10656

Интерполирование функций методом Лагранжа. Линейная интерполяция

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Лабораторная работа 7 Интерполирование функций методом Лагранжа. Линейная интерполяция. Цель работы. По результатам эксперимента заданным в виде последовательности точек на координатной плоскости построить интерполяционную функцию методом Лагранжа...

Русский

2013-03-30

291 KB

76 чел.

Лабораторная  работа  7

Интерполирование функций методом Лагранжа.

Линейная интерполяция.

Цель работы. По результатам эксперимента, заданным в виде последовательности точек на координатной плоскости - , построить интерполяционную функцию методом Лагранжа - . Выполнить линейную интерполяцию между двумя любыми соседними узлами, оценить точность полученных результатов.  

Теоретические положения .  Пусть в некоторых точках   известны значения функции  :   .  Необходимо определить величины функции  при других  значениях . Связь  неизвестна. Для решения этой задачи функцию   требуется приближенно заменить (аппроксимировать) некоторой функцией  так, чтобы отклонение  от  в заданной области было наименьшим. На практике чаще всего применяется аппроксимация многочленами, т.е.

.             (1)

Если коэффициенты   определяются из условия совпадения  

,                                 (2)

то такой способ аппроксимации называется интерполяцией. Точки  называ-ются узлами интерполяции, а  - интерполирующей функцией. Заметим, что при интерполировании  .

Рассмотрим процесс интерполирования функций с помощью полино-мов Лагранжа. Исходя из условия задачи, т.е.  для   ,  имеем полином третьего порядка:

          (3)

для которого, очевидно, должно выполняться:   .

Форма (3) наглядно показывает, как получается полином любого порядка, но имеет больше теоретическое значение.  Для практического  же применения  более удобна запись в форме (1),  которую нетрудно получить из (3),  подставляя  туда заданные числа   и  , и выполняя очевидные преобразования.

Для реализации линейной интерполяции следует взять два любых соседних узла, например,   и    и по заданному  промежуточному значению аргумента  найти  соответствующее значение функции по формуле:

,                      (4)                       

Графически линейная интерполяция сводится к соединению прямой линией точек с координатами   и .

Порядок выполнения работы.  

- переписать требуемый вариант задания,

- погрешность расчетов принять равной  ,

- записать теоретическую функцию  ,

- преобразуем полином Лагранжа   к виду

,                     (5)

для чего найдем коэффициенты  :

 а) для суммы (3) вначале вычислим четыре константы:

,           

,

,                 (6)

,

Проверка:          .

б) все числители (3) представляют собой выражения вида (например, для первого слагаемого)

 ,        (7)

для вычисления  коэффициентов   воспользуемся теоремой Виета

                     (8)

в) итоговая функция (4) находится так:

         (9)

- записать полином (5) с вычисленными коэффициентами  ,

- по формуле    построить график по 21 точке с шагом  ,

- между двух любых крайних узлов  или   выполнить линейную интерполяцию по формуле (4), взяв в качестве   середину выбранного отрезка. Найти  . Весь процесс нанести на координатную плоскость, объединив его с функцией  .

- Оценка результатов:  

принимая в качестве точного значения величину , найти  абсолютную погрешность , а затем величину относительной погрешности     для линейной зависимости.

Варианты исходных данных.  Функция    задана в четырех точках       своими значениями   :

