background image

Wydział FTIMS – Instytut Matematyki Politechniki Łódzkiej 

Wst p do metod numerycznych – wykłady – matematyka 

Posta  Newtona wielomianu. 

 

Niech 

N

n

∈ , 

1

1

0

,

...

,

,

n

x

x

x

 b d  ustalonymi liczbami rzeczywistymi oraz  k

∈P(n)∪{0}. Definiujemy 

funkcje 

R

R

p

k

:

 nast puj co:  

R

x

   

=

=

)

(

...

)

)(

(

)

(

)

(

1

)

(

1

1

0

0

k

k

x

x

x

x

x

x

x

p

n

P

k

x

p

Łatwo wykazujemy,  e wielomiany 

k

 zdefiniowane powy ej, tworz  baz  w przestrzeni liniowej 

wielomianów stopnia co najwy ej n, czyli w przestrzeni  R

n

[x].  Rozwa my dowolny wielomian stopnia n 

zmiennej rzeczywistej x, zapisany w postaci naturalnej  

=

=

n

k

k

k

x

a

x

w

R

x

0

)

(

. Oczywistym jest,  e 

].

[x

R

w

n

 Zatem istnieje dokładnie jeden ci g {b

k

}

k n

 taki,  e 

=

=

n

k

k

k

x

p

b

x

w

R

x

0

).

(

)

(

 Otrzymane 

przedstawienie nazywane jest 

postaci  Newtona wielomianu w. Wielomian ten mo na  zapisa  w innej 

postaci, wygodniejszej do oblicze  numerycznych jego warto ci w punkcie x

R

.

)

(

}

...

)

](

)

(

......[

{

)

(

0

0

1

2

1

1

b

x

x

b

x

x

b

x

x

b

x

w

n

n

n

n

+

+

+

+

=

 

Zdefiniujmy rekurencyjnie wielomiany: 

(*) 

.

0

...,

,

2

,

1

dla

)

(

1

=

+

=

=

+

n

n

i

b

x

x

w

w

b

w

i

i

i

i

n

n

 

Wówczas 

.

)

(

0

w

x

w

=

 Z zale no ci (*) wynika tzw. 

Uogólniony algorytm Hornera obliczania warto ci 

wielomianu zapisanego w postaci Newtona. Algorytm ten mo emy zapisa  w postaci:  

].

[

])

[

(

:

0

do

1

od

]

[

:

i

b

i

x

x

w

w

n

i

n

b

w

+

=

=

=

  

 

Mo na pokaza ,  e algorytm ten jest numerycznie poprawny.  

 

Wyznaczanie współczynników wielomianu w ró nych postaciach. 

 
Znaj c współczynniki 

k

 wielomianu w postaci Newtona, mo na wyznaczy  współczynniki 

k

 dla jego 

postaci naturalnej. W tym celu ka dy z wielomianów  

i

  postaci (*), zapiszemy w postaci naturalnej.  

.

0

...,

,

1

,

dla

=

=

=

n

n

i

x

a

w

n

i

k

i

k

i

i

k

 

St d i z (*) otrzymujemy zale no ci: 

n

n

n

b

a

=

 

+

=

+

=

+

=

+

+

=

+

=

+

+

+

+

+

+

+

+

n

i

i

i

i

n

i

k

i

i

k

i

k

i

n

i

n

n

i

i

i

k

i

k

i

k

i

k

i

i

k

i

k

i

k

x

a

b

x

x

a

a

x

a

b

x

x

a

x

a

w

1

1

).

(

)

(

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

 

Wstawiaj c te zale no ci do postaci wielomianów w

i

,  a nast pnie porównuj c współczynniki przy tych 

samych pot gach zmiennej x otrzymamy,  e   

,

n

n

n

b

a

=

 

,

1

1

i

i

i

i

i

i

x

a

b

a

=

+

+

 

.

1

...,

,

2

,

1

dla

1

1

1

+

+

=

=

+

+

+

n

i

i

k

x

a

a

a

i

i

k

i

k

i

k

 

Z tych zale no ci  mo emy wywnioskowa ,  e szukane warto ci współczynników a

k

  wielomianu w s  

równe 

0

k

a

  dla  k = 0, 1, …, n  ( bo w(x)=w

0

(x) ).  

 

Algorytm przej cia od postaci Newtona do postaci naturalnej ma posta : 

 

a[n]=b[n], 

dla  i=n-1  do 0 wykonuj  

background image

Wydział FTIMS – Instytut Matematyki Politechniki Łódzkiej 

Wst p do metod numerycznych – wykłady – matematyka 

 

xi = x[i] 

 

a[i] = b[i] 

 

 

dla  k=i  do  n-1 wykonuj  

 

 

a[k] = a[k]−xi a[k+1]. 

 

Koszt tego algorytmu, to 

2

)

1

(

+

n

n

  mno e  i tyle  samo odejmowa . Mo na pokaza ,  e algorytm ten jest 

numerycznie stabilny. 

 

Uwagi o innych przedstawieniach wielomianów. 

 

W obliczeniach numerycznych u ywa si  równie  przedstawienia wielomianów w postaci kombinacji 

liniowej tzw. 

wielomianów ortogonalnych. Przykładem takich wielomianów s  wielomiany Czebyszewa 

oznaczane symbolem T

n

. Wielomiany te s  okre lone nast puj cymi zale no ciami:     

(*) 

R

x

.....

