Lineáris algebra epizód tartalma:
Itt szuper-érthetően elmeséljük neked, hogy mi az a Lagrange-féle interpolációs polinom és mire lehet használni. Az interpolációs polinomok közül ez a legegyszerűbb és a leggyakoribb. Megnézzük a Lagrange interoláció képletét és nézünk rá példákat.
A képsor tartalma
Egy olyan polinomot fogunk gyártani, ami előre megadott pontokon megy át.
Ezeket a polinomokat interpolációs polinomnak nevezzük.
Interpolációs polinomból többféle is van. Az egyik legegyszerűbb a Lagrange-féle interpolációs polinom. Szintén könnyen használható és elterjedt a Newton-interpoláció és a Hermite-interpoláció is. Mindegyikre fogunk nézni egy-egy példát.
Íme, itt vannak a pontok.
Vagy épp ezek.
Vagy ezek.
A dolog lényege, hogy bárhol lehetnek, és bármennyi.
Minél több pontunk van, a polinom fokszáma annál nagyobb lesz.
Kezdetnek most elég ez a három.
Azt a polinom-függvényt fogjuk megalkotni, ami 1-ben 3-at vesz föl…
2-ben 5-öt…
és 4-ben 1-et.
Először egy olyan polinomot fogunk gyártani, ami 1-ben 3-at vesz föl és a másik két helyen nullát.
Ehhez mindössze annyit kell megértenünk, hogy ez a polinom:
Itt nulla.
Meg itt…
Meg itt, meg itt.
És, ha azt szeretnénk, hogy még 6-ban is nulla legyen…
Hát, éppen arról is lehet beszélni.
Az a polinom-függvény, ami 1-ben 3-at vesz föl és a másik két helyen nullát, valahogy így fog kinézni.
De sajnos van egy kis gond.
Ha behelyettesítjük az 1-et…
akkor nem jön ki a 3.
Eddig jó.
Most gyártani fogunk egy másik polinom-függvényt, ami 1-ben és 4-ben nulla…
De ha 2-t helyettesítünk bele, akkor van egy kis gond.
Nem az jön ki, ami nekünk kéne.
Ezt a kis problémát így tudjuk megoldani.
Ha most ebbe helyettesítjük be a 2-t…
Nem túl meglepő módon az jön ki, hogy 1.
Mondjuk, jobb lenne, ha az jönne ki, hogy 5.
Hát, ezen könnyen lehet segíteni.
Ezzel megalkottuk azt a polinom-függvényt, ami 1-ben és 4-ben nullát vesz föl, 2-ben pedig a függvényérték 5.
És végül itt jön az a polinom-függvény, ami 1-ben és 2-ben nulla, 4-ben pedig 1-et vesz föl.
Eddig ott járunk, hogy 1-ben és 2-ben nulla.
De 4-ben sajnos…
Hát nem baj, akkor jön megint az előző trükk.
És ha most helyettesítjük be a 4-et…
Akkor már az jön ki, hogy 1.
És az pont jó is.
Nézzük, mi történik, ha ezt a három polinomot összeadjuk.
Az így kapott polinom éppen azt tudja, amit kell.
1-ben 3-at vesz föl, 2-ben 5-öt, és 4-ben 1-et.
Lássunk még egy ilyet.
Gyártsunk egy olyan polinom-függvényt, ami 1-ben 4-et, 2-ben 3-at és 4-ben 2-t vesz föl.
Az első polinom a másik két helyen nulla…
ha pedig x1-et helyettesítjük be, akkor 4-et kall kapnunk.
Az második polinom is a másik két helyen nulla…
és x2-ben 3-at kell kapnunk.
Végül itt jön a harmadik polinom.
Az első két helyen nullát vesz föl…
ha 4-et helyettesítünk bele, akkor pedig 2-t.
Az interpolációs polinomok világában ez a módszer az egyik legegyszerűbb.
És úgy hívják, hogy Lagrange-féle interpolációs polinom.
Most pedig lássuk, mi történik akkor, ha nem három, hanem négy pont van.
Gyártsunk egy olyan polinom-függvényt, ami 1-ben 3-at, 2-ben 6-ot, 4-ben 2-t és 5-ben 4-et vesz föl.
Először egy olyan polinomot fogunk gyártani, ami a másik három helyen nulla…
és 1-ben pedig 3-at vesz föl.
Aztán itt jön ez, ami 2-ben 6-ot vesz föl, a másik három helyen pedig nullát.
Végül még kellenek nekünk ezek is.
Azt a polinomot, amely x1-ben y1-et, x2-ben y2-t és így tovább xn-ben yn értéket vesz föl általánosan így tudjuk legyártani:
Ennek a polinomnak a fokszáma n-1 és Lagrange-féle interpolációs polinomnak nevezzük.
A képlet így első ránézésre megjegyezhetetlennek tűnik…
de azért van remény.
Itt az első tagban pont az x1-es tényező hiányzik.
Ez a fura jel itt azt jelenti, hogy produktum, vagyis össze kell szorozni.
Az n-edik tagban pedig az xn-es tényezők hiányoznak.
Na, és ezek vannak összeadva 1-től n-ig.
Hát ez csodás.
De ami még ennél is csodálatosabb, hogy nem csak Lagrange-féle interpolációs polinomok léteznek.