拉格朗日插值多項式是一種最常見的多項式插值法,也是一種最常用的逼近工具。設f(x)是定義在區間[αb]上的函數,又設x1x2,…,xn>是[αb]上的n個互不相同的點。早在1795年J.-L.拉格朗日就證明:如果在點xK處的函數值yK=f(xK)(k=1,2,…,n)是已知的,則存在惟一的次數不高於n-1的代數多項式ln(fx)使得

倘若記

l n( fx)有表達式

常稱 l n( fx)為 f( x)的拉格朗日插值多項式, 為其結點組。若 f( x)是個次數不高於 n-1的代數多項式,則 l n( fx)= f( x)。 l n( fx)的幾何意義是有且僅有一條 n-1次代數曲線通過平面上預先給定的 n個橫坐標互不相同的點。又稱 為拉格朗日插值的基本多項式。不論在理論上還是在實用上,拉格朗日插值多項式都是一種重要的逼近工具。假設 f( x)在[ αb]上存在 n階導數,則 l n( fx)逼近 f( x)的偏差有這樣的表達式

式中 ξ是[ αb]中某一與 x有關的點。當然,這裡對被逼近函數的要求太高,研究低度光滑函數的插值逼近是很重要的。

  對於給定的結點組

常稱 λ n( x)為此結點組的勒貝格函數, λ n為其勒貝格常數。如果記 E n -1( f)為次數不高於 n-1的代數多項式對連續函數 f( x)的最佳逼近值,則

而且有

因此,應該選取使 λ n盡可能小的結點組,或說讓諸結點 在[ αb]上均勻分佈是合理的。但事實並非這樣,即使對於函數 f( x)=| 2 x- α- b|,此時相應的 l n( fx)也不能實現對 f( x)的逼近。至於選擇其他結點組,僅要求函數連續也未必可行。因為G.費伯曾經證明,對於[ αb]上的任意一列結點組 n=1,2,…,都有[ αb]上的連續函數 f( x),使得相應的拉格朗日插值多項式序列 在[ αb]上不一致收斂於 f( x)。此外,還有

  因此,選擇使勒貝格函數λn(x)關於n的增長速度接近於lnn的結點組序列是人們所期望的。最常用的是在[-1,1]上取切比雪夫多項式Tn(x)=cos(narccosx)的零點全體

作為結點組。

  其相應的勒貝格常數不超過

於是隻要函數 f( x)合乎迪尼-李普希茨條件 則它的拉格朗日插值多項式 l n( fx)在 n→∞時,在[-1,1]上就一致收斂於 f( x)。這裡 ω( fδ)是 f( x)的連續性模。用這種結點組的拉格朗日插值多項式逼近連續函數,其逼近度與最佳逼近值相比較,還有一個對數因子。如何修改插值多項式的構造以改善它的逼近性能,是人們所重視的問題。修改的辦法很多,常用的是由 С.Η.伯恩斯坦所提出的線性求和法。例如,令

x=cosθ(0≤θπ),

定義

或令 ,定義

如仍取 T n( x)的零點全體作為結點組,則存在絕對常數с,使得在[-1,1]上都有

\n

這說明,上述兩種多項式對於低度光滑函數都有良好的逼近性能。

  代替有限區間上的一致逼近,也可以考慮積分平均逼近,以及無限區間上的逼近。代替切比雪夫多項式的零點,可以考慮用雅可比多項式的零點作結點。而在周期的情況下,代替代數多項式的插值逼近自然以三角多項式的插值逼近為宜。此時,用周期區間的均勻分佈的結點組是較合適的,可以建立類似於傅裡葉級數部分和逼近函數的結果。