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插值、点值估计与一致最值

拓展更新于 2026-09-29

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点值不仅能确定多项式,还能限制它在区间上的最大绝对值。最值证明需要同时给出任何多项式都满足的下界,以及能达到此界的具体多项式。

插值给出的估计

设次数不超过 nn 的 PP 在互异节点 t0,…,tnt_0,\ldots,t_n 取值,记 Li(x)=∏j≠i(x−tj)/(ti−tj)L_i(x)=\prod_{j\ne i}(x-t_j)/(t_i-t_j)。若 ∣P(ti)∣≤Mi|P(t_i)|\le M_i,则

∣P(x)∣≤∑i=0nMi∣Li(x)∣.|P(x)|\le\sum_{i=0}^n M_i|L_i(x)|.

这来自插值式的三角不等式。若已知首项系数,还可比较插值式的最高次项系数,获得各节点值之间的线性关系。节点必须互异;节点值有界不代表整个区间自动具有同样的界。

首一二次式在单位区间的最佳界

设 P(x)=x2+ax+bP(x)=x^2+ax+b,记 M=max⁡−1≤x≤1∣P(x)∣M=\max_{-1\le x\le1}|P(x)|。由

P(−1)−2P(0)+P(1)=2P(-1)-2P(0)+P(1)=2

得 2≤∣P(−1)∣+2∣P(0)∣+∣P(1)∣≤4M2\le|P(-1)|+2|P(0)|+|P(1)|\le4M,所以 M≥1/2M\ge1/2。

取 P(x)=x2−1/2P(x)=x^2-1/2,其区间值域为 [−1/2,1/2][-1/2,1/2],达到下界。要取等,上述三点必须为 1/2,−1/2,1/21/2,-1/2,1/2,由唯一插值即得该最优多项式唯一。

首一三次式的四点证明

设 P(x)=x3+ax2+bx+cP(x)=x^3+ax^2+bx+c。在 −1,−1/2,1/2,1-1,-1/2,1/2,1 四点比较插值式的三次项系数,得

1=−23P(−1)+43P(−1/2)−43P(1/2)+23P(1).1=-\frac23P(-1)+\frac43P(-1/2)-\frac43P(1/2)+\frac23P(1).

所以 1≤4M1\le4M,其中 M=max⁡[−1,1]∣P∣M=\max_{[-1,1]}|P|。取 P(x)=x3−3x/4P(x)=x^3-3x/4,导数为 3x2−3/43x^2-3/4;检查端点和临界点 ±1/2\pm1/2,绝对值最大为 1/41/4,达到下界。

取等要求四点函数值依次为 −1/4,1/4,−1/4,1/4-1/4,1/4,-1/4,1/4;插值唯一性再次给出最优多项式唯一。四点的选择有依据,不是任意挑四个点都能得到最佳界。

任意次数的切比雪夫最佳界

设 n≥1n\ge1 为整数,P(x)=Axn+⋯P(x)=Ax^n+\cdots 为实系数多项式,A≠0A\ne0。则

max⁡−1≤x≤1∣P(x)∣≥∣A∣2n−1.\max_{-1\le x\le1}|P(x)|\ge\frac{|A|}{2^{n-1}}.

此下界可以达到:由切比雪夫多项式的恒等式 Tn(cos⁡θ)=cos⁡nθT_n(\cos\theta)=\cos n\theta,TnT_n 的首项系数为 2n−12^{n-1},且在 [−1,1][-1,1] 上最大绝对值为 11。所以取 P=ATn/2n−1P=A T_n/2^{n-1} 即可。等价地,若区间上 ∣P(x)∣≤1|P(x)|\le1,则 ∣A∣≤2n−1|A|\le2^{n-1}。

下界证明。 除以 AA,只需讨论首一多项式 QQ。反设它的最大绝对值严格小于 c=21−nc=2^{1-n}。令 R=Q−cTnR=Q-cT_n,最高次项抵消,所以次数至多为 n−1n-1。在 n+1n+1 个点 tj=cos⁡(jπ/n)t_j=\cos(j\pi/n)(0≤j≤n0\le j\le n)处,cTn(tj)=c(−1)jcT_n(t_j)=c(-1)^j,故 R(tj)R(t_j) 交替严格为负、正。每两个相邻节点之间,介值定理给出一个不同实根,总计至少 nn 个。非零的至多 n−1n-1 次多项式不可能有这么多根;零多项式又与严格符号矛盾。因此下界成立。

取等时的唯一性。 若首一 QQ 在区间上满足 ∣Q∣≤c|Q|\le c,仍令 R=Q−cTnR=Q-cT_n。在上述按降序排列的节点 t0>⋯>tnt_0>\cdots>t_n,有 (−1)jR(tj)≤0(-1)^jR(t_j)\le0。因为 deg⁡R≤n−1\deg R\le n-1,比较其 n+1n+1 节点插值式的 xnx^n 系数,得到

0=∑j=0nR(tj)∏ℓ≠j(tj−tℓ).0=\sum_{j=0}^n\frac{R(t_j)}{\prod_{\ell\ne j}(t_j-t_\ell)}.

第 jj 个分母恰有 jj 个负因子,符号为 (−1)j(-1)^j,故每个求和项都非正。和为零迫使全部为零,于是 RR 在 n+1n+1 个互异节点为零,只能恒为零。所以唯一的取等多项式是 P=A21−nTnP=A2^{1-n}T_n。

对任意 L<UL<U,令 h=(U−L)/2h=(U-L)/2、m=(L+U)/2m=(L+U)/2。P(m+ht)P(m+ht) 的首项系数为 AhnAh^n,所以

min⁡P 的首项系数为 A max⁡L≤x≤U∣P(x)∣=∣A∣2n−1(U−L2)n.\min_{P\text{ 的首项系数为 }A}\ \max_{L\le x\le U}|P(x)| =\frac{|A|}{2^{n-1}}\left(\frac{U-L}{2}\right)^n.

达到该值的选择为 P(x)=Ahn21−nTn((x−m)/h)P(x)=Ah^n2^{1-n}T_n((x-m)/h)。区间退化为一点时不适用这一缩放证明。

换到任意有限区间

若区间为 [L,U][L,U]、L<UL<U,令 m=(L+U)/2,h=(U−L)/2m=(L+U)/2,h=(U-L)/2,作 x=m+htx=m+ht。首一 nn 次多项式 P(m+ht)/hnP(m+ht)/h^n 仍首一。因此上述二次最小一致界为 (U−L)2/8(U-L)^2/8,三次为 (U−L)3/32(U-L)^3/32。

例如 [0,1][0,1] 上首一二次式的最佳选择为 (x−1/2)2−1/8(x-1/2)^2-1/8,最大绝对值 1/81/8。这里区间长度正;退化成单点时问题不同。

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