整理一下数值分析的笔记~
目录:

1. 误差
2. 多项式插值与样条插值(THIS)
3. 函数逼近
4. 数值积分与数值微分
5. 线性方程组的直接解法
6. 线性方程组的迭代解法
7. 非线性方程求根
8. 特征值和特征向量的计算
9. 常微分方程初值问题的数值解

1. 分段低次插值

1.1 高次插值的龙格现象

  龙格现象就是插值多项式不收敛现象,节点(插值多项式的次数)增加不会带来精度的改善,甚至可能增加误差。

1.2 分段低次插值

  插值时先把整个区间分成若干个小区间,每个区间上作低次插值,拼一个分段函数作插值函数。优点诸多但是缺点时节点处导数值不连续,这就产生了样条插值。

2. 三次样条插值

2.1 样条曲线的特点

  • 点点通过 →\rarr→ 插值

  • 光顺

  • 计算简单

  • (对于低阶样条)保凸

2.2 三次样条

定义:设a=x0&lt;x1&lt;...&lt;xn=ba=x_0 &lt; x_1&lt;...&lt;x_n=ba=x0​<x1​<...<xn​=b,函数S(x)∈C2[a,b]S(x) \in C^2[a,b]S(x)∈C2[a,b],且在每个[xi,xi+1][x_i,x_{i+1}][xi​,xi+1​]上为三次多项式,同时满足S(xi)=f(xi),(i=0,1,...,n)S(x_i)=f(x_i),(i=0,1,...,n)S(xi​)=f(xi​),(i=0,1,...,n),则称f为三次样条插值函数。

{三次样条与分段Hermite插值的根本区别在于其自身光滑除了端点外不需要知道f的导数值}

若S为f的三次样条插值函数:

S(x)={S1(x),x∈[x0,x1]S2(x),x∈[x1,x2]...Sn(x),x∈[xn−1,xn]S(x)=\begin{cases} S_1(x),&amp;x \in [x_0,x_1]\\ S_2(x),&amp;x \in [x_1,x_2] \\ ...\\ S_n(x), &amp;x \in [x_{n-1},x_n] \end{cases} S(x)=⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧​S1​(x),S2​(x),...Sn​(x),​x∈[x0​,x1​]x∈[x1​,x2​]x∈[xn−1​,xn​]​

则Si(x)=ai0+ai1x+ai2x2+ai3x3,i=1,2,...,nS_i(x)=a_{i0}+a_{i1}x+a_{i2}x^2+a_{i3}x^3,i=1,2,...,nSi​(x)=ai0​+ai1​x+ai2​x2+ai3​x3,i=1,2,...,n,也就是共有4n个待定系数,而已知条件只有4n-2个,即:

i=0,1,2,...,n时,S(xi)=f(xi)i=1,2,...,n−1时,S(xi−)=S(xi+),S′(xi−)=S′(xi+),S′′(xi−)=S′′(xi+)i=0,1,2,...,n时,S(x_i)=f(x_i)\\ i=1,2,...,n-1时,S(x_i^-)=S(x_i^+),\\S'(x_i^-)=S'(x_i^+),\\S''(x_i^-)=S''(x_i^+) i=0,1,2,...,n时,S(xi​)=f(xi​)i=1,2,...,n−1时,S(xi−​)=S(xi+​),S′(xi−​)=S′(xi+​),S′′(xi−​)=S′′(xi+​)

还需要两个才能确定最终的系数,通常是在区间端点a,b上各加一个条件即边界条件,由实际问题给出,常用的有三种类型:

  • 给定两端点f(x)的一阶导数值S′(x0)=f′(x0),S′(xn)=f′(xn)S'(x_0)=f'(x_0),S'(x_n)=f'(x_n)S′(x0​)=f′(x0​),S′(xn​)=f′(xn​)

  • 给定两端点f(x)的二阶导数值S′′(x0)=f′′(x0),S′′(xn)=f′′(xn)S''(x_0)=f''(x_0),S''(x_n)=f''(x_n)S′′(x0​)=f′′(x0​),S′′(xn​)=f′′(xn​)

