上海交通大學(xué)計算方法課件(宋寶瑞)CH.4

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1第五章 函數(shù)的插值及其數(shù)值計算§1 插值的基本概念插值方法是數(shù)值分析中一個很古老的分支，它有著悠久的歷史。插值理論和方法也是現(xiàn)代數(shù)值分析中最基本的內(nèi)容之一，它在數(shù)值積分，曲線曲面擬合，求微分方程數(shù)值解等方面有著廣泛的應(yīng)用。在工程技術(shù)與科學(xué)研究中，有時對一個函數(shù)只知道它在某些點(diǎn)上的數(shù)值，為了進(jìn)一步研究其性質(zhì)，需要用其他函數(shù)去近似代替它，這時就可以用插值方法。有時候，雖然函數(shù)有解析表達(dá)式，但形式過于復(fù)雜，為了便于處理，先在某些點(diǎn)上取值作表格函數(shù)，再通過插值建立易于處理的新函數(shù)，這也是插值理論的一個應(yīng)用。先介紹一般的插值概念。設(shè) ， 。已知它在 個互異的點(diǎn) ，…， 處的函數(shù)值 ，)(xf??ba,?1?n0xn0y，…， ，即：1yn， ，1，…，niiyxf?)(求解插值問題就是從函數(shù)類 中求 使?)(x?， ，1，…，n （1.1）iiyx)(?02這里的 稱為被插函數(shù)， 稱為插值區(qū)間，)(xf??ba,， ，1 ，…，n ，稱為插值節(jié)點(diǎn)， （1.1）式稱為插值條件，而 和ix0? )(x?分別為插值函數(shù)和插值函數(shù)類。?通常選定的插值函數(shù)類是有限維線性空間，它可看成是某一組基張成的線性空間：??niix0)(????niixSpa0)(???對 ，有 使得???nia0???niixax0)()(于是確定函數(shù) 歸結(jié)為確定數(shù)列 。)(x??ni從理論上看，插值問題包含以下內(nèi)容：（1）確定 的基 ，一般地說基不唯一，選擇合適的基可以簡化??nii0)(?問題的解法；（2）討論滿足（1.1）的 的存在性，求法及唯一性；)(x?（3）尋找插值問題的截斷誤差，即余項： )()(xfR??的表達(dá)式與估計。3§2 多項式插值本節(jié)選取常用的多項式函數(shù)類作插值函數(shù)類。多項式函數(shù)屬于解析函數(shù)類，形式簡單，計算方便，其導(dǎo)數(shù)與不定積分易于求出。下面把不超過 n 次的多項式函數(shù)類記為 nP2.1 Lagrange 插值設(shè)已知 ， 在相異節(jié)點(diǎn) ， ，…， 上的函數(shù)值)(xf??ba,?0x1nx， ， 1， …， n， 取 = ，下面求 的插值函數(shù)。iiyf?)(0?nP)(f設(shè)，201() npxaxa????插值的基本問題是，尋求如上的 ，使得 ，()()iipy?， 1， …， n.0?i該問題等價于求解下列線性方程組： 2010011201nnnaxaxy?????????? ? ? ? ? ??上述線性方程組的系數(shù)矩陣為：4200112nnnxxA??????????? ??A 的行列式為（稱為 Vandermonde 行列式） 20011012(,)nnnnxxWx???? ?? ??根據(jù)線性代數(shù)的知識知道 010(,)()njijixx??????注意到諸 互不相同，從而 ，上述線性方程組存在唯ix,W??一解。這說明滿足條件（1.1）的插值多項式是存在的，而且還是唯一的。定理 2.1 設(shè) ， 為 上的 n+1 個相異的節(jié)點(diǎn)，)(xf??ba,???0nix???ba,，i=0，1 ， …， n，則滿足)(iixfy?，i=0，1 ， …， n()iipxy的 是存在并且唯一的。()px?nP從定理 2.1 的證明可看到，要求插值多項式 p(x),可以通過求解一個線性方5程組得到。但這樣做不但計算復(fù)雜，且難于得到 p(x)的簡單表達(dá)式。為了求得便于使用的簡單的插值多項式 p(x)， 可以如§1 所述，選擇 的適當(dāng)?shù)幕?。