一元五次B樣條擬插值研究

錢 江，王永杰

(河海大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 211100)

引言

樣條函數(shù)是一種分段或分片光滑,且在各分段分片的交界處都具有一定光滑性的函數(shù),其相關(guān)研究始于20世紀(jì)中葉,數(shù)學(xué)家I.J.Schoenberg在1946年首次提出一元樣條理論[1]。隨著樣條理論的不斷發(fā)展,內(nèi)容豐富、應(yīng)用廣泛的樣條方法已經(jīng)成為了研究數(shù)值逼近的有力工具。樣條函數(shù)[2-5]因?yàn)槠涔饣?、保凸性、保多?xiàng)式性等特點(diǎn),常常在有限元、計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)、微分方程數(shù)值解等領(lǐng)域取得非常優(yōu)秀的效果,且應(yīng)用廣泛。

考慮到更高次的樣條函數(shù)在逼近理論中應(yīng)具有更高的精度[18-19],而計(jì)算高次的B樣條需要較復(fù)雜的方法與技巧,由此將高次樣條函數(shù)應(yīng)用于微分方程數(shù)值解值得進(jìn)一步研究。同時(shí),在比較五次B樣條微分正交法[20]時(shí)發(fā)現(xiàn),文獻(xiàn)[20]僅僅給出無重節(jié)點(diǎn)情況下的五次B樣條函數(shù),且該函數(shù)并不具有單位分解性。鑒于此,本文將在已經(jīng)計(jì)算出五次B樣條基函數(shù)基礎(chǔ)上,對(duì)樣條擬插值及其應(yīng)用進(jìn)一步開展研究。

本文首先回顧一元五次B樣條基函數(shù),給出數(shù)值算例,繪制圖形;然后建立五次樣條擬插值算子;接著針對(duì)具有不同光滑度的被逼函數(shù),分析樣條擬插值的誤差估計(jì);最后將五次樣條應(yīng)用于求解拋物型方程,并與四次B樣條方法作比較。

1 五次B樣條基函數(shù)的回顧

我們已經(jīng)利用光滑余因子協(xié)調(diào)法分別計(jì)算出區(qū)間[x0,xn]上具有均勻節(jié)點(diǎn){xi,xi+1,xi+2,xi+3,xi+4,xi+5,xi+6}與端點(diǎn)x0,xn處具有有重節(jié)點(diǎn)的一元五次B樣條基函數(shù)。為避免贅述,本節(jié)將通過具體數(shù)值算例回顧五次B樣條基函數(shù)[21]。

算例1令x0=0,x5=5,xi+1-xi=1,i=0,1,2,3,4,分別得到子區(qū)間[x0,x1],[x1,x2],[x2,x3],[x3,x4],[x4,x5]上帶有重節(jié)點(diǎn)的五次B樣條基函數(shù)。例如在區(qū)間[x0,x1]上,B樣條基函數(shù)具有如下表達(dá)式

(1)

由B樣條基函數(shù)的單位分解性知

(2)

我們繪制圖形,如圖1-5所示,其中X軸表示區(qū)間節(jié)點(diǎn),Y軸表示函數(shù)曲線在該節(jié)點(diǎn)出的值,下文若沒有特殊說明,則與其一致。

類似于對(duì)左端點(diǎn)處帶有重節(jié)點(diǎn)的五次B樣條的分析,同樣可以得到右端點(diǎn)處帶有重節(jié)點(diǎn)的五次B樣條基函數(shù)。

算例2當(dāng)xn-5

(3)

由B樣條基函數(shù)的單位分解性知

(4)

繪制圖形,如圖6-10所示。

為了更好地認(rèn)識(shí)五次B樣條基函數(shù),我們給出在有界閉區(qū)間[x0,xn]上五次B樣條函數(shù)圖像的左半部分[x0,x4]區(qū)間、中間部分[xi,xi+4]區(qū)間(均勻節(jié)點(diǎn))、右半部分[xn-4,xn]區(qū)間,其中x0=0,xn=15,xi+1-xi=1,i=0,1,…,n,如圖11-13所示。

圖1 I0=[x0,x1]上的五次B樣條基函數(shù)

圖2 I1=[x1,x2]上的五次B樣條基函數(shù)

圖3 I2=[x2,x3]上的五次B樣條基函數(shù)

圖4 I3=[x3,x4]上的五次B樣條基函數(shù)

圖5 I4=[x4,x5]上五次B樣條基函數(shù)

圖6 In-5=[xn-5,xn-4]上五次B樣條基函數(shù)

圖7 In-4=[xn-4,xn-3]上五次B樣條基函數(shù)

圖8 In-3=[xn-3,xn-2]上五次B樣條基函數(shù)

圖9 In-2=[xn-2,xn-1]上五次B樣條基函數(shù)

圖10 In-1=[xn-1,xn]上五次B樣條基函數(shù)

圖11 區(qū)間[x0,x4]上的五次B樣條函數(shù)

圖12 區(qū)間[xi,xi+4]上均勻節(jié)點(diǎn)下的五次B樣條函數(shù)

圖13 區(qū)間[xn-4,xn]上的五次B樣條函數(shù)

2 五次B樣條擬插值算子

本節(jié)將構(gòu)造保五次多項(xiàng)式性的線性泛函,即五次B樣條擬插值算子。

定理1設(shè)fi=f(xi),i=0,1,…,n,其中xi-xi-1=h,i=1,2,…,n,且節(jié)點(diǎn)x-5=x-4=x-3=x-2=x-1=x0

Wn(f)≡f,?f∈P5

,

(5)

