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Capítulo 8
Interpolación
Polinómica
REGRESION INTERPOLACION
Los Métodos Numéricos
Métodos mas utilizados
Ajuste de Curvas y Modelamiento
INTRODUCCIÓN
 La finalidad del cálculo de las funciones de
interpolación se centra en la necesidad de obtener
valores intermedios (INTERPOLACIÓN) o de
valores fuera del intervalo para el que se dispone
de datos (EXTRAPOLACIÓN).
 Como es difícil encontrar la función representativa
de un conjunto de datos, es mejor aproximarlo a
una forma polinómica.
Interpolación polinómica
 En análisis numérico, la interpolación polinomial es una técnica de
interpolación de un conjunto de datos o de una función por un
polinomio. Es decir, dado cierto número de puntos obtenidos por
muestreo o a partir de un experimento se pretende encontrar un
polinomio que pase por todos los puntos.
X Y
-----------------------
X1 Y1
X2 Y2
X3 Y3
X 4 Y4
…… ……
Xn Yn
Interpolación lineal
x=[0 1 2 3 4 5 6];
Y=[0 0.9 1 0.2 -0.9 -1 -0.3];
Encontrar Y(1.5)
Interpolación Numérica
Interpolación
 Sustitución de una función (conocida o
tabulada) por otra más simple
 Interpolante como combinación de la base de
un espacio funcional:
Funciones base: polinómicas, trigonométricas, …
 Función interpolante “coincide” con la inicial
 Lagrange: valor de la función en algunos puntos
 Taylor: valor de las derivadas en un punto
 Hermite: valor de la función y la derivada
   
0
n
i i
i
x x
  

 
Interpolación Numérica
Objetivos de la Interpolación
 Plantear las condiciones de existencia y unicidad de solución
del problema general de interpolación
 Saber que el problema de Lagrange tiene un único polinomio
de interpolación de grado mínimo
 Conocer las diferentes formas de representar dicho polinomio
 Conocer las ventajas e inconvenientes de las formas de
Lagrange y de Newton
 Comprender la relación entre diferencias divididas y expansión
en serie de Taylor y su uso para acotar el error
 Comprender las limitaciones e incertidumbres de la
extrapolación
 Valorar las ventajas e inconvenientes de los diferentes
interpolantes segmentarios
Introducción:
Se trata de obtener un polinomio (polinomio de interpolación) que
cumpla:
f(x )≈ p(x).
en una serie de n puntos x0, x1, …, xn .
Interpolación con polinomios MUESTRAS
PEQUEÑAS
 se utiliza una función interpoladora de tipo
polinómico de grado no mayor que n, siendo n el
número de puntos conocidos menos uno

Interpolación lineal
Encontrar P(13) a través
de los puntos
(x0,y0)=(12,18),
(x1,y1)=(14,21)
5 10 15 20
5
10
15
20
25
Hora
Grados







1
1
1
0
0
0
1
0
y
x
a
a
y
x
a
a







21
a
14
a
18
a
12
a
1
0
1
0
x
a
a
)
x
(
P 1
0
1 

La solución de estas 2 ecuaciones, nos da los
valores de ao , a1
A=[1 12 18;1 14 21];
Sol=rref(A)
Ejecutando
Sol =[1.00 0.00 0.00
0.00 1.00 1.50]
Equivale ao =0, a1=1.5
Y=0 +1.5x
Y(13)=1.5(13)=19.5
Interpolación lineal
x0 x x1
f(x0)
f1(x)
f(x1)
f(x)
Utilizando triángulos semejantes
       
0
1
0
1
0
0
1
x
x
x
f
x
f
x
x
x
f
x
f





Reordenando
        
0
0
1
0
1
0
1 x
x
x
x
x
f
x
f
x
f
x
f 




Interpolación con ajuste
cuadrático
Expresión del polinomio
Condiciones de interpol
El polinomio puede ser
P(x)=a+bx + cx2,
entonces 5 10 15 20
5
10
15
20
25
Hora
Grados
Polinomio de grado2
















2
2
2
2
2
1
0
1
2
1
2
1
1
0
0
2
0
2
0
1
0
y
x
a
x
a
a
y
x
a
x
a
a
y
x
a
x
a
a
2
2
1
0
2 x
a
x
a
a
)
x
(
P 