nP先構(gòu)造 n 次插值基函數(shù) ，i=0，1 ， …， n 使?)(xlinP， ， 1， …， n， （2.1）1()0ijijjlxi??????， i由當(dāng) 時， 可知：ij?)(jixl， 1， …， n （2.2）0()niikklxc????0i其中 是待定常數(shù)，它可由 定出：i )(?ixl； ， 1， …， n。10()niikkc?????????0i代入（2.2）得：i=0， 1， …， n0()nkikixl??????????再作 00()()nn kiiiikixLxylxy???????????易知 ，即為所求的插值函數(shù)。?nP6這種具有 性質(zhì)的基稱為對偶基，以后我們還會多次構(gòu)造針對不同問題的ij?對偶基。記 ，則 ，10())nnkkxx?????10()()nniikkxx??????，10()()nnkkiixx?????， i=0，1 ， …， n，??1(())niiilx???10(())nniiixLy?????例 2.1 已知 ，節(jié)點(diǎn)為 ， ， ，求xf)(10?2x4?)(2xL解 ， )(1fy， 。0?y 1)(fy863)4(2)(20 ???xxl 21 1()(54)()l??)3(6)4()(22 ???xxxl722017()()84iLxylx????2.2 插值多項式的插值余項現(xiàn)在考慮用 近似 所產(chǎn)生的誤差，即插值余項)(xLn)(f)(xLfxRnn??當(dāng) 在 上 n+1 階可導(dǎo)時，可以把 化為便于估計的形式，)(xf??ba, R先設(shè) ，i=0，1 ， …， n，作輔助函數(shù)?，1()()()nFtfLtKxt??????ba,?其中 滿足：()Kx（2.3）1()()0nnfxx??當(dāng) x 不為插值節(jié)點(diǎn)時 ，這樣的 是存在的。10???K于是 ， ，…， ， 是 的 n+2 個相異的零點(diǎn)，依次對 ，0t?xnx)(tF)(tF，…， 應(yīng)用 Rolle 定理可知存在 使)(F?)(tn ??ba,??0= (1)(1)()1!nnfKxn??????從而8(1)!nfKx???代入（2.3）式得：，(1)1()!nnnfRxx??????ba,?若 x 等于某一 ，則 ， 故任取 上式也成立。i1()0n??Rnx,于是得出：定理 2.2（多項式插值的余項） 設(shè) 在 上 n+1 階可導(dǎo)，則存在)(xf??ba,使??ba,?? (1)1() ()!nnnnfRxfLxx??????注：由上式可知，當(dāng) 時， ，特別當(dāng) 時，可得：?fP)(fn??f（2.4）0()1nilx??例 2.2 考察四位常用對數(shù)表作線性插值的誤差。解 設(shè) ， ， ＜0.4343。xflg)(2lg)(xef??設(shè) x 位于 和 之間：1≤ ＜ ＜ ，則0019， ≤ ≤1012lg()()eRxx????0x?1記表距 ，得01h 4)(max21010 hx???2110.3(lg)(8LR??= 220549..hx?當(dāng) h=0.01 時，（2.5）61149.5)((lg????xL再考慮舍入誤差，設(shè)， i=0，1iiiffy???)(其中 是表值， 是舍入誤差，則：ifi?，i=0，1 （2.6）50?????iiify把以 ， ，i=0，1 構(gòu)造的線性插值分別記為 ， ，注意到i )(xL*1，i=0， 1 在 上非負(fù)及（2.5） ， （2.6）式，則線性插值的舍入誤差)(xli ??0,x*21()()RL??101100()()iiylxfl????10ma(),iifli??10()ilx??== 51??可見舍入誤差比截斷誤差大一個量級。此時整個誤差不超過 6512().4910Rx??????2.5?2.3 Newton 插值Lagrange 插值公式的缺點(diǎn)是，當(dāng)插值節(jié)點(diǎn)的個數(shù)有所變動時（例如為了提高精度，有時需要增加節(jié)點(diǎn)個數(shù)） ，Lagrange 插值基函數(shù) ，)(xlii=0，1 ， …， n 就要隨之發(fā)生變化，從而整個公式的結(jié)構(gòu)也要發(fā)生變化，這在計算實踐中是不方便的。