1

X

-1

1

2

7

2

X

-5

-1

2

3

Y

0

4

15

400

Y

-156

-4

5

20

3

X

-5

-2

2

3

4

X

-5

-2

1

2

Y

-96

-3

9

32

Y

-144

-9

0

3

5

X

-3

-2

1

3

6

X

-4

-3

1

3

Y

-34

-11

-2

14

Y

-51

-20

4

40

7

X

-3

1

2

4

8

X

-5

-4

3

4

Y

-40

0

5

51

Y

-96

-45

32

75

9

X

-5

-4

2

4

10

X

-3

-1

2

4

Y

-144

-75

3

45

Y

-34

-2

1

43

11

X

-6

-2

2

3

12

X

-7

-5

-2

1

Y

-185

-5

15

40

Y

-400

-156

-15

0

13

X

-4

-1

3

5

14

X

-5

-3

1

4

Y

-45

0

32

144

Y

-144

-32

0

45

15

X

-3

0

4

5

16

X

-6

-3

1

2

Y

-34

-1

43

94

Y

-185

-20

4

15

17

X

-4

-2

3

6

18

X

-4

-2

4

5

Y

-85

-15

20

185

Y

-45

-3

75

144

19

X

-4

-3

4

5

20

X

-2

2

3

5

Y

-75

-32

45

96

Y

-11

1

14

94

21

x

-4

-2

3

7

22

X

-4

-1

4

5

y

-51

-5

40

400

Y

-85

-4

51

104

23

x

-2

-1

2

5

24

X

-3

-2

2

5

y

-3

0

9

144

Y

-32

-9

3

96

25

x

-2

-1

4

5

26

X

-1

1

2

7

y

-11

-2

43

94

Y

0

4

15

400

27

x

-5

-1

2

3

28

X

-5

-2

2

3

y

-156

-4

5

20

Y

-96

-3

9

32

29

x

-5

-2

1

2

30

X

-3

-2

1

3

y

-144

-9

0

3

Y

-34

-11

-2

14

         Пример расчета .

  1.  Цель работы: обработать результаты таблицы данных с целью построения интерполяционной функции методом Лагранжа.
  2.  Исходные данные: таблица опытных данных.

 

X0

x1

x2

x3

x

-5

-4

3

4

y

-96

-45

32

75

 

Y0

y1

y2

y3

 

               

               

               

               Погрешность расчетов   =  10-3 ,      

  1.  Интерполяционный полином Лагранжа:

Требуется получить функцию , так чтобы

,       

  1.  Находим коэффициенты ,
  2.  Находим  константы   по формулам (6):

           

             

              Проверка:

                 

              k0= 1.333     k1= -0.804    k2= -0.571   k3=1.042

  1.  Все числители представляют собой выражения вида (7) (назовем их частными многочленами):

,  где коэффициенты находятся по теореме Виета  - формулы (8):

                            

  

  

      

         

  

  1.  Найдем итоговую функцию:

- умножим вначале частные многочлены на соответствующие коэффициенты  ,   

- сложим коэффициенты при одинаковых степенях  , найдем числа  и запишем требуемую функцию  

                                                                                     .

8.Таблица из 21 точки  в диапазоне исходных данных ,

X

-5,000

-4,550

-4,100

-3,650

-3,200

-2,750

-2,300

-1,850

-1,400

-0,950

Y

-95,976

-69,943

-49,031

-32,693

-20,382

-11,552

-5,655

-2,146

-0,477

-0,101

X

-0,500

-0,050

0,400

0,850

1,300

1,750

2,200

2,650

3,100

3,550

4,000

Y

-0,473

-1,044

-1,269

-0,600

1,509

5,605

12,234

21,944

35,281

52,792

75,024

9.Между двух крайних узлов [-5;-4] выполняем линейную интерполяцию, взяв в качестве xпромежуточного середину выбранного отрезка. Надо найти yпромежуточное.

Линейная интерполяция – это замена на отрезке x0-x1 неизвестной нам кривой y = f(x) прямой линией. Такая замена приводит к погрешности. Но из-за явной простоты метода он находит широкое применение. Максимальная погрешность около середины отрезка. Уравнение прямой проходящей через две точки имеет вид:

              вместо x  при xпр получим y=yпр

 

подставляем значения, получаем:

тогда

разница между точным значение y и промежуточным значением y 

абсолютная погрешность      

По результатам  п.8  и  п.9  выполнить рисунок.

