Interpolación y splines · Definición
Diferencias divididas de Newton
Al construir un polinomio interpolador conviene usar una base que permita añadir nodos sin rehacer todo el cálculo. Las diferencias divididas ofrecen exactamente esa estructura.
Definición
Las diferencias divididas de Newton son cocientes recursivos de valores de una función en nodos que sirven como coeficientes del polinomio interpolador en forma de Newton.
Sean \(x_0,\dots,x_n\) nodos distintos. La diferencia dividida de orden cero es \(f[x_i]=f(x_i)\), y las de orden superior se obtienen recursivamente. Son simétricas en sus nodos, de modo que \(f[x_0,x_1]=f[x_1,x_0]\). Además, \(f[x_0,\dots,x_k]\) se anula si la función es un polinomio de grado menor que \(k\), lo que sirve para comprobar cálculos.
Ejemplo guía: para \(f(x)=x^2\) con nodos \(0,1,3\), los valores son \(0,1,9\). Entonces \(f[0,1]=1\), \(f[1,3]=4\) y \(f[0,1,3]=\frac{4-1}{3-0}=1\). Con estos coeficientes, \(p(x)=0+1\cdot x+1\cdot x(x-1)=x^2\) reproduce la función en los tres nodos.
Error típico: dividir entre la diferencia de valores de la función en lugar de la diferencia de nodos, o usar \(x_{i+1}-x_i\) en el denominador del orden superior. Otro fallo frecuente es olvidar el signo al invertir el orden de los nodos. Conviene verificar que el polinomio resultante pase por todos los datos originales.
Para pensar
¿Por qué puede añadirse un nodo nuevo al polinomio de Newton sin recalcular los coeficientes anteriores?
Porque el coeficiente \(f[x_0,\dots,x_k]\) depende solo de los nodos hasta \(x_k\); los términos anteriores no cambian y el nuevo se suma multiplicado por \((x-x_0)\cdots(x-x_{k-1})\).
Ejercicios 10
- ¿Cuál es \(f[x_0]\) si \(f(x)=x^2\) y \(x_0=3\)?
- ¿Cuál es \(f[x_0,x_1]\) si \(f(x)=x^2\), \(x_0=1\) y \(x_1=4\)?
- ¿Cuál es el orden de la diferencia dividida \(f[x_0,x_1,x_2,x_3]\)?
- Si \(f[x_0,x_1]=4\), ¿cuál es \(f[x_1,x_0]\)?
- Si \(f(x)=5\) en todos los nodos, ¿cuál es \(f[x_0,x_1]\)?
- Para \(f(x)=x^2\) con nodos \(0,1,3\), ¿cuál es \(f[x_0,x_1,x_2]\)?
- Para \(f(x)=x^3\) con nodos \(1,2,3\), ¿cuál es \(f[x_0,x_1,x_2]\)?
- Con \(f(0)=1\), \(f(1)=3\) y \(f(2)=7\), ¿cuál es \(p(3)\) del polinomio interpolador de Newton?
- Para \(f(x)=x^3\) con nodos \(0,1,2,3\), ¿cuál es \(f[x_0,x_1,x_2,x_3]\)?
- Para \(f(x)=\frac{1}{x}\) con nodos \(1,2,4\), ¿cuál es \(f[x_0,x_1,x_2]\)?
Referencias
- Richard L. Burden, J. Douglas Faires, Annette M. Burden, Numerical Analysis, 10th edition, Cengage Learning, 2016.
- Lloyd N. Trefethen, David Bau III, Numerical Linear Algebra, 1st edition, SIAM, 1997.