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[α,b]上的函數,又設x1,x2,…,xn>是[α,b]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(f,x)使得
![](/img3/6884.gif)
。
倘若記
![](/img3/6885.gif)
,
則
l
n(
f,
x)有表達式
常稱
l
n(
f,
x)為
f(
x)的拉格朗日插值多項式,
![](/img3/6888.gif)
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(
f,
x)=
f(
x)。
l
n(
f,
x)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
![](/img3/6889.gif)
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[
α,
b]上存在
n階導數,則
l
n(
f,
x)逼近
f(
x)的偏差有這樣的表達式
式中
ξ是[
α,
b]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
![](/img3/6891.gif)
記
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
![](/img3/6888.gif)
在[
α,
b]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(
f,
x)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[
α,
b]上的任意一列結點組
![](/img3/6896.gif)
,
n=1,2,…,都有[
α,
b]上的連續函數
f(
x),使得相應的拉格朗日插值多項式序列
![](/img3/6897.gif)
在[
α,
b]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
![](/img3/6900.gif)
於是隻要函數
f(
x)合乎迪尼-李普希茨條件
![](/img3/6901.gif)
則它的拉格朗日插值多項式
l
n(
f,
x)在
n→∞時,在[-1,1]上就一致收斂於
f(
x)。這裡 ω(
f,
δ)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≤θ≤π),
定義
或令
![](/img3/6903.gif)
,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。