  • f具有周期性,即:S(x0+)=S(xn−),S′(x0+)=S′(xn−),S′′(x0+)=S′′(xn−)S(x_0^+)=S(x_n^-),S'(x_0^+)=S'(x_n^-),S''(x_0^+)=S''(x_n^-)S(x0+​)=S(xn−​),S′(x0+​)=S′(xn−​),S′′(x0+​)=S′′(xn−​)

但是通过4n个方程得到4n个待定参数也只是理论上可行,实际计算量太大,由此提出两种简单的构造方法:

2.3 三转角法(从样条函数的一阶导数出发)

假定S′(xj)=mj(j=0,...,n)S'(x_j)=m_j(j=0,...,n)S′(xj​)=mj​(j=0,...,n),根据分段三次埃尔米特插值多项式:

S(x)=∑j=0n[fjαj(x)+mjβj(x)],其中αj(x)和βj(x)为三次埃尔米塔插值基函数S(x)=\sum_{j=0}^n[f_j\alpha_j(x)+m_j\beta_j(x)],\\ 其中\alpha_j(x)和\beta_j(x)为三次埃尔米塔插值基函数 S(x)=j=0∑n​[fj​αj​(x)+mj​βj​(x)],其中αj​(x)和βj​(x)为三次埃尔米塔插值基函数

由插值条件,连续性条件和边界条件可得关于mjm_jmj​的三对角方程组,求出mjm_jmj​,得到三次样条插值函数。

2.4 三弯矩法(从样条函数的二阶导数出发)

S在[xi−1,xi][x_{i-1},x_i][xi−1​,xi​]上为三次多项式,所以其二阶导数必为一次式。

设S(x)在节点xix_ixi​处的二阶导数为:S′′(xi)=Mi(i=0,1,...,n)S''(x_i)=M_i(i=0,1,...,n)S′′(xi​)=Mi​(i=0,1,...,n),则s′′(x)s''(x)s′′(x)在此小区间上是x的线性函数,且因为S′′(xi−1)=Mi−1,S′′(xi)=MiS''(x_{i-1})=M_{i-1},S''(x_{i})=M_{i}S′′(xi−1​)=Mi−1​,S′′(xi​)=Mi​,用线性插值可得:

