数值分析最佳平方逼近
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第二章 最佳平方逼近为了便于计算和分析,常常需要用一个简单的函数()x ϕ来近似代替给定的函数()f x ,这类问题称为函数逼近问题。
插值问题以及Taylor 展开问题都属于这类问题。
本章介绍另一种函数逼近问题,即最佳平方逼近。
最佳平方逼近问题的提法是:设()f x 是[],a b 上的连续函数,n H 是所有次数不超过n 的多项式的集合,在n H 中求()n P x *逼近()f x ,使()()()()()1/2222infnb n naP x H f Px f x P x dx f Pρ**∈⎡⎤-=-=-⎣⎦⎰此时称()n P x *为()f x 在[],a b 上的最佳平方逼近多项式。
我们将要研究()n P x *是否存在?是否唯一?如何求得()n P x *?首先介绍正交多项式及其性质。
§1、正交多项式正交多项式是函数逼近的重要工具,在数值积分中也有广泛的应用。
1.1正交函数系的概念定义1 设()x ρ定义在[],a b 上(有限或无限),如果满足条件:(1)()[]0,,x x a b ρ≥∈; (2)()()0,1,bnax x dx n ρ=⎰存在;(3)对非负连续函数()f x ,若()()0ba f x x dx ρ=⎰,则在[],a b 上一定有()0f x ≡那么称()x ρ是区间[],a b 上的权函数。
简称为权函数。
权函数()x ρ的一种解释是物理上的密度函数,相应的()bax dx ρ⎰表示总质量。
当()x ρ=常数时,表示质量分布是均匀的。
下面引进内积定义。
定义2 给定()[]()(),,,,f x g x C a b x ρ∈是[],a b 上的权函数,称 ()()(),()ba f g x f x g x dx ρ=⎰ ()1.1为函数()f x 与()g x 在[],a b 上的内积。
内积具有下列简单性质: ()f g g f (1)、(,)=,;()()()1212,)(,00.f g f g R f f g f g f g f f f ααα∈++≠>(2)、(,)=,;(3)、 (,)=(4)、 当时,, 此外,还有如下Cauchy-Schwarz 不等式()()()2,,,.f g f f g g ≤⋅ ()1.2我们知道,一个向量的长度的几何概念,对于函数空间及逼近有许多自然的应用。
25数值分析—最佳逼近━基于MATLAB的实现与分析§1 引 言所谓函数最佳逼近就是从指定的一类简单的函数中寻找一个和给定的函数“最贴近”的函数,从几何(空间)的角度看,函数最佳逼近就是从指定的一类简单的函数(点的集合)中寻找一个与给定的函数(定点)距离最短的函数(点)。
由于在函数空间中可以定义不同的距离,不同意义下的距离度量定义了不同的逼近准则。
令P 表示指定的一类简单的函数集合 1、函数最佳一致逼近: 基于的距离度量如下()[]()()d f P f x P x x a b ,,=-∈max (1)逼近准则:()[]()()x P x f P f d b a x P P -=∈P ∈P∈,max min ,min (2)2、函数最均方逼近:基于的距离度量如下()()()[][]d f P f x P x dx ab,=-⎰212(3)逼近准则()=P∈P f d P ,min minP ∈P()()[][]f x P x dx ab-⎰212(4)如果给定的是函数在若干点处的函数值:()()x f x i i ,,i =0,1,, n ,那么还有称为:3、最小二乘逼近: 基于的距离度量如下()()()[]d f P f x P x i i i n ,=-⎡⎣⎢⎤⎦⎥=∑012(5)逼近准则26()=P ∈P f d P ,min min P ∈P ()()[]f x P x i i i n-⎡⎣⎢⎤⎦⎥=∑012(6)4、插值逼近,其逼近准则为:()()i i x f x P =, ()n i x P ,,,, 10=P ∈ (7)对于函数最佳逼近问题而言,用于逼近的简单的函数集合一般选取次数不超过n 次的多项式函数全体()()()(){}P n k k x P x P x k n ==≤deg (8)即用多项式函数逼近给定的函数,其原因在于只需对自变量做加法、减法和乘法运算就能得到函数值是多项式函数显著的特点之一,因此,从计算的角度来说多项式函数是最简单的。