Allgemeine lineare Interpolation
Es sei
H(x) eine reelle oder komplexe
stetig differenzierbare Funktion mit Nullstellenmenge
{xk} mit
k∈I, wobei alle
Nullstellen einfach sein müssen. Dabei kann
I eine
endliche Menge, wie z.B.
I={1,…,N}, oder eine
abzählbare Menge,
I=N oder
I=Z sein. Damit sind die Interpolationskerne gegeben als
- Lk(x):=H′(xk)(x−xk)H(x)=G(xk,xk)G(x,xk) bei x=/xk
und
stetig mit dem Wert
1 an der Stelle
x=xk fortgesetzt. Die Hilfsfunktion
G(x,y) ist außerhalb der
Diagonalen x=y definiert als
G(x,y):=x−yH(x)−H(y)
und
stetig fortgesetzt zu
G(x,x):=H′(x).
Nun sieht man leicht, dass auf den
Nullstellen Lk(xj)=δk,j gilt, wobei das
Kronecker-Delta verwendet wurde.
Sind jetzt Werte
fk für jedes
k∈I vorgegeben, so ist eine Interpolationsfunktion definiert durch
F(x):=k∈I∑fk⋅Lk(x)=k∈I∑G(xk,xk)G(x,xk)fk.
Im Falle einer abzählbaren Nullstellenmenge muss die Konvergenzbedingung
k∈I∑∣∣∣∣H′(xk)(1+∣xk∣)fk∣∣∣∣<∞
erfüllt sein.
Beispiele
Beispiel 1
Mit vorgegebenen Stützstellen
{x1,…,xN} und einer
reellen Funktion h mit
h(0)=0 ,
h′(0)=/0 kann die
Funktion H(x):=h(x−x1)…h(x−xN) gebildet werden. Dann erhält man
Lk(x)=h′(0)(x−xk)h(x−xk)⋅j=/k∏h(xk−xj)h(x−xj).
Beispiel 2
Das aus
h(x)=x resultierende Interpolationsverfahren ist die Lagrange-Interpolation. Andere Beispiele sind
h(x)=x/(1+x2) für nach
Unendlich gegen Null fallende Interpolationsfunktionen oder
h(x)=sin(x) für eine beschränkte Interpolationsfunktion mit übersichtlicher Berechnungsformel.
Beispiel 3
Mit dem Kreisteilungspolynom
H(x):=xN−1, d.h. den
N-ten Einheitswurzeln
xk:=exp(i2πk/N),
k=1,…,N, als Stützstellen, ergibt sich die Diskrete Fourier-Transformation als Verfahren zur Berechnung der Koeffizienten des
Interpolationspolynoms. Es gilt
LN(x)=N1(1+x+⋯+xN−1) und allgemein
Lk(x)=LN(xˉkx), so dass
F(x)=n=0∑N−1xn⋅N1k=1∑Nfkxˉkn
ist.
Beispiel 4
Mit
H(x):=sin(πx) und den
Nullstellen xk=k,k∈Z, ergibt sich als Interpolationsfunktion die Kardinalreihe
F(x)=k∈Z∑fk(−1)+kπ(x−k)sin(πx)=k∈Z∑fkπ(x−k)sin(π(x−k)).
Diese spielt eine zentrale Rolle im Nyquist-Shannon-Abtasttheorem. Die Konvergenzbedingung lautet
k∈Z∑∣∣∣∣1+∣k∣fk∣∣∣∣<∞.
Manche Menschen haben einen Gesichtskreis vom Radius Null und nennen ihn ihren Standpunkt.
David Hilbert
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