)類中給定的函數(shù)，要求在另一類較簡單的且便于計算的函數(shù)類中尋找一個函數(shù)，使與之差在某種度量意義下最小。三、常用的度量標準：

(一)一致逼近若以函數(shù)f(x)和P(x)的最大誤差作為度量誤差

f(x)－P(x)

“大小”的標準,在這種意義下的函數(shù)逼近稱為一致逼近或均勻逼近。(二)平方逼近采用作為度量誤差“大小”標準的函數(shù)逼近稱為平方逼近或均方逼近。四、一致逼近的概念定義1設(shè)函數(shù)是區(qū)間上的連續(xù)函數(shù)，對于任意給定的，如果存在多項式，使不等式成立，則稱多項式在區(qū)間上一致逼近于函數(shù)。五、一致逼近多項式的存在性定理1（維爾斯特拉斯定理）

若f(x)是區(qū)間[a,b]上的連續(xù)函數(shù)，則對于任意給定的

>0，總存在多項式

P(x)，使對一切a≤x≤b

有在意義下，能否在所有次數(shù)不超過n的代數(shù)多項式中找到一個，使得空間中的最佳一致逼近問題。這就是上的最佳一致逼近一、其中，表示由所有次數(shù)不超過n的代數(shù)多項式構(gòu)成的線性空間?！?最佳一致逼近二、上最佳一致逼近多項式的存在性

定理2在

中都存在對

的最佳一致逼近多項式,記為

的n次最佳一致逼近多項式。稱為簡稱最佳逼近多項式。,使得

成立.對任意的

三、相關(guān)概念1、偏差與最小偏差上的偏差。為與在它有下界0.注：

顯然的全體組成一個集合，定義2

則稱若若記集合的下確界為則稱

為

在上的最小偏差。2、偏差點定義3

設(shè)

若在

上有

則稱

是

的偏差點。

若

若

則稱

則稱

為“正”偏差點。

為“負”偏差點。

3、交錯點組若函數(shù)

定義4

在其定義域的某一區(qū)間

個點

上存在使得

則稱點集

為函數(shù)

在區(qū)間

上的一個交錯點組，稱為交錯點。點四、上的最佳一致逼近的特征定理3設(shè)是區(qū)間上的連續(xù)函數(shù)，是的n次最佳一致逼近多項式，則必同時存在正負偏差點。定理4

（Chebyshev定理）設(shè)是區(qū)間上的連續(xù)函數(shù)，則是的n次最佳一致逼近多項式的充要條件是:在區(qū)間上存在一個至少由個點組成的交錯點組。推論1

在中存在惟一的n次最佳一致逼近多項式。推論2推論3設(shè)是區(qū)間上的連續(xù)函數(shù),則的次最佳一致逼近多項式是的某個次插值多項式。

設(shè)是區(qū)間上的連續(xù)函數(shù)，是的n次最佳一致逼近多項式，若在內(nèi)存在且保號，則在區(qū)間上恰好存在一個由個點組成的交錯點組，且兩端點都在交錯點組中。五、一次最佳逼近多項式1、推導(dǎo)過程設(shè)

，且

在內(nèi)不變號，要求在上的一次最佳一致逼近多項式由推論3，在上恰好有3個點構(gòu)成的交錯且區(qū)間端點屬于這個交錯點組，組，設(shè)另一個交錯點為則解得即即由可算出2、舉例求在上的最佳一次逼近多項式。解：故解得由得于是得的最佳一次逼近多項式為故誤差限為(*)在（*）式中若令，則可得一個求根的公式六、Chebyshev多項式及其應(yīng)用(1)定義稱為n次Chebyshev多項式.[注]Itisveryimportant

令則而故為關(guān)于的次代數(shù)多項式。(2)性質(zhì)正交性：由Tn(x)所組成的序列{Tn(x)}是在區(qū)間[-1,1]上帶權(quán)

的正交多項式序列。且

遞推關(guān)系相鄰的三個切比雪夫多項式具有如下遞推關(guān)系式：

奇偶性：

切比雪夫多項式

，當(dāng)

為奇數(shù)時為奇函數(shù)；

為偶數(shù)時為偶函數(shù)。

在區(qū)間[-1,1]上有

個不同的零點令得

Tn(x)

在[-1,1]上有n+1個不同的極值點使Tn(x)輪流取得最大值1

和最小值-1。

切比雪夫多項式的極值性質(zhì)Tn(x)

的最高次項系數(shù)為2n-1(n=1,2,…)。

在區(qū)間[-1,1]上，在所有首項系數(shù)為1的n次多項式中,與零的偏差最小，即對于任何，有該性質(zhì)又被稱為Chebyshev多項式的最小模性質(zhì).注：區(qū)間上的最小零偏差多項式且其偏差為在上首項系數(shù)為1的最小零偏差多項式為。(3)應(yīng)用多項式的降階（最小零偏差問題）在所有次數(shù)為的多項式中求多項式

