牛顿插值
牛顿插值把通过给定数据点的多项式写成逐步加项的形式。给互异节点 和数值 ,定义差商 ,递推 对应多项式为 。
三个点逐项添加
取 、、。一阶差商分别为 1、3;二阶差商为 。所以 代回 得 1、2、5。若再增加第四个节点,已有前三项可保留,只需计算新差商并加一项,这是牛顿形式的实用之处。
图中青色抛物线经过三个给定点;金色虚线若只取两端点连直线,虽穿过 、,却在 预测 3 而不是观测值 2。这说明仅两节点不足以固定第三点。实际牛顿构造按 的顺序:前两点先给直线 ,它在 预测 3;新项 在前两点为零、在第三点为 2,恰将预测值修正到 5。
与误差的区别
插值多项式在节点处精确等于给定值,不表示节点之间必然精确符合未知函数。若真实函数 在相应区间具有 阶导数,则对每个目标点 ,存在位于节点与 所围区间内的 ,使 节点间距、阶数与函数的高阶变化都影响误差;盲目增加等距节点可能出现端点振荡。
误差式可由重复使用罗尔定理证明。若 不是节点,令 ,并设 。它在 个节点及目标点 共取零 次;连续求导并反复应用罗尔定理,得到某个 使 。因为 ,乘积项的 阶导数为 ,便解得所写的 。若 本身是节点,误差与右侧乘积都为零,不需这个除法步骤。