為了克服上述缺點(diǎn)，在這一節(jié)中我們引入 Newton 插值公式。11令 表示 n 個節(jié)點(diǎn) ， ，…， 上的 n-1 次插值多項式，由于)(1xNn?0x11x?， i= 0，1 ， …， n-1iini yN??)()所以 101()())()nn nxcxx???此處 c 為常數(shù)，由條件，可以定出 )()(110???nnnxxNyc?因此，n+1 個節(jié)點(diǎn) ， ，…， 上的 n 次插值多項式也可以寫成下列形0x1式： 010011()()()()n n nNaaxx??????? ?Newton 插值公式的系數(shù)如何確定?為此我們引進(jìn)差商的概念。設(shè)已知不同的自變量 上的函數(shù)值n,10?，i=0，1，… ， n， 稱)(ixf，()[,]ijijfxff??ji?為 的一階差商（式均差） 。一階差商的一階差商)(xf [,][,][,]()ijjkijkfxfxfxi???12叫做 的二階差商。一般說來，我們稱 n-1 階差商的一階差商)(xf 01201 0[,][,][,]nnnfxfxf ??? ??為函數(shù) 的 n 階差商。)(xf根據(jù)差商定義設(shè) 為一動點(diǎn)，[,]ab?0011000()()[,][,][,],,[,]()nnnfxfxxfffx???????? ? ?只要把后一式代入前一式，即得： 001001201()[,]()[,]()fxfxf?? ??)[,]()nnnxfxx???? ? ?:()nNxR其中 且滿足插值條件，稱為 Newton 插值公式。而n?P＝ 為插值余項。()nx01[,]()nfx???用數(shù)學(xué)歸納法易證明 n 階差商 1010()[,]niifxfx??????為了作數(shù)值計算常利用形式如下的差商表13x 一階差商 二階差商 三階差商)(f001x)(1f01[,]fx222012[,]fx3x)(3f3[,]fx30123[,]fx插值公式（2.9）中的系數(shù)就是上表中帶下劃線的項。因此當(dāng)已知，i=0，1， …， n 時，利用差商表可以很容易地算出的各階差商的)(iixfy?值。因為在 n+1 個不同的點(diǎn) ， ，…， 上取給定值的次數(shù)不超過 n 的多0x1nx項式是唯一的，所以次數(shù)相同的 Newton 插值多項式與 Lagrange 插值多項式是恒等的，它們的差異僅是書寫形式不同而已，但是這種差異卻為計算實踐帶來了很大的方便，實際上，對于 Newton 插值公式來說，當(dāng)需要增加一個插值點(diǎn)時，只需要在原插值多項式的后面再添加一個新項就可以了。2.6 Hermite 插值為了理論和應(yīng)用上的需要，有時不但要求插值函數(shù) p(x)在節(jié)點(diǎn)處的函數(shù)值與被插值函數(shù) f(x)相同，而且要求在節(jié)點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)值也相等，這就導(dǎo)致了下面的14Hermite 插值。給定 f(x) 在 n＋1 個互異的節(jié)點(diǎn) 處的函數(shù)值 及導(dǎo)01,nx? ()iifxy?數(shù)值 ，i=0 ， 1， …， n， 要求一個次數(shù)不超過 2n＋1 次的多項式()ifxy???滿足21nH?， i=0，1 ， …， n， 2121(),()niiniiHxyxy??????（2．19）我們從構(gòu)造 Lagrange 插值多項式的方法得到啟發(fā)，設(shè)法構(gòu)造 Hermite 插值問題的對偶基。即構(gòu)造兩組次數(shù)都是 2n＋1 次的多項式 01()jjlxl和i=0，1 ， …， n 使其滿足：i， j=0，1 ， …， n 0011(),();jiijjijlxlx???（2．20）則滿足插值條件（2.19）的 2n＋1 次多項式就是（2．