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插值法和整函数

区间上的估计

在利用Lagrange插值法来在一个闭区间区间上逼近一个函数$f(x)\in C^{n+1}[a,b]$的时候,在这个区间上那些非$x_i$的点,我们有对误差的估计

\[r_n(x)=f(x)-p_n(x) = {f^{(n+1)}(\xi)\over (n+1)!}\omega_{n+1}(x)\]

其中$\omega_{n+1}=\prod_{i=0}^{n}(x-x_i)$ 而 $\xi$是区间上取决于$x$一个点

这个等式的证明借助了一个辅助函数

\[g(t)=f(t)-p_n(t)-{f(x)-p_n(x)\over \omega_{n+1}(x)}\omega_{n+1}(t)\]

不难发现$x_i$和$x$共$n+1$个点都是g(x)的零点,反复运用Rolle中值定理,最后可以得到存在区间上的一点$\xi$使得

\[g^{(n+1)}(\xi)=0 =f^{(n+1)}(\xi)-(n+1)!{f(x)-p_n(x) \over \omega_{n+1}(x)}\]

经过整理就能得到我们想要的结论。

利用这个估计,我们也可以说明对一个$n$次多项式的$n$次甚至更高次插值得到的函数就是这个多项式本身。

幂级数

这个时候,我们从整个域$\mathbb{C}$上看,他们也是相等的!那不妨把眼光放远一点,看看比多项式更大的“东西”,比如说一个幂级数,还能有这样的结果吗?令

\[f(x)=\sum_{i=0}^\infty \alpha_ix^i\quad p_n(x)=\sum_{i=0}^{\infty} a_{n,i}x^i\]

当$i>n$时候$a_{n,i}=0$,我们先希望f(x)的收敛半径足够大,如果$p_n(x)$在一个区间上一致收敛到$f(x)$,我们容易得到每一个$a_{n,i}$都分别收敛到$\alpha_i$。

于是乎我们希望$p_n(x)$能够在区间上一致收敛到$f(x)$。我们让区间长度为$r=b-a$,不难发现对于区间上的$x$,$\omega_{n+1}(x)<d^{n+1}$,不妨贪心一点,我们假设区间上的每一个$\xi$都有

\[\lim_{n\to \infty}{f^{(n+1)}(\xi)\over (n+1)!}r^{n+1} = 0\]

这不就是$f(x)$换在$\xi$这一点展开之后的幂级数的第$n+1$项在某点的值吗?只要收敛半径足够大(区间上每一点至少都大于r),余项就能一致收敛到0!

复平面上的函数

但是我们上述的讨论还是只是在一个区间上面的情况,我们希望它能走的更远一点,在这个区间之外的某个点上也能够收敛到这个幂级数,怎么办呢?

幂级数……应该是某个全纯函数的一部分吧,所以我们不妨再进一步,把眼光从一个小区间上,移动到复平面上的一个有界集上。

我们先观察$p(x)$的形式(后文省略下标n和n+1):

\[p(x)=\sum_{i=0}^nf(x_i)l_i(x)=\sum_{i=0}^n{f(x_i)\omega(x)\over(x-x_i)\omega'(x_i)}\]

神奇的事情是

\[{f(x_i)\omega(x)\over(x-x_i)\omega'(x_i)} = \mathop{\mathrm{Res}}\left({\omega(x)f(t)\over \omega(t)(x-t)};x_i\right)\]

同时

\[f(x) = -\mathop{\mathrm{Res}}\left({\omega(x)f(t)\over \omega(t)(x-t)};x\right)\]

我们寻找一个可以包围$x_i$和$x$,并且在$f(x)$的定义域内的曲线$\Gamma$,利用留数定理,就能得到如下结果

\[f(x)-p(x) = 2\pi i\int_{\Gamma}{\omega(x)f(\gamma)\over \omega(\gamma)(x-\gamma)}\mathrm{d}\gamma\]

这就是Hermite积分公式,它给了我们对于一个n次插值更大范围的估计。

整函数的插值

我们前面提到,我们希望这个“幂级数”收敛半径足够大,那就先看看整函数,我们在一个有界集里面$L$中对$f$进行插值,对于每一个有界集$D$,我们让这两个集合的最大距离$l = \sup\{d(x,y)\vert x\in D,y\in L\}$ ,根据定义,$\omega(x)\leq l^{n+1}$,我们挑选一个足够“大”的$\Gamma$,让其上点距离$D$的下界$m>l$那么我们就能得到

\[|f(x)-p(x)|\leq C\left(l\over m\right)^{n+1}\]

其中 $C=2\pi\sup_{x\in\Gamma}f(x)\Vert\Gamma\Vert$ 。这说明在每一个有界集上,在一个有界集内的插值都是一致收敛到$f(x)$的。

— 2023年03月06日