,在給定的有界閉區(qū)間上與零的偏差最小。使其最小零偏差多項式問題。這一問題被稱為不失一般性，可設(shè)的首項系數(shù)為1，有界閉區(qū)間為

.所討論的對一般區(qū)間，可先將換為，考慮在上的逼近，再將換回，得到。最后尋求最小零偏差多項式的問題事實上等價于求次多項式的不超過次最佳一致逼近多項式問題。

即求使其滿足：設(shè)由于首項系數(shù)為1的次Chebyshev多項式無窮范數(shù)最小，故有(1)于是例1設(shè)f(x)=4x4＋2x３－５x２＋8x-5/2，|x|≤1.求f(x)

在［-1,1］中的3次最佳一致逼近元p3(x).解由f(x)的表達式可知b４＝４,注：對區(qū)間為［a,b］的情形，先作變換

x=(b-a)t/2+(b+a)/2(2)然后對變量為t的多項式用(1)式求得pn(t)，然后再作(2)式的反變換得到［a,b］上的最佳一致逼近多項式.由(1)式得首項系數(shù)為1的4次Chebyshev多項式為:§3

最佳平方逼近一、內(nèi)積空間1、定義5稱二元關(guān)系為內(nèi)積。設(shè)為(實)線性空間,對中每一對元素,在上定義了內(nèi)積是指都有一實數(shù)，記為與之對應(yīng)，且這個對應(yīng)滿足:（2）（1）（3）（4）則稱為內(nèi)積空間，2、兩種重要的內(nèi)積空間n維歐氏空間，內(nèi)積就是兩向量的數(shù)量積，即連續(xù)函數(shù)空間，內(nèi)積可以定義為積分的運算或帶權(quán)函數(shù)的積分運算，即或3、權(quán)函數(shù)的定義設(shè)

(x)定義在有限或無限區(qū)間[a,b]上，如果具有下列性質(zhì)：(1)對任意x

[a,b]，

(x)≥0；(2)積分存在，(n=0,1,2,…)；(3)對非負的連續(xù)函數(shù)g(x)

若

則在(a,b)上g(x)0。稱滿足上述條件的

(x)為[a,b]上的權(quán)函數(shù)。

4、Euclid范數(shù)及其性質(zhì)定義6設(shè)為的Euclid范數(shù)。則稱量性質(zhì)對于任何下列結(jié)論成立：1、2、3、（Cauchy-Schwarz不等式）(三角不等式)(平行四邊形定律)二、相關(guān)概念1、距離

線性賦范空間中兩元素之間的距離為連續(xù)函數(shù)空間中，與的距離即為因此，中兩點與之間的距離即為也稱為2-范數(shù)意義下的距離2、正交則稱f(x)與g(x)在[a,b]上帶權(quán)

(x)正交。

若則稱與正交。

進一步，設(shè)在[a,b]上給定函數(shù)系，若滿足條件則稱函數(shù)系是[a,b]上帶權(quán)

(x)的正交函數(shù)系。連續(xù)函數(shù)空間中，設(shè)，若特別地，當(dāng)Ak1時，則稱該函數(shù)系為標準正交函數(shù)系。

若上述定義中的函數(shù)系為多項式函數(shù)系，則稱之為[a,b]上帶權(quán)

(x)的正交多項式系。并稱是上帶權(quán)的

次正交多項式。3、正交化手續(xù)

一般來說，當(dāng)權(quán)函數(shù)及區(qū)間給定以后，可以由冪函數(shù)系利用正交化方法構(gòu)造出正交多項式系。4、正交多項式的性質(zhì)(1)是最高次項系數(shù)為1的次多項式.(2)任一次多項式均可表示為的線性組合.(3)當(dāng)時,且與任一次數(shù)小于的多項式正交.(4)遞推性其中這里且都在區(qū)間內(nèi).(5)設(shè)是在上帶權(quán)項式序列,的正交多則的個根都是單重實根,三、常用的正交多項式1、第一類切比雪夫多項式(1)定義(2)性質(zhì)2、Legendre(勒讓德)多項式(1)定義

多項式稱為n次勒讓德多項式。(2)性質(zhì)勒讓德多項式序列是[-1,1]上帶權(quán)的正交多項式序列。即正交性:遞推關(guān)系:相鄰的三個勒讓德多項式具有如下遞推關(guān)系式：當(dāng)n為偶數(shù)時，為偶函數(shù)；當(dāng)n為奇數(shù)時，