21）2100()()()nnnjjHxylxylx??????由（2．20）知 是 的二重零點(diǎn)，因此可設(shè),ij?jl20())(j jxablx?其中 a， b 為待定常數(shù)， j=0，1 ， …， n 是 2.1 節(jié)中定義的 n 次jl15Lagrange 插值基函數(shù)，于是只要選擇常數(shù) a， b 滿足2()(1[)(]0jjjjaxbllxl?????????整理有 ()12()0jjjabxl????解上述方程得： ()12jjalbx????????類似于上述做法，令： 21())(j jlcdl?同理可求得 jdx?????將 a,b,c,d 代入（ 2.21）并整理可得 2210()[()()]nnjjjjjHxyxylx?????定理 2.4 Hermite 插值問題（ 2.19）的解是存在且唯一的。證明 存在性上面已證。為證唯一性，假設(shè)有另一 也滿足條2121()nnQx???P件（2.19） ，令： ，易知 是212121()()()nnnxQHx??????P,0,i??16的二重零點(diǎn)，于是，次數(shù)不超過 2n＋1 的多項式 有 2n＋2 個零點(diǎn)，()x? ()x?必 從而 。0?2121()()nnQxH???Hermite 插值函數(shù)的誤差與 Lagrange 插值的誤差估計十分類似，有如下定理，讀者可仿照定理 2.2 自己證明。定理 2.5 （Hermite 插值的余項） 設(shè) 在 上 2n+2 階可導(dǎo)，x)(xf??ba,和諸 皆位于區(qū)間 內(nèi)，則存在 使ix??ba,??ba,??(2)221211())()!nnnnfRxfHxx?????????2.7 Newton-Hermite 插值公式本節(jié)討論一類具有重節(jié)點(diǎn)的多項式插值方法，即 Newton-Hermite 插值方法。因為此類插值問題要求在節(jié)點(diǎn)處滿足任意給定的導(dǎo)數(shù)條件，所以也常被稱為切觸插值問題。設(shè)＜ ＜…＜ （2.22）1x2sx，為事先指定的實數(shù)，其中 為正()0,;,hkky????? ? 1,s??整數(shù)（2.23）121??ns?17我們要構(gòu)造一個次數(shù)不高于 n 的多項式 ，使?)(xpnP， （2.24）)()(hkhyxp?sk,1;,0?? ???下面我們用類似于 Newton 插值的方法來解這個問題。第一步：根據(jù)（2.22） ， （2.24）式寫出數(shù)列（2.25）??ssxxx,,,,2211 ????（2.25）中， 連續(xù)寫 次，再將（2.25）中的數(shù)據(jù)重新順序編號，得到kk?（2.26）nx,10?（2.26）稱為有重節(jié)點(diǎn)的插值節(jié)點(diǎn)組。第二步：對于節(jié)點(diǎn)組（2.26）和插值條件（2.24） ，用 2.3 節(jié)中同樣的方法作出差商表。這里對重節(jié)點(diǎn)的差商作補(bǔ)充規(guī)定： ()()1[,]!hhkkkhfxyfx???????個第三步：寫出形如（2.10）的 ， 就是所要求的 Newton-)(Nn)(nHermite 插值多項式例 2.5 設(shè)節(jié)點(diǎn)為 ，設(shè)求 ， 使0123,xx???()Hx?5P18， ， ，1(3) 2H??2)0(?1)(H， ，4? ??。()解 重寫節(jié)點(diǎn)組 并作差商表：??1,03,x 一階差商 二階差商 三階差商 四階差商 五階差商)(f-3 21-3 4-3 81?0 2 2570 2 －1 361926?1 1 －1 0 81381453623 235()(3)()()()()2487Hxxxxx??????即為所求之插值多項式。19§3 分段線性插值討論了 Lagrange 插值法以后，自然會問：當(dāng)插值節(jié)點(diǎn)無限加密時，必在 上收斂于 嗎？)(xLn??ba,)(xf即使對于性質(zhì)很好的函數(shù)，答案也是否定的。