Si′′(x)=Mi−1x−xixi−1−xi+Mix−xi−1xi−xi−1,x∈[xi−1,xi]记hi=xi−xi−1,有S′′(x)=Mi−1xi−xhi+Mix−xi−1hi连续两次积分得Si(x)=Mi−1(xi−x)36hi+Mi(x−xi−1)36hi+Ai(xi−x)+Bi(x−xi−1)由于Si(xi−1)=f(xi−1)=yi−1且Si(xi)=f(xi)=yi得:Si(xi−1)=16Mi−1hi2+Aihi=yi−1Si(xi)=16Mihi2+Bihi=yi得:Ai=1hi(yi−1+16Mi−1hi2)Bi=1hi(yi+16Mihi2)代入得:Si(x)=Mi−1(xi−x)36hi+Mi(x−xi−1)36hi+1hi(yi−1+16Mi−1hi2)(xi−x)+1hi(yi+16Mihi2)(x−xi−1),x∈[xi−1,xi]其中M0,M−1,...,Mn是待求的常数,可利用S′(xi−0)=S′(xi+0)求出MiS_i''(x)=M_{i-1}\frac{x-x_i}{x_{i-1}-x_i}+\\ M_i\frac{x-x_{i-1}}{x_i-x_{i-1}},x \in [x_{i-1},x_i]\\ 记h_i=x_i-x_{i-1},有\\ S''(x)=M_{i-1}\frac{x_i-x}{h_i}+M_i\frac{x-x_{i-1}}{h_i}\\ 连续两次积分得\\ S_i(x)=M_{i-1}\frac{(x_i-x)^3}{6h_i}+M_i\frac{(x-x_{i-1})^3}{6h_i}+\\A_i(x_i-x)+B_i(x-x_{i-1})\\ 由于S_i(x_{i-1})=f(x_{i-1})=y_{i-1}且\\S_i(x_i)=f(x_i)=y_i\\ 得:S_i(x_{i-1})=\frac{1}{6}M_{i-1}h^2_i+A_ih_i=y_{i-1}\\S_i(x_i)=\frac{1}{6}M_ih_i^2+B_ih_i=y_i\\ 得:A_i=\frac{1}{h_i}\left(y_{i-1}+\frac{1}{6}M_{i-1}h_i^2\right)\\ B_i=\frac{1}{h_i}\left(y_{i}+\frac{1}{6}M_{i}h_i^2\right)\\ 代入得:\\ S_i(x)=M_{i-1}\frac{(x_i-x)^3}{6h_i}+M_i\frac{(x-x_{i-1})^3}{6h_i}+\\\frac{1}{h_i}\left(y_{i-1}+\frac{1}{6}M_{i-1}h_i^2\right)(x_i-x)+\\\frac{1}{h_i}\left(y_{i}+\frac{1}{6}M_{i}h_i^2\right)(x-x_{i-1}),x\in[x_{i-1},x_i]\\ 其中M_0,M-1,...,M_n是待求的常数,\\可利用S'(x_i-0)=S'(x_i+0)求出M_i Si′′​(x)=Mi−1​xi−1​−xi​x−xi​​+Mi​xi​−xi−1​x−xi−1​​,x∈[xi−1​,xi​]记hi​=xi​−xi−1​,有S′′(x)=Mi−1​hi​xi​−x​+Mi​hi​x−xi−1​​连续两次积分得Si​(x)=Mi−1​6hi​(xi​−x)3​+Mi​6hi​(x−xi−1​)3​+Ai​(xi​−x)+Bi​(x−xi−1​)由于Si​(xi−1​)=f(xi−1​)=yi−1​且Si​(xi​)=f(xi​)=yi​得:Si​(xi−1​)=61​Mi−1​hi2​+Ai​hi​=yi−1​Si​(xi​)=61​Mi​hi2​+Bi​hi​=yi​得:Ai​=hi​1​(yi−1​+61​Mi−1​hi2​)Bi​=hi​1​(yi​+61​Mi​hi2​)代入得:Si​(x)=Mi−1​6hi​(xi​−x)3​+Mi​6hi​(x−xi−1​)3​+hi​1​(yi−1​+61​Mi−1​hi2​)(xi​−x)+hi​1​(yi​+61​Mi​hi2​)(x−xi−1​),x∈[xi−1​,xi​]其中M0​,M−1,...,Mn​是待求的常数,可利用S′(xi​−0)=S′(xi​+0)求出Mi​

由于:

Si(x)=Mi−1(xi−x)36hi+Mi(x−xi−1)36hi+1hi(yi−1+16Mi−1hi2)(xi−x)+1hi(yi+16Mihi2)(x−xi−1),x∈[xi−1,xi]求导,Si′(x)=−Mi−1(xi−x)22hi+Mi(x−xi−1)22hi+(yi−yi−1)hi+hi6(Mi−Mi−1)S_i(x)=M_{i-1}\frac{(x_i-x)^3}{6h_i}+M_i\frac{(x-x_{i-1})^3}{6h_i}+\\ \frac{1}{h_i}\left(y_{i-1}+\frac{1}{6}M_{i-1}h_i^2\right)(x_i-x)+\\\frac{1}{h_i}\left(y_{i}+\frac{1}{6}M_{i}h_i^2\right)(x-x_{i-1}),x\in[x_{i-1},x_i]\\ 求导,S_i'(x)=-M_{i-1}\frac{(x_i-x)^2}{2h_i}+M_i\frac{(x-x_{i-1})^2}{2h_i}+\\\frac{(y_i-y_{i-1})}{h_i}+\frac{h_i}{6}(M_i-M_{i-1}) Si​(x)=Mi−1​6hi​(xi​−x)3​+Mi​6hi​(x−xi−1​)3​+hi​1​(yi−1​+61​Mi−1​hi2​)(xi​−x)+hi​1​(yi​+61​Mi​hi2​)(x−xi−1​),x∈[xi−1​,xi​]求导,Si′​(x)=−Mi−1​2hi​(xi​−x)2​+Mi​2hi​(x−xi−1​)2​+hi​(yi​−yi−1​)​+6hi​​(Mi​−Mi−1​)

