المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر


Lagrange Interpolating Polynomial  
  
2425   02:54 صباحاً   date: 19-11-2021
Author : Abramowitz, M. and Stegun, I. A.
Book or Source : Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover
Page and Part : ...


Read More
Date: 23-8-2021 1202
Date: 29-9-2021 1558
Date: 30-8-2021 1637

Lagrange Interpolating Polynomial

 LagrangeInterpolatingPoly

The Lagrange interpolating polynomial is the polynomial P(x) of degree <=(n-1) that passes through the n points (x_1,y_1=f(x_1))(x_2,y_2=f(x_2)), ..., (x_n,y_n=f(x_n)), and is given by

 P(x)=sum_(j=1)^nP_j(x),

(1)

where

 P_j(x)=y_jproduct_(k=1; k!=j)^n(x-x_k)/(x_j-x_k).

(2)

Written explicitly,

P(x) = ((x-x_2)(x-x_3)...(x-x_n))/((x_1-x_2)(x_1-x_3)...(x_1-x_n))y_1+((x-x_1)(x-x_3)...(x-x_n))/((x_2-x_1)(x_2-x_3)...(x_2-x_n))y_2+...+((x-x_1)(x-x_2)...(x-x_(n-1)))/((x_n-x_1)(x_n-x_2)...(x_n-x_(n-1)))y_n.

(3)

The formula was first published by Waring (1779), rediscovered by Euler in 1783, and published by Lagrange in 1795 (Jeffreys and Jeffreys 1988).

Lagrange interpolating polynomials are implemented in the Wolfram Language as InterpolatingPolynomial[datavar]. They are used, for example, in the construction of Newton-Cotes formulas.

When constructing interpolating polynomials, there is a tradeoff between having a better fit and having a smooth well-behaved fitting function. The more data points that are used in the interpolation, the higher the degree of the resulting polynomial, and therefore the greater oscillation it will exhibit between the data points. Therefore, a high-degree interpolation may be a poor predictor of the function between points, although the accuracy at the data points will be "perfect."

For n=3 points,

P(x) = ((x-x_2)(x-x_3))/((x_1-x_2)(x_1-x_3))y_1+((x-x_1)(x-x_3))/((x_2-x_1)(x_2-x_3))y_2+((x-x_1)(x-x_2))/((x_3-x_1)(x_3-x_2))y_3

(4)

= (2x-x_2-x_3)/((x_1-x_2)(x_1-x_3))y_1+(2x-x_1-x_3)/((x_2-x_1)(x_2-x_3))y_2+(2x-x_1-x_2)/((x_3-x_1)(x_3-x_2))y_3.

(5)

Note that the function P(x) passes through the points (x_i,y_i), as can be seen for the case n=3,

P(x_1) = ((x_1-x_2)(x_1-x_3))/((x_1-x_2)(x_1-x_3))y_1+((x_1-x_1)(x_1-x_3))/((x_2-x_1)(x_2-x_3))y_2+((x_1-x_1)(x_1-x_2))/((x_3-x_1)(x_3-x_2))y_3=y_1

(6)

P(x_2) = ((x_2-x_2)(x_2-x_3))/((x_1-x_2)(x_1-x_3))y_1+((x_2-x_1)(x_2-x_3))/((x_2-x_1)(x_2-x_3))y_2+((x_2-x_1)(x_2-x_2))/((x_3-x_1)(x_3-x_2))y_3=y_2

(7)

P(x_3) = ((x_3-x_2)(x_3-x_3))/((x_1-x_2)(x_1-x_3))y_1+((x_3-x_1)(x_3-x_3))/((x_2-x_1)(x_2-x_3))y_2+((x_3-x_1)(x_3-x_2))/((x_3-x_1)(x_3-x_2))y_3=y_3.

(8)

Generalizing to arbitrary n,

 P(x_j)=sum_(k=1)^nP_k(x_j)=sum_(k=1)^ndelta_(jk)y_k=y_j.

(9)

The Lagrange interpolating polynomials can also be written using what Szegö (1975) called Lagrange's fundamental interpolating polynomials. Let

pi(x) = product_(k=1)^(n)(x-x_k)

(10)

pi(x_j) = product_(k=1)^(n)(x_j-x_k),

(11)

= [(dpi)/(dx)]_(x=x_j)

(12)

= product_(k=1; k!=j)^(n)(x_j-x_k)

(13)

so that pi(x) is an nth degree polynomial with zeros at x_1, ..., x_n. Then define the fundamental polynomials by

(14)

which satisfy

 pi_nu(x_mu)=delta_(numu),

(15)

where delta_(numu) is the Kronecker delta. Now let y_1=P(x_1), ..., y_n=P(x_n), then the expansion

(16)

gives the unique Lagrange interpolating polynomial assuming the values y_k at x_k. More generally, let dalpha(x) be an arbitrary distribution on the interval [a,b]{p_n(x)} the associated orthogonal polynomials, and l_1(x), ..., l_n(x) the fundamental polynomials corresponding to the set of zeros of a polynomial P_n(x). Then

 int_a^bl_nu(x)l_mu(x)dalpha(x)=lambda_mudelta_(numu)

(17)

for nu,mu=1, 2, ..., n, where lambda_nu are Christoffel numbers.

Lagrange interpolating polynomials give no error estimate. A more conceptually straightforward method for calculating them is Neville's algorithm.


REFERENCES:

Abramowitz, M. and Stegun, I. A. (Eds.). Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover, pp. 878-879 and 883, 1972.

Beyer, W. H. (Ed.). CRC Standard Mathematical Tables, 28th ed. Boca Raton, FL: CRC Press, p. 439, 1987.

Jeffreys, H. and Jeffreys, B. S. "Lagrange's Interpolation Formula." §9.011 in Methods of Mathematical Physics, 3rd ed. Cambridge, England: Cambridge University Press, p. 260, 1988.

Pearson, K. Tracts for Computers 2, 1920.

Press, W. H.; Flannery, B. P.; Teukolsky, S. A.; and Vetterling, W. T. "Polynomial Interpolation and Extrapolation" and "Coefficients of the Interpolating Polynomial." §3.1 and 3.5 in Numerical Recipes in FORTRAN: The Art of Scientific Computing, 2nd ed. Cambridge, England: Cambridge University Press, pp. 102-104 and 113-116, 1992.

Séroul, R. "Lagrange Interpolation." §10.9 in Programming for Mathematicians. Berlin: Springer-Verlag, pp. 269-273, 2000.

Szegö, G. Orthogonal Polynomials, 4th ed. Providence, RI: Amer. Math. Soc., pp. 329 and 332, 1975.

Waring, E. Philos. Trans. 69, 59-67, 1779.

Whittaker, E. T. and Robinson, G. "Lagrange's Formula of Interpolation." §17 in The Calculus of Observations: A Treatise on Numerical Mathematics, 4th ed. New York: Dover, pp. 28-30, 1967.




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.