Cím: Megjegyzés az 1378. feladathoz (Interpolációs polinomok előállítása)
Szerző(k):  Surányi János 
Füzet: 1965/november, 112 - 114. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Szakmai cikkek

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

Az idézett feladat* olyan másodfokú polinom előállítását kívánta, amelyiknek az értéke az 1, 2, 3 helyeken rendre 1, 1/2, 1/3. Gyakran merül fel általában az a probléma, hogy adott x1, x2, ..., xn helyeken rendre y1, y2, ..., yn értéket felvevő, lehetőleg alacsony fokú polinomot állítsunk elő.
A feladat első megoldása a polinom együtthatóira a feltételekből adódó elsőfokú egyenletrendszer megoldása révén történt. Az általános probléma megoldása ez úton akkor várható tetszés szerinti yi-értékek mellett, ha n együttható áll rendelkezésünkre. Mivel egy k-ad fokú polinomnak k+1 együtthatója van, így az n feltétel kielégítésére n-1-ed fokú polinomot kell általában keresnünk. Ez nem jelenti föltétlenül azt, hogy valóban n-1-ed fokú polinom fog adódni, hiszen lehet, hogy a legmagasabb fokú tagok együtthatójára 0-t kapunk. A probléma tehát így vethető fel: tetszés szerint adva meg n (különböző) változó értéket, ,,helyet'' és ezekhez tartozó függvényértéket, keressünk olyan legfeljebb n-1-ed fokú polinomot, amelyik az adott helyeken az adott értékeket veszi fel. Ezt interpolációnak nevezzük.
Megmutatható, hogy a feltételekből adódó egyenletrendszer mindig megoldható, és csak egy megoldása van. Az interpolációs polinomnak az ezen az úton való meghatározása azonban igen körülményes. A kitűzött feladat második megoldása egy gyorsabb meghatározási módot mutat be, amire még visszatérünk, előbb azonban bemutatunk egy harmadik eljárást. Ennél sorra vesszük tekintetbe az egyes feltételeket és növeljük eggyel-eggyel a polinom fokszámát úgy, hogy a már kielégített követelmények továbbra is teljesüljenek, és teljesüljön még az újabb követelmény is.
Ha csak az első követelményt tekintjük, van olyan c1 állandó (és csak egy ilyen van), amelyik az x1 helyen ‐ és akkor minden helyen ‐ az y1 értéket veszi fel, ez a c1=y1 állandó. Ezt most egy elsőfokú polinom hozzáadásával úgy kell módosítani, hogy az x1 helyen ne változzék, az x2 helyen azonban y2 legyen az értéke. Az x1 helyen a c2(x-x1) elsőfokú polinomok tűnnek el, és c2 valóban megválasztható úgy, hogy c1+c2(x-x1)=y1+c2(x-x1) az x2 helyen az y2 értéket vegye fel [c2=(y2-y1)/(x2-x1)]. A harmadik követelmény kielégítésére egy x1 helyen is, x2 helyen is eltűnő, tehát c3(x-x1)(x-x2) alakú polinomot kell a már megtalálthoz adni, és bármi is y3, c3 mindig választható úgy, hogy az összeg polinom az x3 helyen az y3 értéket vegye fel.
Általában arra vezet meggondolásunk, hogy a polinom

c1+c2(x-x1)+c3(x-x1)(x-x2)+...+(1)+cn(x-x1)(x-x2)...(x-xn-1)


alakban határozható meg, és itt c1-et, c2-t, c3-at s i. t. végül cn-et sorban haladva egy-egy elsőfokú egyenletből határozhatjuk meg, ha az előzőket már ismerjük.
Keressük pl. azt a legalacsonyabb fokú polinomot, amelyik a
-1,  0,  1,1,5,2,5  helyeken sorra a  2,-1,  0,  2,i3
értékeket veszi fel. Természetesen nem vagyunk kötve a megadás sorrendjéhez. Itt például célszerű előre venni azt a két helyet, ahol egyenlő értékeket vesz fel a polinom, mert akkor tudjuk, hogy a konstans (a fenti c1) megválasztásával mindjárt két követelményt elégítettünk ki, s így az elsőfokú kifejezés együtthatója (c2)0 lesz. Vegyük tehát a helyeket -1, 1,5, 0, 1, 2,5 sorrendben, és megfelelően keressük a polinomot*
c1+c2(x+1)+c3(x+1)(x-3/2)+c4(x+1)(x-3/2)x++c5(x+1)(x-3/2)x(x-1)
alakban. Előre tudjuk, hogy itt c1=2, és azt is, hogy c2=0. A 0 helyen vizsgálva a kifejezést az utolsó két tag eltűnik és
c1+c2-3c3/2=2-3c3/2=-1,c3=2
adódik. x=1-re
2+22(-0,5)+c42(-0,5)=0,c4=0,
‐ tehát az eddig talált másodfokú függvény a negyedik feltételt is kielégíti ‐, végül x=2,5-re
2+23,5+c53,52,51,5=3,c5=16/35,
és a keresett polinom
2+2(x+1)(x-32)-1635(x+1)(x-32)x(x-1)==-1635x4+2435x3+8635x2-5935x-1.