Runge 指出，無窮次可微函數(shù) 21)(xf??在 上用等距節(jié)點(diǎn)插值時，在區(qū)間兩端會產(chǎn)生劇烈振蕩的現(xiàn)象。圖 3.1??5,?給出了 與 的示意圖?？梢宰C明：在等距節(jié)點(diǎn)下當(dāng) ＜)(xf)(10Lx時， 收斂于 。而 > 時 不收斂。63.??n)(xf?)(Ln20圖 3.1因此在實際實用中，往往不采用高次插值多項式，而改用分段的低次插值多項式去近似函數(shù)。由于分段的低次插值多項式對函數(shù)通常有較好的逼近性態(tài)，因而近年來有著十分廣泛的應(yīng)用。其中突出的如樣條函數(shù)。本段先介紹分段線性插值。設(shè) ， ，已知它在節(jié)點(diǎn) ＜ ＜…＜ 上的函數(shù))(xfy???ba,?0xa?1bxn?值 ，i=0，1，… ， n。 試求 ， 使i )(xI??b,（1） ，i=0，1 ， …， n；iyxI)(（2） 在 ，i=0，1 ， …， n 上是一次多項式。??,?i滿足上述條件的 稱之為 在 上以 為節(jié)點(diǎn)的分段線性插值)(xI)(xf??ba,??nix0多項式。滿足所述條件的 是存在的，只要把在 ，i=0，1 ， …， n-1 上)(I ,?i的線性插值多項式逐段拼接起來就得出 了。)(xI， ，i=0，1 ， …， n－1 ；iiiixyxyI ????11)( ],[??i對于分段線性插值多項式我們也可以構(gòu)造 型的基，只要令：ij?21?????0)/())(110xxl 其 他 點(diǎn) 10x???????)/()()11jjjj xxl 其 他 點(diǎn) 11??jjxj=1，2，… ， n-1?????0)/()()11nn xxl 1nnx??他顯然有 i,j=0，1，… ， n。因此 可表示為ijijxl?)( )(I0()jiIxylx??記 ，i=0，1，… ， n-1， 。對于 時iiixh???1 1ma()inh??0?h趨向于 的收斂問題，有)(xI)(f定理 3.1 （分段線性插值收斂的充分條件）若 在 上連續(xù)，則當(dāng))(xf??ba,時， 在 上一致收斂于 。0?h)(xI??ba, )(xf證 由 的連續(xù)性， ，i= 0，1，… ， n-1，)(xf??1,i???使 和 分別取得 在 上的最大值 和??1,,iix?????i?i?)(xfi iM最小值 ，于是im22，)()(iiffxIf ???????1,???ix再由 在 上的一致連續(xù)性， ＞0， ＞0 使 ， ，)(xf??ba, ??uv??ba,＜ 時，有 ＜ 。于是當(dāng) h＜ 時， ， 使vu??)(vfu?,xk?10?nk＜ 證畢。)()(kkffxIf?????由定理 3.1 可知，剛才我們討論的 Runge 函數(shù)， ，21)(xf??它在等距節(jié)點(diǎn)組上的 n 次插值多項式 不收斂，而其在同一節(jié)點(diǎn)[5,]x?? )(xLn組上的分段線性插值多項式一致收斂于 。)(f§4 三次樣條插值雖然分段線性插值 較好地解決了收斂問題，但是 在內(nèi)節(jié)點(diǎn)上通常)(xI )(xI是不可導(dǎo)的。而在實際應(yīng)用中，如高速飛行器的機(jī)翼設(shè)計、船體放樣等，需要分段插值函數(shù)有二階可導(dǎo)性。為此，下面討論三次樣條插值。4.1 三次樣條函數(shù)樣條（Spline）本來是在船體放樣繪制光滑曲線時用的一種細(xì)木條。用壓鐵把細(xì)木條固定在一些已知點(diǎn)上，細(xì)木條就形成一條相當(dāng)光滑的曲線。23數(shù)學(xué)上的樣條函數(shù)是從這個物理模型中抽象出來的，其中常用的三次樣條函數(shù)的定義如下：對函數(shù) ， 與 上的一組節(jié)點(diǎn)：)(xS],[ba?,＜ ＜…＜0x?1bxn?若（1） 在 ，i=0，1，… ， n-1 上都是三次多項式，)(xS],[?i（2） 在 上有二階連續(xù)導(dǎo)函數(shù)，ba則稱 為 上以 為節(jié)點(diǎn)的三次樣條函數(shù)。)