其在每個(gè)區(qū)間中的擬插值表示分別為

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

其中，x∈[xi,xi+1],i=5,6,…n-6。

對(duì)稱地,我們可以算出子區(qū)間[xn-5,xn-4],[xn-4,xn-3],[xn-3,xn-2],[xn-2,xn-1]及[xn-1,xn]上的五次B樣條擬插值算子。

3 樣條擬插值的誤差估計(jì)

本節(jié)我們將利用連續(xù)模與Taylor公式對(duì)五次B樣條擬插值進(jìn)行相應(yīng)的誤差估計(jì)。首先給出連續(xù)模與極大范數(shù)的定義:

wI(f,r):=sup {|f(x)-f(u)|:x,u∈I,|x-u|≤r}

,

(12)

(13)

其中，I=[x0,xn],xi+1-xi=h,i=0,1,…,n-1。

針對(duì)具有不同光滑度的函數(shù),我們給出如下樣條擬插值的誤差分析。

定理2設(shè)f(x)∈C(I),則對(duì)充分大的正整數(shù)n,Wn(f)的誤差估計(jì)滿足

(14)

(15)

證明：利用五次B樣條基函數(shù)的單位分解性,我們可以得出

f-Wn(f)=f(x)(si-5(Ii)+si-4(Ii)+si-3(Ii)+si-2(Ii)+si-1(Ii)+si(Ii))-Wn(f)。

從而有

‖f-Wn(f)‖Ii=‖f(x)(si-5(Ii)+si-4(Ii)+si-3(Ii)+si-2(Ii)+si-1(Ii)+si(Ii))-Wn(f)‖Ii

當(dāng)x∈I0=[x0,x1]時(shí),有

同理可以驗(yàn)證x∈I1,I2,I3,I4,In-5,In-4,In-3,In-2,In-1的情況。

定理3令f(x)∈C1(I),則對(duì)充分大的正整數(shù)n,Wn(f)的誤差估計(jì)滿足

(16)

(17)

事實(shí)上,令f(x)∈C1(I),當(dāng)x∈Ii=[xi,xi+1]時(shí),將f(x)在區(qū)間中點(diǎn)xi+1/2處展開,我們得到

f(x)=T1,i(x)+(f′(ξi)-f′(xi+1/2))(x-xi+1/2)?f(x)-T1,i(x)=(f′(ξi)-f′(xi+1/2))(x-xi+1/2),

其中T1,i(x)=f(xi+1/2)+f′(xi+1/2)(x-xi+1/2)。

類似地,我們利用連續(xù)模與Taylor公式得到如下定理。

定理4令f(x)∈C2(I),則對(duì)充分大的正整數(shù)n,Wn(f)的誤差估計(jì)滿足

(18)

(19)

定理5令f(x)∈C3(I),則對(duì)充分大的正整數(shù)n,Wn(f)的誤差估計(jì)滿足

(20)

(21)

定理6令f(x)∈C4(I),則對(duì)充分大的正整數(shù)n,Wn(f)的誤差估計(jì)滿足

(22)

(23)

4 數(shù)值算例

本節(jié)我們考慮拋物型方程:

(24)

初邊值為

u(x,0)=sin (πx),u(0,t)=u(1,t)=0,

精確解為

u(x,t)=e-tsin (πx)。

對(duì)方程(24)在點(diǎn)(xi,tk)按時(shí)間步長τ進(jìn)行離散,引入?yún)?shù)δ(0≤δ≤1),我們得到

(25)

(26)

接下來,我們利用均勻節(jié)點(diǎn)下的五次B樣條基函數(shù)來逼近該拋物型方程。令時(shí)間步長為τ=0.04,空間步長為h=0.02,δ=0.5。在下列表格中,我們分別取t=0.2,t=0.6和t=0.84,且對(duì)x取不同值與精確解作對(duì)比。

從上述表格中可以看出,我們用五次B樣條逼近得到的解準(zhǔn)確率高,而且得到的解與精確解的誤差遠(yuǎn)小于比它低一次的四次B樣條解誤差,逼近效果更好。在迭代過程中,我們發(fā)現(xiàn),用四次樣條迭代得到的數(shù)據(jù)是波動(dòng)的,而用五次樣條迭代出的數(shù)據(jù)更加的順滑穩(wěn)定。用拋物型方程舉例,雖然常用三次樣條逼近,但在相同步長的情況下,在相同的有限閉區(qū)間上需要更少的五次B樣條,取得更好的逼近效果。

5 結(jié)語

本文在一元五次B樣條的基礎(chǔ)上,給出了一元五次B樣條擬插值,再根據(jù)函數(shù)的光滑度不同,利用Taylor公式進(jìn)行相應(yīng)的誤差估計(jì),并嘗試運(yùn)用在求解逼近方程中。在以后的工作中,作者將利用本文構(gòu)造的五次B樣條擬插值算子求解其他類型的方程,并擬給出張量積型雙五次B樣條基函數(shù)以及其在微分方程數(shù)值解方向上的應(yīng)用。

表1 t=0.2時(shí)五次樣條解、四次樣條解與精確解對(duì)比

表2 t=0.2時(shí)兩種樣條解與精確解的數(shù)值誤差對(duì)比

表3 t=0.6時(shí)五次樣條解、四次樣條解與精確解對(duì)比

表4 t=0.6時(shí)兩種樣條解與精確解的數(shù)值誤差對(duì)比

表5 t=0.84時(shí)五次樣條解、四次樣條解與精確解對(duì)比

表6 t=0.84時(shí)兩種樣條解與精確解的數(shù)值誤差對(duì)比