10.Выводы  по  работе:   Делаются  студентом  самостоятельно.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

29651. Национальная Федерация консультантов и аудиторов 33.5 KB
  Предметом деятельности Федерации являются: проведение конгрессов конференций семинаров и других мероприятий для обмена мнениями по актуальным вопросам развития аудиторскоконсультационной деятельности; участие в подготовке нормативноправовых актов регулирующих аудиторскую и консультационную деятельность; организация взаимодействия с органами законодательной и исполнительной власти Российской Федерации по вопросам касающимся профессиональной деятельности Федерации; содействие внедрению в организацияхчленах Федерации...
29652. Организация автоматизированного рабочего места бухгалтера 26 KB
  При проектировании и создании АРМ бухгалтера можно выделить два основных вида обеспечения: техническое и программное. С вводом в эксплуатацию АРМ бухгалтера на базе ПК происходит распределение функций и операций между бухгалтером и персональным компьютером. Кроме того использование в качестве технического средства АРМ бухгалтера современных персональных ЭВМ дает возможность одновременно с децентрализованной обработкой учетных данных обеспечить интеграцию информационной базы сократить время обработки; ликвидировать разрыв во времени между...
29653. Организация бухгалтерского учета на предприятии 29 KB
  Основные правила организации и ведения бухгалтерского учета для всех предприятий едины. Ведение бухгалтерского учета регламентируется законами нормативными актами и положениями по бухгалтерскому учету. Такие вопросы как организация форма и техника ведения бухгалтерского учета предприятие решает самостоятельно.
29654. Организационные документы деятельности бухгалтерской службы 47 KB
  Для этого разрабатывается Положение О бухгалтерии О бухгалтерской службе в котором раскрываются процесс образования права обязанности и организация деятельности бухгалтерии. В состав реквизитов положения о бухгалтерии входят: наименование организации; название вида документа; дата и место составления; наименование структурного подразделения; текст; подпись и визы. Положение О бухгалтерии как правило состоит из 5 основных разделов. Этот пункт можно сформулировать обобщенно например: Бухгалтерия в своей деятельности руководствуется...
29655. Правовые и локальные нормативные акты организации 28 KB
  Некоторые локальные нормативные акты работодатель должен принимать учитывая мнение представительного органа работников что предусмотрено ТК РФ законами и иными нормативными правовыми актами. Перечень локальных нормативных актов принимаемых с учетом мнения представительного органа работников может быть дополнен коллективным договором отраслевыми и иными соглашениями. Локальные нормативные акты не должны ухудшать положение работников по сравнению с трудовым законодательством коллективным договором соглашениями. Если локальный нормативный...
29656. Монизм, дуализм, плюрализм 41.5 KB
  Структурная организация методологического знания прямо связана с теми функциями которые оно выполняет в процесс е научного познания. Рефлексия над процессом научного познания не является совершенно необходимым его компонентом. Рефлексия и осознание нужны тогда когда ставится задача построения нового научного знания или формирования принципиально нового поведенческого акта. Чем же здесь может помочь методология каковы ее функции в процессе конкретнонаучного познания Анализируя различные ответы на этот вопрос можно встретиться как с...
29657. Психологическая наука в противоположность метафизике 41 KB
  Однако масштаб абстракций и обобщений существенно ниже уже и конкретнее в эмпирической психологии чем в философской метафизике или основанной на ней априорной психологии. Примерами метафизических вопросов в психологии могут быть следующие. Номотетический и идиографический подходы в эмпирической психологии Номотетический подход Эмпирическая психология производит эмпирическое знание в рамках прежде всего номотетического подхода связанного с позитивистской и постпозитивистской философией. Идиографическое познание применяется в ряде отраслей...
29658. Эмпирическая и априорная психологии 29 KB
  Ситуация множественности методологических подходов и соответственно средств методологического анализа которые одновременно являются и истинными если это понятие вообще применимо к методологическому знанию адекватными и ложными неадекватными в зависимости от множества привходящих условий провоцирует самые разные установки исследователей и практиков относительно роли методологического знания и целесообразности его использования в конкретном исследовании а также разные методологические эмоции. Сторонники методологического...
29659. Парадигмы, аномалии, кризисы, научные революции 71.5 KB
  Это было время господства ассоцианизма взаимопроникновения идей физиологической психологии и психологии сознания но также и время после выхода основополагающих трудов Г. Эббингауза 1850 – 1909 когда появилась надежда на разработку объективного метода исследования в области психологии. То есть для него в первую очередь неприемлема именно эта характеристика естественнонаучного познания – путь выдвижения гипотез а не собственно экспериментальный метод как это иногда сегодня представляют сторонники описательной психологии функционирующей...