(x],[??nix0若再要求：（3） ， i=0，1，… ， n()()iiSyf?則稱 為 上以 為節(jié)點(diǎn)的 的插值三次樣條函數(shù)。x],[ba??nix0)(xf4.2 三次樣條插值的計算設(shè)給定一區(qū)間 ，且],[ba＜ ＜…＜0x?1bxn?任意給定一組常數(shù) ， ，…， ，要求構(gòu)造一個插值三次樣條函數(shù) ，0y1ny )(xS使得如下插值條件得以滿足：24，j=0，1 ， …， n （4.1）jyxS?)(今以 表示 ，j=0，1，… ， n 。由于 為分段 3 次多項式，jMj? )(xS所以 在區(qū)間 上為一線性函數(shù)。因而它可由過 與)(jxS?],[jjx? ),1?jjM兩點(diǎn)的線性插值函數(shù),j（ ） （4.2）jjjj hxxS11)( ????? jjx?1所決定，其中 。1jjjh為了最后求出 在 上的表達(dá)式，只須對（4.2）式積分兩次，并)(xS],[jj?定出積分常數(shù)就夠了。當(dāng) 時，],[1jjx??jjjj hxMhxS6)(6)()( 3131 ???jjjjjj hxMyy 1221 )6()( ???（4.3）?????jjjj hxhxxS2)(2)()(' 11（4.4）16jjjjyM?25由（4.3）可知，為求 ，關(guān)鍵是設(shè)法確定各個 ，j=0，1 ， …， n。而)(xSjM為了求得各個 ，必須引用樣條節(jié)點(diǎn)處的光滑連接條件jM（4.5）)()0(?????jjxSx按（4.4）有 jjjj hyMhxS1136)( ???111(0)jjjjj jj?????由（4.5）可得連續(xù)性方程111636???jjjjjj MhhMj=1， …， n－1 （4.6）jjyy11???它給出了 n+1 個未知數(shù) ，j= 0，1，… ， n 的 n-1 個方程式，按它尚不足以j唯一確定 。還須補(bǔ)充兩個“邊界條件” ，這有下述幾種情況：jM（1）假定 。于是按照前面公式，可得方程：nybSa????)(,)(026（4．7）)(6211010nnnn hyM??????（2）假定 ，相當(dāng)于直接給出 ， .0(),)Sayb??? 0My??n?無論（1）或（2） ，均可概括為（4.8）0102nndM????????引入記號， ，j=1 ， 2， …， n-1 （4.9）1jjh???jj??則（4.6）可改寫為 1111 ]/)[(]/)[(62????? ??jj jjjjjjj hhyyM??j=1，2，… ， n-1 （4.10）所以由（4.8） ， （4.10）確定的線性方程組為27= （4.11）???????? ??2020112110nn??????? ?????nMM1210?????ndd1210?其中 ，j=0，1 ， …， n-1 表示（4.11）的右端項。jd如果滿足條件)(xSj=0，1，2. （4.12）)())( ???bajj則稱之為以 b-a 為周期的三次周期樣條函數(shù)。顯然，對于 3 次周期樣條函數(shù)，應(yīng)該要求（4.10）對 j=n 的情況也成立，如果再注意到 的性質(zhì)，而把nM?0（4.10）中的 換成 ，則相應(yīng)于 3 次周期樣條函數(shù)的方程組為0Mn= （4.13）???????? ??20002011332 11nn ?????????? ??? ?????? ? ?????nM12321????ndd12321?28其中 10,,nnnnhM???????線性代數(shù)方程組（4.11）?？捎米汾s法來求解，而方程組（4.13）則可把先作為參數(shù)，求解其中 n-1 個方程中的 n-1 個未知數(shù) ，n 1M，…， （其解依賴于 ） ，然后代入最后一個方程以求出 ，同時21?nn n， ，…， ，也隨之確定了。1M4.3 誤差界與收斂性三次樣條函數(shù)的收斂性與誤差估計比較復(fù)雜，這里不加證明地給出一個主要結(jié)果。定理 4.1 設(shè) ， 為滿足第一類或第二類邊界條件的三4()[,]fxCab?)