数值分析第二次程序题.docx

1、数值分析第二次程序题数值分析第二次程序题插值法1.对Runge函数在区间-1,1作下列插值逼近，并和R(x)的图像进行比较，并对结果进行分析。(1) 以为节点，Newton插值图1 -0.7,0.7上的Newton插值 图2 -1,1上的Newton插值由上图可以看出，在区间-0.7,0.7上，插值多项式可以比较好地逼近被插值函数。而当区间改为-1,1时，边界附近插值多项式与被插值函数的差别很大。即出现了Runge现象。由于边界接近60的误差，图像中间部分的变化几乎不可见。主要原因是被插值函数的任意阶导数不能达到一致有界。其插值余项不趋近零。插值多项式不能收敛到被插值函数。牛顿差值函数func

2、tion f=niudun(z,N,n)f=N(1,1);x=-1:0.1:1;for k=2:n a=1; for r=1:(k-1) a=a*(z-x(r); end f=f+N(k,k)*a; end主程序x=-1:0.1:1;n=length(x);for i=1:n y(i)=1/(1+25*x(i)*x(i);endN=zeros(n,n); N(:,1)=y; for j=2:n for k=j:n N(k,j)=(N(k,j-1)-N(k-1,j-1)/(x(k)-x(k-j+1); end end for t=1:nc(t)=N(t,t);endz=-1:0.001:1;m=

3、size(z,2);for i=1:mRunge(i)=1/(1+25*z(i)*z(i);f(i)=niudun(z(i),N,n);endplot(z,Runge,k,z,f,r)(2)以 为节点，Lagrange插值图3 以Chebyshev多项式零点为插值点 图4 以等距节点为插值点如图所示，使用Chebyshev多项式零点构造的Lagrange插值多项式比较接近原函数，没有出现Runge现象，图4为第一小问中的等距节点插值，可以明显的看出以Chebyshev多项式零点为插值点的优势。主要原因是其多项式误差为，在区间内一致收敛。Lagrange函数function lag=lagran

4、ge(z,x,y)for i=1:21 l(i)=1; for j=1:21 if j=i l(i)=l(i)*(z-x(j)/(x(i)-x(j); end endendl=l;lag=y*l;主程序for i=1:21 x(22-i)=cos(2*i-1)*pi/42);endfor i=1:21 y(i)=1/(1+25*x(i)*x(i);endz=-1:0.001:1;m=length(z);for i=1:m f(i)=1/(1+25*z(i)*z(i); lag(i)=lagrange(z(i),x,y);endplot(z,f,k,z,lag,r)(3)以为节点，分段线性插值如

5、下图所示，分段线性插值多项式比较接近原函数，没有出现Runge现象。但是可以明显地看到在区间-0.1,0.1中，线性插值的拟合度较低，因为这一部分的函数的曲率较大，也就是二阶导数较大。由误差估计公式可知这一部分的误差较大。图5 线性插值(4)以为节点，三次自然样条插值图6 三次自然样条插值函数图像由上图可以看出，三次样条插值函数的曲线及其光滑，图中并没有将插值函数连起来，否则基本无法分辨出原函数和插值函数的图像，说明得到的函数十分接近被插值函数。另外，题目要求自然样条插值，也就是再两端的二阶导数为0，需在变成过程中加以注意。x=-1:0.1:1;n=length(x);for i=1:n y(

6、i)=1/(1+25*x(i)*x(i);endfor i=1:n-1h(i)=x(i+1)-x(i);endfor i=1:n-2u(i)=h(i)/(h(i+1)+h(i);r(i)=1-u(i);endG=zeros(n-2,n-2);for i=1:n-2 G(i,i)=2;endfor i=2:n-2 G(i,i-1)=u(i-1); G(i,i+1)=r(i-1);endd=zeros(1,n-2);for i=1:n-2 d(i)=6*(y(i+2)-y(i+1)/h(i+1)-(y(i+1)-y(i)/h(i)/(h(i+1)+h(i);endd=d;M=Gd;M=0;M;0;

7、for i=1:n-1 z=x(i):0.01:x(i+1); m=length(z); for j=1:m s(j)=M(i)*(x(i+1)-z(j)3/0.6+M(i+1)*(z(j)-x(i)3/0.6+(y(i)-M(i)*0.01/6)*(x(i+1)-z(j)/0.1+(y(i+1)-M(i+1)*0.01/6)*(z(j)-x(i)/0.1; end plot(z,s,* r,MarkerSize,3) hold onendhold onz=-1:0.01:1;for i=1:201f(i)=1/(1+25*z(i)*z(i);endplot(z,f,b)2.对函数：在区间-1

8、,1作下列插值逼近，并和被插值函数的图像进行比较，并对结果进行分析。 (1) 以为节点，Newton插值首先对函数进行简要分析，函数f(x)是分段函数，并且在x=0处不连续，对于插值计算，只需要函数值，所以除了函数作图和计算函数值有所不同以外，程序的主体部分没有明显改动，所以将本题程序统一放在最后。本小题中图7 -1,1上的Newton插值 图8 -0.7,0.7上的Newton插值由上图可以看出，在区间-0.7,0.7上，插值多项式可以已经无法较好地逼近被插值函数了，而当区间改为-1,1时，边界附近插值多项式与被插值函数的差别迅速扩大。即出现了Runge现象。由于边界接近1000的误差，图像