由此得:

Si′(xi−0)=hi6Mi−1+hi3Mi+yi−yi−1hiSi′(xi−1+0)=−hi3Mi−1−hi6Mi+yi−yi−1hi得Si+1′(xi+0)=−hi+13Mi−hi+16Mi+1+yi+1−yihi+1S'_i(x_i-0)=\frac{h_i}{6}M_{i-1}+\frac{h_i}{3}M_i+\frac{y_i-y_{i-1}}{h_i}\\ S'_i(x_{i-1}+0)=-\frac{h_i}{3}M_{i-1}-\frac{h_i}{6}M_i+\frac{y_i-y_{i-1}}{h_i}\\ 得S'_{i+1}(x_{i}+0)=-\frac{h_{i+1}}{3}M_{i}-\frac{h_{i+1}}{6}M_{i+1}+\frac{y_{i+1}-y_{i}}{h_{i+1}} Si′​(xi​−0)=6hi​​Mi−1​+3hi​​Mi​+hi​yi​−yi−1​​Si′​(xi−1​+0)=−3hi​​Mi−1​−6hi​​Mi​+hi​yi​−yi−1​​得Si+1′​(xi​+0)=−3hi+1​​Mi​−6hi+1​​Mi+1​+hi+1​yi+1​−yi​​

因为Si′(xi−0)=Si+1′(xi+0)S_i'(x_i-0)=S_{i+1}'(x_i+0)Si′​(xi​−0)=Si+1′​(xi​+0)可以求出参数Mi−1,Mi,Mi+1M_{i-1},M_i,M_{i+1}Mi−1​,Mi​,Mi+1​的一个方程:

hi6Mi−1+hi+hi+13Mi+hi+16Mi+1=yi+1−yihi+1+yi−yi−1hi\frac{h_i}{6}M_{i-1}+\frac{h_i+h_{i+1}}{3}M_i+\frac{h_{i+1}}{6}M_{i+1}=\\\frac{y_{i+1}-y_i}{h_{i+1}}+\frac{y_{i}-y_{i-1}}{h_{i}} 6hi​​Mi−1​+3hi​+hi+1​​Mi​+6hi+1​​Mi+1​=hi+1​yi+1​−yi​​+hi​yi​−yi−1​​

两边同乘6hi+hi+1\frac{6}{h_i+h_{i+1}}hi​+hi+1​6​,得方程:

hihi+hi+1Mi−1+2Mi+hi+1hi+hi+1Mi+1=6hi+hi+1(f[xi,xi+1]−f[xi−1,xi])\frac{h_i}{h_i+h_{i+1}}M_{i-1}+2M_i+\frac{h_{i+1}}{h_i+h_{i+1}}M_{i+1}=\\\frac{6}{h_i+h_{i+1}}\left(f[x_i,x_{i+1}]-f[x_{i-1},x_i]\right) hi​+hi+1​hi​​Mi−1​+2Mi​+hi​+hi+1​hi+1​​Mi+1​=hi​+hi+1​6​(f[xi​,xi+1​]−f[xi−1​,xi​])

令:

μi=hihi+hi+1λi=hi+1hi+hi+1=1−μigi=6hi+hi+1(f[xi,xi+1]−f[xi−1,xi])=6f[xi−1,xi,xi+1]\mu_i=\frac{h_i}{h_i+h_{i+1}}\\ \lambda_i=\frac{h_{i+1}}{h_i+h_{i+1}}=1-\mu_i\\ g_i=\frac{6}{h_i+h_{i+1}}\left(f[x_i,x_{i+1}]-f[x_{i-1},x_i]\right)\\=6f[x_{i-1},x_i,x_{i+1}] μi​=hi​+hi+1​hi​​λi​=hi​+hi+1​hi+1​​=1−μi​gi​=hi​+hi+1​6​(f[xi​,xi+1​]−f[xi−1​,xi​])=6f[xi−1​,xi​,xi+1​]