(xS次插值樣條函數(shù)，令 ，則有估計式101m,0,1iiiinhn???????()()(4)a| |||,2kk kkxbfxfxh?其中 01253,,.3848CC這個定理不但給出了三次樣條插值函數(shù) S(x)的誤差估計，且指出了當(dāng)時，S(x) 及其一階導(dǎo)數(shù) S’(x) 和二階導(dǎo)數(shù) S’’(x) 均分別一致收斂于 f(x)，h?f’(x)， f’’(x).29B-樣條函數(shù)空間上面導(dǎo)出的三次樣條插值函數(shù)分別在每個子區(qū)間上有一表達(dá)式，這在應(yīng)用上和理論分析中都很不方便，如果利用基函數(shù)表示往往更為方便。設(shè)給定一組節(jié)點(diǎn)＜ ＜…＜ ＜ （5.1）0x???1Nx???1又設(shè)分段函數(shù)滿足條件：1．于每個區(qū)間 ，j=0，… ， N 上， 是一個次數(shù)不超過 n 的],[1?j )(xS實系數(shù)代數(shù)多項式；2． 于 上具有直到 n-1 階的連續(xù)導(dǎo)函數(shù)。則稱 為 n)(xS),?? )(xSy?次樣條函數(shù)。常把以（5.1）為節(jié)點(diǎn)的 n 次樣條函數(shù)的總體記為 ，,1N?n稱為樣條節(jié)點(diǎn)。Nx,1?下面來給出樣條函數(shù)類 中任一樣條函數(shù)的一般表達(dá)式。nS),(1Nx?對于任意給定的以（5.1）為節(jié)點(diǎn)的 n 次樣條函數(shù) ，12(),)NSxx?n?根據(jù)定義，其在每個子區(qū)間 ，j=0，… ， N 上均為一 n 次多項式，特],[1?jx別地，于子區(qū)間 內(nèi)是一 n 次多項式，不妨設(shè)其為],(1??)(xpP30今考慮 于 上的表達(dá)式。由定義， 于 上的表達(dá)式仍)(xS],[21 )(xS],[21為一 n 次多項式。若設(shè)該 n 次多項式為 ，并考慮下述 n 次多項式的性質(zhì)：)(qn)()(xpxnn???按 n 次樣條函數(shù)的定義， 與 于點(diǎn) 處的值及 1 階、2 階，一直pnq1到 n-1 階導(dǎo)數(shù)值皆相等：，i= 0，… ， n-1)()(11xinin?亦即，i= 0， …， n-1)(1i?是故 是 的 n 重根，即 含 這個因子，由于 是一 n1x?)(xn)(?)(x?次多項式，所以存在某常數(shù) ，使得：1C（5.2）nx)()1??亦即（5.3）nnnCpxq)()(1??它說明 于區(qū)間 上的表達(dá)式恰為其前一區(qū)間上的表達(dá)式加上)(xS],[21的某一常數(shù)倍，這樣一來， 于 上的統(tǒng)一表達(dá)式應(yīng)為：n1?)(xS],2?31（5.4）1112(),()nnpxxSxC?????????為把（5.4）式寫成一個統(tǒng)一的表達(dá)式，引入記號（5.5）???????0),0max(xm)(?則（5.4）所示的 又可緊湊地表示為)(xSnnxCp???)(12()x???繼續(xù)采用這種分析方法，可得 于整個實軸上的表達(dá)式為（5.6）1()()NnnjjjSxpx????)(x此即為下述定理所敘述的事實定理 5.1 任一 均可唯一地表現(xiàn)為),()21Nxx?nS?（5.7）1(NnnjjjpC????)(??x其中 ， ，j=1，… ， N 為實數(shù)。)xpnPj顯然，由（5.7）式所給出的任一函數(shù) 必然滿足 n 次樣條函數(shù)的定義，)(xS亦即 ，因而定理 5.1 可進(jìn)一步寫成：),()21NnxSx??32定理 5.2 為使 必須且只須存在 和 N),()21NxxS?n??)(xpnP個實數(shù) 使得（5.7）式成立：NC,,21?1()()Nnnjjxpx????()x??定理 5.1 和定理 5.2 說明函數(shù)系 1,.,(),.()nnnN??構(gòu)成 n 次樣條函數(shù)類 的一組基，線性空間 的S21Nx? S),(1Nx?維數(shù)為 N+n+1。