Behelyettesítéssel láthatjuk, hogy tényleg megfelel a követelményeknek.
Az 1378. feladat második megoldásában szereplő módszer is általánosan alkalmazható. Állítsuk elő a polinomot olyan polinomok összegeként, amelyek mindegyike egy hely kivételével az összes többin eltűnik, a kérdéses helyen pedig a kívánt értéket veszi fel. Keressük pl. az x1 helyen y1 értéket felvevő, x2, ..., xn-re eltűnő polinomot. Az utóbbi feltételt az
a1(x-x2)...(x-xn)
polinomok elégítik ki. Abból a feltételből, hogy a polinom az x1 helyen az y1 értéket vegye fel,
a1=y1/(x1-x2)...(x1-xn)
adódik. Hasonlóan az xk helyen yk értéket felvevő, a többi felsorolt helyen eltűnő polinom
Lk(x)=yk(x-x1)...(x-xk-1)(x-xk+1)...(x-xn)(xk-x1)...(xk-xk-1)(xk-xk+1)...(xk-xn)=yklk(x).(2)
Az
L1(x)+L2(x)+...+Ln(x)(3)
polinom szerkesztése szerint megfelel a követelményeknek.
A két eljárást összehasonlítva sok szól az előbbi mellett. Igaz, hogy mindegyik együtthatót egy-egy egyenletből kell kiszámítani, de ezek igen egyszerű elsőfokú egyenletek. Mind a két eljárás szorzatösszegben állítja elő a keresett polinomot, amelyet még beszorzás és összevonás útján hozhatunk polinom alakra, viszont az első esetben csak az utolsó tag n-1-ed fokú, míg a másodikban minden tag n-1-ed fokú, mégha a polinom alacsonyabb fokú is. Az első eljárásnál az utóbbi esetben az n-1-ed fokú tag fel sem lép, együtthatójára 0 adódik, és hasonlóan további együtthatókra is, ha a polinom még alacsonyabb fokú (hasonlóan mint példánkban c2-re és c4-re). A második eljárásnak viszont előnye, hogy az egyes részpolinomok egymástól függetlenül, és előzetes számítások nélkül felírhatók az xk-k és yk-k segítségével, sőt lk(x) már yk-tól sem függ. Így a második alak különösen hasznos akkor, ha ugyanazokon a helyeken különböző függvényértékekhez egyszerre több polinomot kell meghatároznunk. Ekkor előre kiszámítjuk az lk(x) függvényeket, azután csak egy-egy számmal meg kell szorozni őket és összeadni. Ezen túl is igen hasznos lehet további matematikai felhasználásokban, hogy fel tudjuk írni a polinomot, és nemcsak eljárást adunk az előállítására.
Az első eljárás alapján nem túl nehéz belátni a polinom egyértelműségét is, de könnyen belátható, hogy egy legfeljebb n-1-ed fokú polinom polinomalakját n helyen felvett értéke egyértelműen előállítja, felhasználva, hogy egy polinomnak nem lehet több 0-helye, mint ahányad fokú*. Valóban, ha
f(x)=u0xn-1+u1xn-2+...+un-1ésf*(x)=v0xn-1+v1xn-2+...+vn-1
az x1, x2, ..., xn helyeken ugyanazokat az y1, y2, ..., yn értékeket veszi fel, akkor az
f(x)-f*(x)=(u0-v0)xn-1+(u1-v1)xn-2+...+(un-1-vn-1)
legfeljebb n-1-ed fokú polinom eltűnik az x1, x2, ..., xn helyeken, tehát több helyen, mint ahányad fokú. Ez csak úgy lehet, ha minden együttható 0, vagyis ui=vi (i=0, 1, ..., n-1).
Az interpolációs polinom (1) alakját Newton-félének, a (2), (3) által szolgáltatott alakot Lagrange-félének nevezik.
Az interpolációs polinomoknak fontos elméleti szerepük van függvények polinomokkal való megközelítésében. Ezek vizsgálata sokat köszönhet sok magyar matematikus, így Fejér Lipót és tanítványai, többek közt Erdős Pál, Grünwald Géza, Turán Pál, Freud Géza és mások munkásságának.
Surányi János

*K. M. L. 31 (1965) 149. old.

*Még ügyesebb lenne a második tényezőt 2x-3 alakban írni, ez is a 3/2 helyen eltűnő tényező. Ezzel csak a megfelelő ci-k helyébe lépne a felük.

*Lásd pl. Hódi B.‐Szász G.‐Tolnai J.: Matematika a gimn. IV. o. számára, 11. kiad., Tankönyvkiadó, Bp., 1962. 222. o.