חוברת לימוד תצוגה מקדימה (תצוגה מקדימה: חלקים 1 עד 2 מתוך 9) מאת: פניאל מרגליות

אינטרפולציה וקירוב פולינומיאלי

פרק 2 - למידה מודרכת ותרגול מעמיק

משויך לקורסים: אנליזה נומרית — הנדסת חשמל / אוניברסיטה אנליזה נומרית — הנדסת מכונות / אוניברסיטה אנליזה נומרית — הנדסה כימית / אוניברסיטה אנליזה נומרית — הנדסת בניין / אוניברסיטה

אינטרפולציה וקירוב פולינומיאלי

פרק 2 - למידה מודרכת ותרגול מעמיק

מטרות למידה מרכזיות:

1. פולינום האינטרפולציה של לגראנז'

רעיון מרכזי המשמעות של אינטרפולציה פולינומיאלית וקירוב עקומות

אינטרפולציה פולינומיאלית היא אחד הכלים היסודיים ביותר בעיבוד נתונים נומרי ובהנדסה. כאשר בידינו אוסף של מדידות ניסיוניות דיסקרטיות, אנו מחפשים פונקציה רציפה וחלקה שתעבור במדויק דרך כל הנקודות הידועות. משפט היחידות מבטיח שעבור n+1 נקודות שונות קיים פולינום יחיד ממעלה לכל היותר n העובר דרכן.

רעיון מרכזי פולינומי הבסיס של לגראנז'

צורת לגראנז' מציגה את פולינום האינטרפולציה כסכום משוקלל של פולינומי בסיס יסודיים המקבלים ערך 1 בנקודה אחת ומתאפסים בכל האחרות.

P_{n} (x) = \sum_{i = 0}^{n} y_{i} L_{i} (x), L_{i} (x) = \prod_{j = 0, j \neq i}^{n} \frac{x - x_{j}}{x_{i} - x_{j}}

תרגיל 1

רמת קושי: בסיסי

מצאו את פולינום האינטרפולציה העובר דרך שלוש הנקודות (0, 1), (1, 3), (2, 7) באמצעות בסיסי לגראנז', וחשבו את ערכו בנקודה x=1.5:

(x_{0}, y_{0}) = (0, 1), (x_{1}, y_{1}) = (1, 3), (x_{2}, y_{2}) = (2, 7)

פתרון מודרך

שלב 1: נחשב את פולינומי הבסיס של לגראנז' L0, L1, L2.

שלב 2: L0(x) = ((x - 1)(x - 2)) / ((0 - 1)(0 - 2)) = (x^2 - 3x + 2) / 2.

שלב 3: L1(x) = ((x - 0)(x - 2)) / ((1 - 0)(1 - 2)) = (x^2 - 2x) / (-1) = -x^2 + 2x.

שלב 4: L2(x) = ((x - 0)(x - 1)) / ((2 - 0)(2 - 1)) = (x^2 - x) / 2.

שלב 5: נרכיב את הפולינום: P2(x) = 1 L0(x) + 3 L1(x) + 7 L2(x) = 0.5(x^2 - 3x + 2) + 3(-x^2 + 2x) + 3.5(x^2 - x) = x^2 + x + 1.

שלב 6: נציב x = 1.5: P2(1.5) = (1.5)^2 + 1.5 + 1 = 2.25 + 1.5 + 1 = 4.75.

פולינום לגראנז' ריבועי והערכה:

P_{2} (x) = x^{2} + x + 1, P_{2} (1.5) = 4.75

2. הפרשים מחולקים של ניוטון

רעיון מרכזי צורת ניוטון ויעילות הוספת נקודות

צורת ניוטון פותרת את חוסר הגמישות של לגראנז' בעזרת הפרשים מחולקים, המאפשרים להוסיף נקודת דגימה חדשה על ידי הוספת איבר יחיד בדרגת הפולינום הבאה.

P_{n} (x) = f [x_{0}] + \sum_{k = 1}^{n} f [x_{0}, \dots, x_{k}] \prod_{j = 0}^{k - 1} (x - x_{j})

רעיון מרכזי שגיאת אינטרפולציה, תופעת רונגה ונקודות צ'בישב

אינטרפולציה בפולינום ממעלה גבוהה על נקודות במרווחים שווים עלולה להוביל לתנודות פראיות ליד קצוות הקטע (תופעת רונגה). בחירת נקודות צ'בישב ממזערת את השגיאה המקסימלית ומדכאת תנודות אלו.

E_{n} (x) = \frac{f^{(n + 1)} (ξ)}{(n + 1)!} \prod_{i = 0}^{n} (x - x_{i}), x_{k} = \cos (\frac{2 k + 1}{2 n + 2} π)

תרגיל 2

רמת קושי: בינוני

בנו טבלת הפרשים מחולקים עבור הנקודות (-1, 4), (0, 1), (2, 1), (3, 8) ורשמו את פולינום ניוטון המתקבל:

(x_{k}, y_{k}) \in {(- 1, 4), (0, 1), (2, 1), (3, 8)}

פתרון מודרך

שלב 1: סדר 0: f[-1] = 4, f[0] = 1, f[2] = 1, f[3] = 8.

שלב 2: סדר 1: f[-1, 0] = (1 - 4)/(0 - (-1)) = -3. f[0, 2] = (1 - 1)/(2 - 0) = 0. f[2, 3] = (8 - 1)/(3 - 2) = 7.

שלב 3: סדר 2: f[-1, 0, 2] = (0 - (-3))/(2 - (-1)) = 3/3 = 1. f[0, 2, 3] = (7 - 0)/(3 - 0) = 7/3.

שלב 4: סדר 3: f[-1, 0, 2, 3] = (7/3 - 1)/(3 - (-1)) = (4/3) / 4 = 1/3.

שלב 5: נרשום את הפולינום לפי האלכסון העליון: P3(x) = 4 - 3(x + 1) + 1(x + 1)x + (1/3)(x + 1)x(x - 2).

פולינום ניוטון מהפרשים מחולקים:

P_{3} (x) = 4 - 3 (x + 1) + x (x + 1) + \frac{1}{3} x (x + 1) (x - 2)

🔒

המשך צפייה למנויי PnielAcademy

רכישת מנוי PnielAcademy התחבר לחשבון

אינטרפולציה וקירוב פולינומיאלי

המשך צפייה למנויי PnielAcademy

📚 תכנים נוספים בקורס זה

שגיאות מחשב ופתרון משוואות לא-לינאריות

גזירה ואינטגרציה נומרית

פתרון מערכות משוואות לינאריות

מעדיפים ליווי אישי לצד מערכת הלמידה?