1. DEF
Zgodnie z twierdzeniem o błędzie interpolacji wielkość błędu zależy od dwóch czynników f(n+1)(ζx) oraz ∏i=0n(x−xi).
Na pierwszy z nich raczej nie mammy wpływu. Drugi natomiast zależy od wyboru węzłów interpolacji. Zajmiemy się wyborem węzłów, aby x∈[a;b]max∣∣∣∣∣∣i=0∏n(x−xi)∣∣∣∣∣∣→min.
Proces optymalizacji prowadzi do wielomianów Czebyszewa (I-szego rodzaju), który można zdefiniować rekurencyjnie ⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧T0(x)=1T1(x)=xTn+1=2xTn(x)−Tn−1(x)(n≥1)
Jak widać, wielomiany mają miejsca zerowe jednokrotne w przedziale [−1;1].
2. Twierdzenie#1
Dla x∈[−1;1] wielomiany Czebyszewa można przedstawić w postaci Tn(x)=cos(n⋅arccos(x))(n≥0).
2.1. D-d
Ze wzoru cos(α+β)=cosαcosβ−sinαsinβ dostajemy cos(n+1)θcos(n−2)θ=cosθcosnθ−sinθsinnθ=cosθcosnθ+sinθsinnθ
Dodając powyższe równości otrzymujemy cos(n+1)θ=2cosθcosnθ−cos(n−1)θ
Podstawiając θ=arccosx,x=cosθ i definiując funkcję fn(x)=cos(narccosx) łatwo zauważyć, że fn spełnia zależność rekurencyjną ⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧f0(x)=1f1(x)=xfn+1=2xfn(x)−fn−1(x)(n≥1)
Zatem fn=Tn.
3. Własności wielomianów Czebyszewa
Z Twierdzenie#1 wynikają następujące własności wielomianów Czebyszewa:
- wielomian Tn, n=1,2,… ma zera rj jednokrotne rzeczywiste leżące w przedziale (−1,1) i równe rj=cos2n(2j+1)π,j=0,1,…,(n−1).
- Tn ma również n+1 punktów ekstremalnych yj w przedziale [−1;1]: yj=cosnjπ,j=0,1,…,n, Tn(yj)=(−1)j.
- łatwo sprawdzić (patrząc na definicję rekurencyjną), że współczynnik an przy najwyższej potędze w Tn(x)=anxn+⋯ jest równy 2n−1. Zdefiniujmy wielomian T~n(x)=2n−11Tn(x)=(x−x0)(x−x1)⋯(x−xn−1) gdzie xi są zerami wielomianu Czebyszewa Tn(x).
4. Twierdzenie#2
Spośród wszystkich wielomianów stopnia n o współczynniku przy najwyższej potędze równym 1, wn(x)=xk+⋯, wielomian T~n ma najmniejsza normę 2n−11=x∈[−1;1]max∣∣∣∣T~n(x)∣∣∣∣≤x∈[−1;1]max∣wn(x)∣.
Używamy tutaj normy ∣∣⋅∣∣∞.
5. Problem interpolacji
Rozpatrzmy problem interpolacji w przedziale [−1;1]. Oczywiście węzły xi należą do [−1;1]. Jeżeli x∈[−1;1] to x∈[−1;1]max∣f(x)−p(x)∣≤(n+1)!1x∈[−1;1]max∣∣∣∣f(n+1)(x)∣∣∣∣x∈[−1;1]max∣∣∣∣∣∣i=0∏n(x−xi)∣∣∣∣∣∣ (twierdzenie o błędzie interpolacji)
Z Twierdzenie#2 wiemy, że maxx∈[−1;1]∣∏i=0n(x−xi)∣≥2−n oraz że wartość minimalna jest osiągana dla wielomianu T~n+1(x)=2nTn+1. Otrzymujemy więc twierdzenie o optymalnym doborze węzłów interpolacji.
6. Twierdzenie#3
Jeżeli w przedziale [−1;1] za węzły interpolacji xi przyjmiemy zera wielomianu Czebyszewa Tn+1, wówczas ∣f(x)−p(x)∣≤2n(n+1)!1t∈[−1;1]max∣∣∣∣f(n+1)(t)∣∣∣∣.