数值计算方法第一次作业及参考答案1. 已测得函数()y f x =的三对数据：（0，1），（－1，5），（2，－1），（1）用Lagrange 插值求二次插值多项式。

（2）构造差商表。

（3）用Newton 插值求二次插值多项式。

解：(1)Lagrange 插值基函数为0(1)(2)1()(1)(2)(01)(02)2x x l x x x +-==-+-+-同理 1211()(2),()(1)36l x x x l x x x =-=+ 故 2202151()()(1)(2)(2)(1)23631i i i p x y l x x x x x x x x x =-==-+-+-++=-+∑ （2）令0120,1,2x x x ==-=，则一阶差商、二阶差商为0112155(1)[,]4,[,]20(1)12f x x f x x ---==-==-----0124(2)[,,]102f x x x ---==-（3）用对角线上的数据写出插值多项式22()1(4)(0)1*(0)(1)31P x x x x x x =+--+-+=-+2. 在44x -≤≤上给出()xf x e =的等距节点函数表，若用二次插值求xe 的近似值，要使截断误差不超过610-，问使用函数表的步长h 应取多少？解：()40000(),(),[4,4],,,, 1.x k x f x e f x e e x x h x x h x x th t ==≤∈--+=+≤考察点及(3)200044343()()[(()]()[()]3!(1)(1)(1)(1)3!3!.(4,4).6fR x x x h x x x x ht t tet h th t h e heξξ=----+-+≤+⋅⋅-=≤∈-则436((1)(1)100.006.t t th--+±<<在点得3.求2()f x x=在［a,b］上的分段线性插值函数()hI x，并估计误差。

解：22221111112211111()()k k k kh k kk k k k k kk k k kk k k kk kx x x x x xI x x x xx x x x x xx x x xx x x x xx x+++++++++++---=+=---⋅-⋅-=+--[]2112211()()()[()]11()()44h h k k k kk k k kR x f x I x x x x x x xx x x x x x h++++=-=-+-=--≤-=4.已知单调连续函数()y f x=的如下数据用插值法计算x约为多少时() 1.f x=（小数点后至少保留4位）解：作辅助函数()()1,g x f x=-则问题转化为x为多少时，()0.g x=此时可作新的关于()ig x的函数表。

由()f x单调连续知()g x也单调连续，因此可对()g x的数值进行反插。

的牛顿型插值多项式为1()0.110.097345( 2.23)0.451565( 2.23)( 1.10) 0.255894( 2.23)( 1.10)(0.17)x g y y y y y y y -==-+++++-++-故 1(0) 1.321497.x g -==5. 设函数()f x 在区间[0,3]上具有四阶连续导数,试用埃尔米特插值法,求一个次数不高于3的多项式3()P x ，使其满足3(0)0P =，3(1)1P =，3'(1)3P =,3(2)1P = 。

并写出误差估计式。

解：由所给条件可用埃尔米特插值法确定多项式3()P x ， 32357()722p x x x x =-+-2112(1)()(2);()(1)(2);();2x x x x x x x x x x αβα-=--=---=由题意可设23()()()()(1)(2)R x f x p x k x x x x =-=--为确定待定函数()k x ，作辅助函数： 23()()()()(1)(2)g t f t p t k t t t t =---- 则()g t 在[0,3]上存在四阶导数且在[0,3]上至少有5个零点,0,1,2(1t x t ==为二重零点），反复应用罗尔定理，知至少有一个零点(0,3)ξ∈使4()0g ξ=，从而得(4)1()()4!k x f ξ=。

故误差估计式为(4)21()()(1)(2)(0,3)4!R x f x x x ξξ=--∈6. 设函数()y f x =在节点0,1,2,3x =的函数值均为零，试分别求满足下列边界条件下的三次样条插值函数()S x ：（1）''(0)1,(3)0f f == （2）''''(0)1,(3)0f f ==解：（1）取i x 处的一阶导数i m 作为参数，1,2i =。

由于11111,1,3([,][,])022i i i i i i i i i i i i i h g f x x f x x h h λμλλμ-+-===-==+=+以及由三转角方程 112,1,2i i i i i i m m m g i λμ-+++==得 012123112022112022m m m m m m ⎧++=⎪⎪⎨⎪++=⎪⎩ 由于031,0,m m ==从而 12124140m m m m +=-⎧⎨+=⎩解之可得124/15,1/15m m =-=故 2(1)(1511)/15,[0,1]()(1)(2)(73)/15,[1,2](3)(2)/15,[2,3]x x x x S x x x x x x x x --∈⎧⎪=---∈⎨⎪--∈⎩（2）取i x 处的二阶导数i M 作为参数，1,2i =。