则方程可以简写为:μiMi−1+2Mi+λiMi+1=gi,i=1,2,...,n−1\mu_iM_{i-1}+2M_i+\lambda_iM_{i+1}=g_i,i=1,2,...,n-1μi​Mi−1​+2Mi​+λi​Mi+1​=gi​,i=1,2,...,n−1,也就是共有n-1个方程,下面分三种边界条件依次讨论:

2.4.1 第一种边界条件,已知插值区间两端的一阶导数值

μi=hihi+hi+1,λi=hihi+hi+1gi=6f[xi−1,xi,xi+1],g0=6h1(f[x0,x1]−y0′),gn=6yn′−f[xn−1,xn]\mu_i=\frac{h_i}{h_i+h_{i+1}}, \lambda_i=\frac{h_i}{h_i+h_{i+1}}\\ g_i=6f[x_{i-1},x_i,x_{i+1}],\\g_0=\frac{6}{h_1}(f[x_0,x_1]-y_0'),\\g_n=\frac{6}{y'_n-f[x_{n-1},x_n]} μi​=hi​+hi+1​hi​​,λi​=hi​+hi+1​hi​​gi​=6f[xi−1​,xi​,xi+1​],g0​=h1​6​(f[x0​,x1​]−y0′​),gn​=yn′​−f[xn−1​,xn​]6​

有三弯矩方程:

[21μ12λ1...............μn−12λn−112][M0M1...Mn−1Mn]=[g0g1...gn−1gn]\left[ \begin{matrix} 2 &amp; 1 &amp; &amp; &amp; \\ \mu_1 &amp; 2 &amp; \lambda_1 &amp; &amp; \\ ...&amp;...&amp;...&amp;...&amp;...\\ &amp; &amp; \mu_{n-1} &amp; 2 &amp; \lambda_{n-1} \\ &amp; &amp; &amp; 1 &amp; 2 \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} M_0 \\ M_1 \\ ... \\ M_{n-1}\\ M_n \end{matrix} \right]= \left[ \begin{matrix} g_0 \\ g_1 \\ ... \\ g_{n-1}\\ g_n \end{matrix} \right] ⎣⎢⎢⎢⎢⎡​2μ1​...​12...​λ1​...μn−1​​...21​...λn−1​2​⎦⎥⎥⎥⎥⎤​⎣⎢⎢⎢⎢⎡​M0​M1​...Mn−1​Mn​​⎦⎥⎥⎥⎥⎤​=⎣⎢⎢⎢⎢⎡​g0​g1​...gn−1​gn​​⎦⎥⎥⎥⎥⎤​

2.4.2 第二种边界条件:已知插值区间两端的二阶导数值

有三弯矩矩阵:

[2λ1μ22λ2...............μn−22λn−2μn−12][M1M2...Mn−2Mn−1]=[g1−μ1y0′′g2...gn−2gn−1−λn−1yn′′]且有自然边界条件:M0=Mn=0\left[ \begin{matrix} 2 &amp; \lambda_1 &amp; &amp; &amp; \\ \mu_2 &amp; 2 &amp; \lambda_2 &amp; &amp; \\ ...&amp;...&amp;...&amp;...&amp;...\\ &amp; &amp; \mu_{n-2} &amp; 2 &amp; \lambda_{n-2} \\ &amp; &amp; &amp; \mu_{n-1} &amp; 2 \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} M_1 \\ M_2 \\ ... \\ M_{n-2}\\ M_{n-1} \end{matrix} \right]= \left[ \begin{matrix} g_1-\mu_1y''_0 \\ g_2 \\ ... \\ g_{n-2}\\ g_{n-1}-\lambda_{n-1}y_n'' \end{matrix} \right]\\ 且有自然边界条件:M_0=M_n=0 ⎣⎢⎢⎢⎢⎡​2μ2​...​λ1​2...​λ2​...μn−2​​...2μn−1​​...λn−2​2​⎦⎥⎥⎥⎥⎤​⎣⎢⎢⎢⎢⎡​M1​M2​...Mn−2​Mn−1​​⎦⎥⎥⎥⎥⎤​=⎣⎢⎢⎢⎢⎡​g1​−μ1​y0′′​g2​...gn−2​gn−1​−λn−1​yn′′​​⎦⎥⎥⎥⎥⎤​且有自然边界条件:M0​=Mn​=0

