Wielomiany Czebyszewa

by Jerry Sky

2020-11-17



1. DEF

Zgodnie z twierdzeniem o błędzie interpolacji wielkość błędu zależy od dwóch czynników f(n+1)(ζx)f^{(n+1)}(\zeta_x) oraz i=0n(xxi)\prod_{i=0}^n (x - x_i).
Na pierwszy z nich raczej nie mammy wpływu. Drugi natomiast zależy od wyboru węzłów interpolacji. Zajmiemy się wyborem węzłów, aby maxx[a;b]i=0n(xxi)min. \max_{x \in [a;b]} \left\lvert \prod_{i=0}^n (x - x_i) \right\rvert \to \min.

Proces optymalizacji prowadzi do wielomianów Czebyszewa (I-szego rodzaju), który można zdefiniować rekurencyjnie {T0(x)=1T1(x)=xTn+1=2xTn(x)Tn1(x)(n1) \begin{cases} T_0(x) = 1\\ T_1(x) = x\\ T_{n+1} = 2x T_n(x) - T_{n-1}(x) \quad (n \ge 1) \end{cases}

Jak widać, wielomiany mają miejsca zerowe jednokrotne w przedziale [1;1][-1;1].

2. Twierdzenie#1

Dla x[1;1]x \in [-1;1] wielomiany Czebyszewa można przedstawić w postaci Tn(x)=cos(narccos(x))(n0)T_n(x) = \cos\left( n \cdot \arccos(x) \right) \enspace (n\ge0).

2.1. D-d

Ze wzoru cos(α+β)=cosαcosβsinαsinβ\cos(\alpha + \beta) = \cos\alpha \cos\beta - \sin\alpha \sin\beta dostajemy cos(n+1)θ=cosθcosnθsinθsinnθcos(n2)θ=cosθcosnθ+sinθsinnθ \begin{aligned} \cos(n+1)\theta &= \cos\theta \cos n\theta - \sin\theta \sin n\theta\\ \cos(n-2)\theta &= \cos\theta \cos n\theta + \sin\theta \sin n\theta \end{aligned}

Dodając powyższe równości otrzymujemy cos(n+1)θ=2cosθcosnθcos(n1)θ \cos(n + 1)\theta = 2\cos\theta \cos n\theta - \cos(n-1)\theta

Podstawiając θ=arccosx,x=cosθ\theta = \arccos x,\, x = \cos\theta i definiując funkcję fn(x)=cos(narccosx)f_n(x) = \cos(n\arccos x) łatwo zauważyć, że fnf_n spełnia zależność rekurencyjną {f0(x)=1f1(x)=xfn+1=2xfn(x)fn1(x)(n1) \begin{cases} f_0(x) = 1\\ f_1(x) = x\\ f_{n+1} = 2x f_n(x) - f_{n-1}(x) \quad (n\ge1) \end{cases}

Zatem fn=Tnf_n = T_n.


3. Własności wielomianów Czebyszewa

Z Twierdzenie#1 wynikają następujące własności wielomianów Czebyszewa:


4. Twierdzenie#2

Spośród wszystkich wielomianów stopnia nn o współczynniku przy najwyższej potędze równym 11, wn(x)=xk+w_n(x) = x^k + \dotsb, wielomian T~n\tilde{T}_n ma najmniejsza normę 12n1=maxx[1;1]T~n(x)maxx[1;1]wn(x). \frac{1}{2^{n-1}} = \max_{x\in [-1;1]} \left\lvert \tilde{T}_n(x) \right\rvert \le \max_{x \in [-1;1]} |w_n(x)|.

Używamy tutaj normy ||\cdot||_\infty.

5. Problem interpolacji

Rozpatrzmy problem interpolacji w przedziale [1;1][-1; 1]. Oczywiście węzły xix_i należą do [1;1][-1;1]. Jeżeli x[1;1]x \in [-1;1] to maxx[1;1]f(x)p(x)1(n+1)!maxx[1;1]f(n+1)(x)maxx[1;1]i=0n(xxi) \max_{x \in [-1;1]} \left\lvert f(x) - p(x) \right\rvert \le \frac{1}{(n+1)!} \max_{x \in [-1;1]} \left\lvert f^{(n+1)}(x) \right\rvert \max_{x \in [-1;1]} \left\lvert \prod_{i=0}^n (x - x_i) \right\rvert (twierdzenie o błędzie interpolacji)

Z Twierdzenie#2 wiemy, że maxx[1;1]i=0n(xxi)2n\max_{x \in [-1;1]} \left\lvert \prod_{i=0}^n (x - x_i) \right\rvert \ge 2^{-n} oraz że wartość minimalna jest osiągana dla wielomianu T~n+1(x)=Tn+12n\tilde{T}_{n+1}(x) = \frac{T_{n+1}}{2^n}. Otrzymujemy więc twierdzenie o optymalnym doborze węzłów interpolacji.

6. Twierdzenie#3

Jeżeli w przedziale [1;1][-1;1] za węzły interpolacji xix_i przyjmiemy zera wielomianu Czebyszewa Tn+1T_{n+1}, wówczas f(x)p(x)12n(n+1)!maxt[1;1]f(n+1)(t). \left\lvert f(x) - p(x) \right\rvert \le \frac{1}{2^n (n+1)!} \max_{t \in [-1;1]} \left\lvert f^{(n+1)}(t) \right\rvert.