9、中间部分的变化几乎不可见。相比于第一题Runge现象更为明显。主要原因是被插值函数不连续，导致其插值余项可能无穷大。插值多项式不能收敛到被插值函数。(2)以 为节点，Lagrange插值图9 以Chebyshev多项式零点为插值点如图所示，使用Chebyshev多项式零点构造的Lagrange插值多项式比较接近原函数，没有出现Runge现象，并且可以看出，在不连续点位置插值效果一般，但是在函数两端的拟合效果明显要好，说明使用Chebyshev多项式零点构造的Lagrange插值多项式在连续函数上的应用效果更佳。(3)以为节点，分段线性插值图10 21个插值点线性插值 图11 201个插值点线性

10、插值如下图所示，分段线性插值多项式比较接近原函数，没有出现Runge现象。此例中我们看到了线性插值的强大优势，当原函数较为光滑，曲率较小，即使是分段函数对线性插值的影响也极为有限，当插值点个数扩大10倍达到201个时，可以明显的看出线性插值的优势所在。(4)以为节点，三次自然样条插值图12 三次自然样条插值函数图像由上图可以看出，三次样条插值函数的曲线及其光滑，但是与其他多项式拟合一样在不连续点处存在较大的误差，但是与第一二小问中的Lagrange插值多项式相比，三次样条插值可以更快的脱离不连续点的影响，并在其他位置上表现出很好的拟合效果。综合以上2题我们可以初步得出这样的结论：当函数连续光滑

11、，使用Chebyshev多项式零点构造的Lagrange插值多项式可以有效地避免Runge现象，但三次样条插值函数的曲线更为优秀。但是当函数出现不连续点时，分段线性插值的优势明显，可以在不连续段处达到很好的拟合效果，并且可以迅速脱离不连续点的影响，所以在做函数插值时在斜率很大的部分可以考虑使用分段线性插值，其他部分采用三次样条效果最好。牛顿插值x=-1:0.1:1;n=length(x);for i=1:10 y(i)=sin(pi*x(i);endfor i=11:15 y(i)=cos(pi*x(i);endfor i=15:n y(i)=0;end N=zeros(n,n); N(:,1

12、)=y; for j=2:n for k=j:n N(k,j)=(N(k,j-1)-N(k-1,j-1)/(x(k)-x(k-j+1); end end for t=1:nc(t)=N(t,t);endz=-0.1:0.01:0.1;m=length(z);for i=1:mnd(i)=niudun(z(i),N,n);endv=linspace(-1,0,100);u=sin(pi*v);plot(v,u,k)hold onv=linspace(0,0.5,50);u=cos(pi*v);plot(v,u,k)hold onv=linspace(0.5,1,50);u=0;plot(v,u,

13、k)hold on plot(z,nd,r) 以Chebyshev多项式零点为插值点for i=1:21 x(22-i)=cos(2*i-1)*pi/42);endfor i=1:21 if x(i)0.5 y(i)=0; else y(i)=cos(pi*x(i); endend z=-1:0.001:1;m=length(z);for i=1:m lag(i)=lagrange(z(i),x,y);endv=linspace(-1,0,100);u=sin(pi*v);plot(v,u,k)hold onv=linspace(0,0.5,50);u=cos(pi*v);plot(v,u,k

14、)hold onv=linspace(0.5,1,50);u=0;plot(v,u,k)hold onplot(z,lag,r)线性插值x=-1:0.01:1;for i=1:201 if x(i)0.5 y(i)=0; else y(i)=cos(pi*x(i); endendz=-1:0.001:1;n=length(z);m=floor(z+1)/0.01)+1;for i=1:n-1l(i)=y(m(i)+(y(m(i)+1)-y(m(i)/(x(m(i)+1)-x(m(i)*(z(i)-x(m(i);endl(2001)=y(201);f(2001)=y(201);v=linspac

15、e(-1,0,100);u=sin(pi*v);plot(v,u,k)hold onv=linspace(0,0.5,50);u=cos(pi*v);plot(v,u,k)hold onv=linspace(0.5,1,50);u=0;plot(v,u,k)hold onplot(z,l,r)三次样条插值x=-1:0.1:1;n=length(x);for i=1:21 if x(i)0.5 y(i)=0; else y(i)=cos(pi*x(i); endend for i=1:n-1h(i)=x(i+1)-x(i);endfor i=1:n-2u(i)=h(i)/(h(i+1)+h(i)

16、;r(i)=1-u(i);endG=zeros(n-2,n-2);for i=1:n-2 G(i,i)=2;endfor i=2:n-2 G(i,i-1)=u(i-1); G(i,i+1)=r(i-1);endd=zeros(1,n-2);for i=1:n-2 d(i)=6*(y(i+2)-y(i+1)/h(i+1)-(y(i+1)-y(i)/h(i)/(h(i+1)+h(i);endd=d;M=Gd;M=0;M;0;for i=1:n-1 z=x(i):0.01:x(i+1); m=length(z); for j=1:m s(j)=M(i)*(x(i+1)-z(j)3/0.6+M(i+1)*(z(j)-x(i)3/0.6+(y(i)-M(i)*0.01/6)*(x(i+1)-z(j)/0.1+(y(i+1)-M(i+1)*0.01/6)*(z(j)-x(i)/0.1; end plot(z,s,* r,MarkerSize,3) hold onendv=linspace(-1,0,100);u=sin(pi*v);plot(v,u,k)hold onv=linspace(0,0.5,50);u=cos(pi*v);plot(v,u,k)hold onv=linspace(0.5,1,50);u=0;plot(v,u,k)hold on