计算方法——插值法程序实现二(牛顿法)

news2024/9/27 9:23:18

例题

给出y=e^x的函数关系表,分别利用牛顿插值法计算e^{0.27}的近似值。

x0.10.20.30.40.5
e^x1.1051711.2214031.3498591.4918251.648721

参考代码一:Python代码实现(自编码)

import math
"""
:difference_quotient差商函数
"""
def difference_quotient(x=None):
    if x is None:
        x = list()
    if len(x) < 2:
        raise ValueError('X\'s length must be bigger than 2');
    ans = 0
    for i in range(len(x)):
        temp = 1.0
        for j in range(len(x)):
            if j == i:
                continue
            temp *= (x[i]-x[j]);
        ans += (f(x[i])/temp)
    return ans
def Calculate(data_x, x):
    ans = f(data_x[0])
    print(ans)
    if len(data_x) == 1:
        return ans
    else:
        temp = 1;
        for i in range(len(data_x)-1):
            temp*=(x-data_x[i])
            ans+=difference_quotient(data_x[:i+2])*temp
        return ans
def f(x):
    return math.exp(x)
x = [0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5];
y = [1.105171,1.221403,1.349859,1.491825,1.648721];
target_point = 0.27;
fitted = Calculate(x,target_point);
real_value = f(target_point);
xx = [target_point]+x;
f_n = difference_quotient(xx);
w = []
for n in range(len(x)):
    w.append(target_point-x[n])
Remainder = f_n;
for n in range(len(x)):
    Remainder*=w[n];
print(f"点{target_point}处的真实值为{real_value}");
print(f"点{target_point}处的插值结果为{fitted}");
print(f"牛顿插值余项为{Remainder}");

Python编码计算结果

参考代码二:MATLAB代码(自编码)

%可运行代码
clc,clear
format long
x = [0.1,0.2,0.3,0.4,0.5];%可以根据题目更换
y = [1.105171,1.221403,1.349859,1.491825,1.648721];%可以根据题目更换
newpoint = 0.27;%可以根据题目更换
newtonfitted = CalculateNewTon(x,newpoint);
xx = [newpoint,x];
f_n = difference_quotient(xx(:));
w=[];
for num=1:length(xx)-1
    w = [w,newpoint-x(num)];
end
Remainder =  f_n;
for m = 1:length(x)
    Remainder = Remainder*w(m);
end
disp('点0.27处的插值结果为');
disp(newtonfitted);
disp('点0.27处的牛顿插值余项为');
disp(Remainder);
format short

difference_quotient函数

difference_quotient函数用于计算牛顿差商的函数

function result = difference_quotient(x)
if isempty(x)
    x = [];
end
if length(x)<2
    error('Error:length must be bigger than 2'); 
end
ans0 = 0;
for i = 1:length(x)
    temp = 1.0;
    for j = 1:length(x)
        if j==i
            continue
        end
        temp = temp*(x(i)-x(j));
    end
    ans0 = ans0+(exp(x(i))/temp);
end
result = ans0;

CalculateNewTon函数

CalculateNewTon函数用于计算最终插值结果

function result = CalculateNewTon(data_x,x)
ans1 = exp(data_x(1));
n = length(data_x);
if  n == 1
    result = ans1;
else
    temp = 1;
    for i = 1:length(data_x)-1
        temp = temp*(x-data_x(i));
        ans1 = ans1+difference_quotient(data_x(1:1:i+1))*temp;
    end
    result = ans1;
end

MATLAB编码结果

附C++参考代码

#include<iostream>
#include<cmath>
#include<iomanip>
const int N = 10000;
using namespace std;
double f(double x)
{
	return exp(x);
}
double difference_quotient(double x[],int count)
{
    //count用来记录传入数组的大小
	if(count<2){
		throw "X\'s length must be bigger than 2";
	}
	double ans = 0;
	for(int i=0;i<count;i++){
		double temp=1.0;
		for(int j=0;j<count;j++){
			if(j==i) continue;
			temp*=(x[i]-x[j]);
		}
		ans+=(f(x[i])/temp);
	}
	return ans;
}
double CalculateNewton(double data_x[],double x)
{
	int count=0;
	double second_data[N];
	double result = f(data_x[0]);
	double temp = 1.0;
	for(int i=0;i<4;i++)
		{
			temp*=(x-data_x[i]);
			for(int k=0;k<i+2;k++) {
			second_data[k]=data_x[k];
			count=k;
		}
			result+=difference_quotient(second_data,count+1)*temp;
		}
		return result;
}

int main()
{
	double x[] = {0.1,0.2,0.3,0.4,0.5};
	double y[] = {1.105171,1.221403,1.349859,1.491825,1.648721};
	double point = 0.27;
	double fitted = CalculateNewton(x,point);
	double real_value = f(point);
	double xx[]={0.27,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5};
	double f_n = difference_quotient(xx,6);
	double w[N];
	for(int i=0;i<5;i++){
		w[i]=(point-x[i]);
	}
	double remainder = f_n;
	for(int i=0;i<5;i++)
	{
		remainder*=w[i];
	}
  cout<<"真实值为"<<fixed<<setprecision(15)<<real_value<<endl;
  cout<<"插值结果为"<<fixed<<setprecision(15)<<fitted<<endl;
  cout<<"拉格朗日插值余项"<<fixed<<setprecision(15)<<remainder<<endl;
	return 0;
}

C++编码执行结果

参考书目

[1] 李新栋,许文文,张绪浩,任永强. 基于Python的计算方法[M]. 北京:电子工业出版社,2023.

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