,

3

,

2

dla

)

(

)

(

2

)

(

)

(

1

)

(

2

1

1

0

=

=

=

=

k

x

T

x

T

x

x

T

x

x

T

x

T

k

k

k

 

Wielomiany te tworz  baz  w przestrzeni wszystkich wielomianów zmiennej rzeczywistej R[x]. Równie  
dla dowolnego n

∈N, układ  T

0

, T

1

, …, T

n

  tworzy baz  w przestrzeni R

n

[x]. Zatem dowolny wielomian 

rzeczywisty stopnia  n  mo na zapisa  jako kombinacj  liniow  wielomianów Czebyszewa. Oczywi cie 

współczynniki tej kombinacji s  wyznaczone w sposób jednoznaczny: 

=

=

n

k

k

k

x

T

c

x

w

R

x

0

).

(

)

(

 

Zaproponowany przez Clenshawa algorytm obliczania warto ci wielomianu w,   w punkcie x, polega na 

wykorzystaniu zale no ci (*). Po rozpisaniu otrzymamy,  e  

,

~

~

)

(

2

0

1

c

c

x

c

x

w

+

=

     gdzie     

.

1

,

...

,

1

,

dla

~

~

2

~

2

1

=

+

=

+

+

n

n

k

c

c

c

x

c

k

k

k

k

  oraz  

.

0

~

~

1

2

=

=

+

+

n

n

c

c

 

 

Algorytm ten ma posta :  

 

wykonaj

do

n

k

dla

x

dwax

c

c

1

2

0

2

1

=

=

=

=

 

 

0

1

1

2

],

[

2

1

0

c

c

c

c

k

c

c

c

dwax

c

=

=

+

=

 

.

2

]

0

[

1

c

c

c

x

w

+

=

 

 

Mo na post puj c podobnie obliczy  współczynniki postaci normalnej wielomianu w. (notatki str. 10e-f)  

 

 

Obliczanie warto ci wielomianu zmiennej zespolonej. 

 

Rozwa my wielomian stopnia n

∈N

0

 zmiennej zespolonej  

iy

x

z

+

=

, o współczynnikach zespolonych 

k

k

ib

a

+

,   k=0, 1, …, n.  Wielomian ten ma posta  

k

n

k

k

iy

x

ib

a

z

F

k

)

(

)

(

)

(

0

+

+

=

=

  i  jest w sposób 

jednoznaczny okre lony przy pomocy dwóch ci gów współczynników   

n

a

a

a

,

...

,

,

1

0

  oraz  

n

b

b

b

,

...

,

,

1

0

Wprowad my oznaczenia:  u = Re F(z),   v = Im F(z).  Zapiszmy wielomian F(z) w postaci:  

.

)

(

}

...

)

(

]

)

(

)

...[(

{

)

(

0

0

1

1

1

1

b

i

a

y

i

x

b

i

a

y

i

x

b

i

a

y

i

x

b

i

a

v

i

u

z

F

n

n

n

n

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

=

+

=

 

background image

Wydział FTIMS – Instytut Matematyki Politechniki Łódzkiej 

Wst p do metod numerycznych – wykłady – matematyka 

Niech   

.

0

,

...

,

2

,

1

dla

:

,

:

1

=

+

+

=

+

=

+

=

+

=

+

n

n

k

f

z

b

i

a

v

i

u

f

b

i

a

v

i

u

f

k

k

k

k

k

k

n

n

n

n

n

 

Wówczas 

.

)

(

0

0

0

v

i

u

f

z

F

+

=

=

 Zauwa my,  e  

,

,

n

n

n

n

b

v

a

u

=

=

   oraz  dla   

0

,

1

...,

,

2

,

1

=

n

n

k

  mamy,  e 

=

+

+

+

+

=

+

+

+

)

(

)

(

1

1

k

k

k

k

k

k

v

i

u

y

i

x

b

i

a

v

i

u

 

).

(

1

1

1

1

+

+

+

+

+

+

+

+

k

k

k

k

k

k

v

x

u

y

b

i

v

y

u

x

a

 

Rozpisuj c cz

 rzeczywist  oraz cz

 urojon  otrzymamy,  e  

,

,

)

(

,

,

1

1

1

1

+

+

+

+

+

+

=

+

=

=

=

k

k

k

k

k

k

k

k

n

n

n

n

u

y

v

x

b

v

v

y

u

x

a

u

n

P

k

b

v

a

u

 

 

.

)

(

,

,

0

0

0

0

v

u

iv

u

z

F

v

v

u

u

+

=

+

=

=

=

 

 

Schemat blokowy  notatki str. 11. 

 

Algorytm oblicze :  

 

Dane:  n – całkowite;  a[k], b[k] – wektory;  x, y – rzeczywiste; 

i:=n 

u:=a[n] 

v:=b[n] 

je li i>0 wykonuj 
 

re:=x

⋅u−y⋅v 

 

im:=x

⋅v+y⋅u 

 

u:=re+a[i

−1] 

 

v:=im+b[i

−1] 

 

i:=i

−1 

drukuj F(x+iy)=u+iv.