2.4.3 第三种边界条件

有三弯矩矩阵:

[2λ1μ1μ22λ2...............μn−12λn−1λnμn2][M1M2...Mn−1Mn]=[g1g2...gn−1gn]\left[ \begin{matrix} 2 &amp; \lambda_1 &amp; &amp; &amp; \mu_1\\ \mu_2 &amp; 2 &amp; \lambda_2 &amp; &amp; \\ ...&amp;...&amp;...&amp;...&amp;...\\ &amp; &amp; \mu_{n-1} &amp; 2 &amp; \lambda_{n-1} \\ \lambda_n&amp; &amp; &amp; \mu_n &amp; 2 \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} M_1 \\ M_2 \\ ... \\ M_{n-1}\\ M_n \end{matrix} \right]= \left[ \begin{matrix} g_1 \\ g_2 \\ ... \\ g_{n-1}\\ g_n \end{matrix} \right] ⎣⎢⎢⎢⎢⎡​2μ2​...λn​​λ1​2...​λ2​...μn−1​​...2μn​​μ1​...λn−1​2​⎦⎥⎥⎥⎥⎤​⎣⎢⎢⎢⎢⎡​M1​M2​...Mn−1​Mn​​⎦⎥⎥⎥⎥⎤​=⎣⎢⎢⎢⎢⎡​g1​g2​...gn−1​gn​​⎦⎥⎥⎥⎥⎤​

值得注意的是,上面三种条件中的线性方程组的系数矩阵都是非奇异的,因此有唯一解,三次样条函数由边界条件唯一确定。

eg.设f(0)=0,f(1)=1,f(2)=0,f(3)=1,f′′(0)=1,f′′(3=0)f(0)=0,f(1)=1,f(2)=0,f(3)=1,f''(0)=1,f''(3=0)f(0)=0,f(1)=1,f(2)=0,f(3)=1,f′′(0)=1,f′′(3=0),试求f(x)f(x)f(x)在区间[0,3]上的三次样条函数S(x).

解:由M0=y0′′,Mn=yn′′M_0=y''_0,M_n=y''_nM0​=y0′′​,Mn​=yn′′​知M0=f′′(0)=1,M3=f′′(3)=0M_0=f''(0)=1,M_3=f''(3)=0M0​=f′′(0)=1,M3​=f′′(3)=0,构造差商表:

xix_ixi​ f(xi)f(x_i)f(xi​) 一阶差商 二阶差商
0 0
1 1 1
2 0 -1 -1
3 1 1 1

由:

μi=hihi+hi+1λi=hi+1hi+hi+1=1−μigi=6hi+hi+1(f[xi,xi+1]−f[xi−1,xi])=6f[xi−1,xi,xi+1]\mu_i=\frac{h_i}{h_i+h_{i+1}}\\ \lambda_i=\frac{h_{i+1}}{h_i+h_{i+1}}=1-\mu_i\\ g_i=\frac{6}{h_i+h_{i+1}}\left(f[x_i,x_{i+1}]-f[x_{i-1},x_i]\right)\\=6f[x_{i-1},x_i,x_{i+1}] μi​=hi​+hi+1​hi​​λi​=hi​+hi+1​hi+1​​=1−μi​gi​=hi​+hi+1​6​(f[xi​,xi+1​]−f[xi−1​,xi​])=6f[xi−1​,xi​,xi+1​]

得μ1=0.5,uμ2=0.5,λ1=λ2=0.5,g1=−6,g2=6\mu_1=0.5,u\mu_2=0.5,\lambda_1=\lambda_2=0.5,g_1=-6,g_2=6μ1​=0.5,uμ2​=0.5,λ1​=λ2​=0.5,g1​=−6,g2​=6,第二边界条件的三弯矩方程为:

[2λ1μ22λ2...............μn−22λn−2μn−12][M1M2...Mn−2Mn−1]=[g1−μ1y0′′g2...gn−2gn−1−λn−1yn′′]\left[ \begin{matrix} 2 &amp; \lambda_1 &amp; &amp; &amp; \\ \mu_2 &amp; 2 &amp; \lambda_2 &amp; &amp; \\ ...&amp;...&amp;...&amp;...&amp;...\\ &amp; &amp; \mu_{n-2} &amp; 2 &amp; \lambda_{n-2} \\ &amp; &amp; &amp; \mu_{n-1} &amp; 2 \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} M_1 \\ M_2 \\ ... \\ M_{n-2}\\ M_{n-1} \end{matrix} \right]= \left[ \begin{matrix} g_1-\mu_1y''_0 \\ g_2 \\ ... \\ g_{n-2}\\ g_{n-1}-\lambda_{n-1}y_n'' \end{matrix} \right]\\ ⎣⎢⎢⎢⎢⎡​2μ2​...​λ1​2...​λ2​...μn−2​​...2μn−1​​...λn−2​2​⎦⎥⎥⎥⎥⎤​⎣⎢⎢⎢⎢⎡​M1​M2​...Mn−2​Mn−1​​⎦⎥⎥⎥⎥⎤​=⎣⎢⎢⎢⎢⎡​g1​−μ1​y0′′​g2​...gn−2​gn−1​−λn−1​yn′′​​⎦⎥⎥⎥⎥⎤​

得:

[20.50.52][M1M2]=[−6−0.56]\left[ \begin{matrix} 2 &amp; 0.5 \\ 0.5 &amp; 2 \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} M_1 \\ M_2 \end{matrix} \right]= \left[ \begin{matrix} -6-0.5\\ 6 \end{matrix} \right] [20.5​0.52​][M1​M2​​]=[−6−0.56​]

解得M1=−6415,M2=6115M_1=\frac{-64}{15},M_2=\frac{61}{15}M1​=15−64​,M2​=1561​

因为:

Si(x)=Mi−1(xi−x)36hi+Mi(x−xi−1)36hi+1hi(yi−1+16Mi−1hi2)(xi−x)+1hi(yi+16Mihi2)(x−xi−1),x∈[xi−1,xi]S_i(x)=M_{i-1}\frac{(x_i-x)^3}{6h_i}+M_i\frac{(x-x_{i-1})^3}{6h_i}+\\\frac{1}{h_i}\left(y_{i-1}+\frac{1}{6}M_{i-1}h_i^2\right)(x_i-x)+\\\frac{1}{h_i}\left(y_{i}+\frac{1}{6}M_{i}h_i^2\right)(x-x_{i-1}),x\in[x_{i-1},x_i]\\ Si​(x)=Mi−1​6hi​(xi​−x)3​+Mi​6hi​(x−xi−1​)3​+hi​1​(yi−1​+61​Mi−1​hi2​)(xi​−x)+hi​1​(yi​+61​Mi​hi2​)(x−xi−1​),x∈[xi−1​,xi​]

将hi=1,M0=1,M1,M2h_i=1,M_0=1,M_1,M_2hi​=1,M0​=1,M1​,M2​代入可得:

x∈[0,1],S1(x)=190(−79x2+45x3+124x)x∈[1,2],S2(x)=190(125x3−567x2+736x−204)x∈[2,3],S3(x)=190(−61x3+549x2−1496x+1284)x\in[0,1],S_1(x)=\frac{1}{90}(-79x^2+45x^3+124x)\\ x\in[1,2],S_2(x)=\frac{1}{90}(125x^3-567x^2+736x-204)\\ x\in[2,3],S_3(x)=\frac{1}{90}(-61x^3+549x^2-1496x+1284) x∈[0,1],S1​(x)=901​(−79x2+45x3+124x)x∈[1,2],S2​(x)=901​(125x3−567x2+736x−204)x∈[2,3],S3​(x)=901​(−61x3+549x2−1496x+1284)


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