為奇函數(shù)。

在區(qū)間[-1,1]內(nèi)部存在n個互異的實零點。奇偶性：

的最高次項系數(shù)為在所有首項系數(shù)為1的

次多項式中，勒讓德多項式在上與零的平方誤差最小。證明：它可表示為設(shè)是任意一個最高項系數(shù)為1的次多項式，于是3、其他常用的正交多項式(1)第二類Chebyshev(切比雪夫)多項式定義：

稱為第二類切比雪夫多項式。性質(zhì):①是區(qū)間[-1,1]上帶權(quán)的正交多項式序列。②相鄰的三項具有遞推關(guān)系式：(2)拉蓋爾(Laguerre)多項式定義：稱多項式為拉蓋爾多項式。拉蓋爾多項式的性質(zhì)：①是在區(qū)間[0,+∞]上帶權(quán)

的正交多項式序列。

②相鄰的三項具有遞推關(guān)系式：

(3)埃爾米特(Hermite)多項式定義：稱多項式

為埃爾米特多項式。性質(zhì):的正交多項式序列。①是區(qū)間(-,+)上帶權(quán)②相鄰的三項具有遞推關(guān)系式：四、內(nèi)積空間上的最佳平方逼近1．函數(shù)系的線性關(guān)系定義7設(shè)函數(shù)在區(qū)間

上連續(xù)，如果關(guān)系式當(dāng)且僅當(dāng)時才成立，函數(shù)在上是線性無關(guān)，否則稱線性相關(guān)。則稱

連續(xù)函數(shù)在上線性無關(guān)的充分必要條件是它們的克萊姆(Gram)行列式定理4其中，

是任意實數(shù)，則并稱是生成集合的一個基底。的全體是

的一個子集，記為設(shè)是上線性無關(guān)的連續(xù)函數(shù),為的最佳平方逼近元。2、最佳平方逼近元的定義定義8在的子空間

中，對任意的求的在2-范數(shù)意義下的最佳逼近元，

即求，使不等式對任意成立.若滿足上式的存在，稱個線性無關(guān)元，記由張成的的子空間，為上設(shè)為線性內(nèi)積空間，即3.最佳平方逼近元的存在性定理5設(shè)為線性內(nèi)積空間，由線性無關(guān)組張成的線性空間

為的子空間，存在為的最佳平方逼近元.則對任意的Remark:線性內(nèi)積空間的子空間

的線性無關(guān)組選取不同，在中求得的對的最佳平方逼近元也不同，求解的難易程度也不同。4.最佳平方逼近元的充要條件定理6內(nèi)積空間)為的最佳平方逼近元的充要條件是：(線性與一切正交。其中，為

的個線性無關(guān)元。REMARK：定理6中所說的與一切

正交，

與一切

的內(nèi)積等于零，是指即證：必要性(用反證法).設(shè)為的最佳平方逼近元，但不與所有的

正交,即存在,使得則令且這說明不是對的最佳平方逼近元，與假設(shè)條件矛盾，所以必須與一切

正交.充分性.仍記則對任意的有而所以

對任意成立,進而有即為的最佳平方逼近元。推論為的最佳平方逼近元，設(shè)則有5.最佳平方逼近元的惟一性定理7最佳平方逼近元，則惟一.線性內(nèi)積空間的子空間

中若存在對的證：都為的最佳平方逼近元，設(shè)因為所以且從而6.最佳平方逼近元的求解現(xiàn)假定線性內(nèi)積空間上的內(nèi)積已定義，并且的子空間的一組基底也確定，那么，對具體的被逼近元如何求使其為的最佳平方逼近元.由最佳平方逼近元的充要條件，若假定則可以得出其中為待定系數(shù)。恒等變形為用矩陣式表示這個方程組為此方程組稱為法方程組。若所選取的一組基底滿足則稱其為正交基，此時五、連續(xù)函數(shù)的最佳平方逼近

1.

對于給定的函數(shù)要求函數(shù)使若這樣的存在，上的最佳平方逼近函數(shù)。則稱為在區(qū)間特別地，若則稱為在上的次最佳平方逼近多項式。求最佳平方逼近函數(shù)的問題可歸結(jié)為求它的系數(shù),使多元函數(shù)取得極小值。由于是關(guān)于的二次函數(shù)，故利用多元函數(shù)取得極值的必要條件，可得得方程組如采用函數(shù)內(nèi)積記號方程組可以簡寫為寫成矩陣形式為法方程組！

由于0,1,…,n線性無關(guān)，故Gn

0，于是上述方程組存在唯一解。從而肯定了函數(shù)f(x)在中如果存在最佳平方逼近函數(shù)，則必是2.舉例求在中的最佳平方逼近元。解：這是上的最佳平方逼近問題.取,記因為且同樣可求得所以，關(guān)于的法方程組為解得即為中對的最佳平方逼近元。3.函數(shù)按正交多項式展開設(shè)為其中上帶權(quán)的正交多項式系，