由于111111,1,6[,,]022i i i i i i i i i i h d f x x x h h μλμ--+-===-===+以及由三弯矩方程0121112311202221,2112022i i i i i iM M M M M M d i M M M μλ-+⎧++=⎪⎪++==⇒⎨⎪++=⎪⎩ 由于031,0,M M ==代入方程可得 134/15,1/15,M M =-=故 (1)(1926)/90,[0,1]()(1)(2)(512)/90,[1,2](3)(2)(4)/90,[2,3]x x x x S x x x x x x x x x --∈⎧⎪=---∈⎨⎪---∈⎩7．编程实现题：略。

8、试求 ()sin ,[0,]2f x x x π=∈最佳一次一致逼近多项式。

解：因为''()sin f x x =-在[0,/2]π内不变号，故最佳一次一致逼近多项式为*1111()[(0)()]/2(/2)P x f f x a x x =++-式中 '11111(/2)(0)20.63661977()cos 0.88068924/20f f a a f x x x πππ-=====⇒=-从而 *1111()(sin )/2(/2)0.105256830.63661977P x x a x x x =+-=+9、给定43()1f x x x =+-，试利用最小零偏差定理，即切比雪夫多项式的最小零偏差性质，在[0,1]上求()f x 的三次最佳一致逼近多项式。

2342234(()21,()43,()881)T x x T x x x T x x x =-=-=-+解：令4311121()()()3() 1.222t t t t x f x f +++=-⇒==+- 设*3()P x 为()f x 在[0,1]上的三次最佳一致逼近多项式，由于1()2t f +的首项系数为412，故 *3441*43423*434233211116[()()]()2221111()()()1(881)2221681()(31)[8(21)8(21)1]168511293.[0,1]44128t t f P T t t t t P t t P x x x x x x x x x -++-=+++⇒=+---+⨯⇒=+-----+⨯=-+-∈10、设{}{}100101121,,,span x span x x ϕϕ==，分别在12ϕϕ、上求一函数，使其为2[0,1]x C ∈的最佳平方逼近，并比较其结果。

解：**01112000100121110011220100***010*1***101221221 (,)11,(,),211(,),(,),3211(,)1,(,),34111123()611161234a a xdx xdx x dx f x dx f x xdx a a a x xa a a fϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕδ=+========⋅==⋅=⎧+=⎧⎪=-⎪⎪⇒⇒⇒=-+⎨⎨⎪⎪=+=⎩⎪⎩=-⎰⎰⎰⎰⎰*1(1)设因1*(,)0.00556k k k a f ϕ=≈∑**100*1012011110021001010001100011110121021031101000**01**01(2)()11(,)(),(,)(,),201202111(,)(),(,),(,).203103104111201202103111202203104x b x b x x dx x x dx x dx f x dx f x dx b b b b ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ=+====⋅=======⎧+=⇒+=⎰⎰⎰⎰⎰设*0*1*10010121122*4222375.24253375.14825()375.24253375.14825.11(,)[375.24253375.14825]0.16406103104k k k b b x x x fb f x dx ϕδϕ=⎪⎧≈⎪⇒⎨⎨≈-⎩⎪⎪⎩⇒=-=-=-⨯-⨯≈∑⎰ 由结果知（1）比（2）好。

11、用最小二乘法求一个形如2y a bx =+的经验公式，使它与下列数据拟合，并计算均方误差。

解：44222010000442011001044411110044000042110()1,().(,)()15,(,)(,)()()5327,(,)()()7277699,(,)()271.4,(,)()i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i x x x x x x x x x x y x y y y x y x ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ==========================∑∑∑∑∑∑∑∑∑因有422201222369321.5,55327271.40.972604553277277699369321.50.05003510.97260450.0500351.(,)(,)0.016954.0.130207526.i i y a b a a b b y x y a y b y δϕϕδ==+==⎧⎧⇒⇒⎨⎨+==⎩⎩⇒=+=--==∑12、用格拉姆－施密特方法构造正交多项式求()sin f x x π=在［0，1］上的二次最佳平方逼近多项式。