Ej1.- Dados (1,1), (3,6), (5,1). Hallar f(4)
X=[1, 3, 5]; Y=[1, 6, 1];plot(X,Y);grid;
P(x)=a+bx + cx2
a +b + c = 1
a +3b+9c=6
a+5b+25c=1
A=[1 1 1 1;1 3 9 6;1 5 25 1];abc=rref(A)
Ejecutando en octave, se obtiene
abc = 1.00 0.00 0.00 -5.25
0.00 1.00 0.00 7.50
0.00 0.00 1.00 -1.25
Es decir: a=-5.25; b=7.5; c=-1.25;
Y(4) = y4=a+b*4+c*16
y4 = 4.75
Expresión
Determinación































n
2
1
0
n
n
n
2
n
2
n
1
0
n
2
n
2
2
2
2
1
0
n
1
n
2
1
2
1
1
0
n
0
n
2
0
2
0
1
0
y
y
y
y
x
a
x
a
x
a
a
x
a
x
a
x
a
a
x
a
x
a
x
a
a
x
a
x
a
x
a
a










n
n
2
2
1
0
n x
a
x
a
x
a
a
)
x
(
P 



 
Forma normal del polinomio
de interpolación
Ej2. Interpolación polinomial
Dados x=[0 1 2 3 4 5 6];
Y=[0 0.9 1 0.2 -0.9 -1 -0.3];
x1=1.5
Encontrar y(1.5)
Podemos utilizar diferentes
Alternativas: segmentario lineal entre (1,0.9)y (2,1), y(1.5)=0.95
Segmentario parabólico entre (1,0.9),(2,1),(3,0.2):P(x)=a+bx+cx2
a+b+c =0.9
a+2b+4c=1
a+3b+9c=0.2
P=1.06
Contin. Ej.2. Forma cuadrática
x=[0 1 2 3 4 5 6];
Y=[0 0.9 1 0.2 -0.9 -1 -0.3];
a=0
a+b+c =0.9
a+2b+4c=1
a+3b+9c=0.2
b+c =0.9
b+2c =0.5 -- > c=-0.4
bc=[1 1 0.9;1 2 0.5];bc=rref(bc)
b+c =0.9
b+3c =0.2/3=0.066 -- > 2c=-0.83 -- > c=-0.415
c =-0.41, b=1.31
x=1.5;P=1.31*x-0.41*x^2
y(1.5)=1.04; y(0.5)=0.55
Ej3.Interpolación forma cúbica
x=[0 1 2 3 4 5 6];
Y=[0 0.9 1 0.2 -0.9 -1 -0.3];
Encontrar y(4.5), y(5.5)
P(x) =a+bx + cx2 + dx3
Escogemos
x=[1 2 5 6];
Y=[0.9 1 -1 -0.3];
a+b+c+d=0.9
a+2b+4c+8d=1
a+5b+25c+125d=-1
a+6b+36c+216d=-0.3
Cont Ej3.Interpolación polinomial
a+b+c+d=0.9
a+2b+4c+8d=1
a+5b+25c+125d=-1
a+6b+36c+216d=-0.3
A=[1 1 1 1 0.9; 1 2 4 8 1;1 5 25 125 -1;1 6 36 216 -0.3];
A=rref(A)
A =
1.00 0.00 0.00 0.00 -0.65
0.00 1.00 0.00 0.00 2.49
0.00 0.00 1.00 0.00 -1.04
0.00 0.00 0.00 1.00 0.11
>> x=4.5;y=-0.65+2.49*x-1.04*x*x+0.11*x^3
y = -0.48
Forma de Lagrange del
polinomio de interpolación
Polinomios de Lagrange
Polinomio de interpolación
n
,
,
2
,
1
,
0
i
para
)
x
x
(
)
x
x
)(
x
x
(
)
x
x
(
)
x
x
(
)
x
x
)(
x
x
(
)
x
x
(
)
x
(
n
i
1
i
i
1
i
i
0
i
n
1
i
1
i
0
in



















L
(x)
y
···
(x)
y
(x)
y
(x)
y
(x)
P n
n
2
2
1
1
0
0
n L
L
L
L 




Polinomio de interpolación de Lagrange
Sea una función f(x), de tal manera que conozcamos su valor en cada uno de
n+1 puntos: f(x0), f(x1), …, f(xn).
1º. Obtenemos los “multiplicadores o coeficientes de Lagrange”):
0 1 1 1
0 1 1 1
( ) ( ) ... ( ) ( ) ... ( )
( )
( ) ( ) ... ( ) ( ) ... ( )
k k n
k
k k k k k k k n
x x x x x x x x x x
L x
x x x x x x x x x x
 
 
          

          
Son n+1 coeficientes: conk=0, 1, 2, …, n .
0
( )
( )
( )
n
i
k
i k i
i k
x x
L x
x x






i = 0, 1, 2, …, n
k = 0, 1, 2, …, n
Propiedad de los coeficientes Lk(x):
El coeficiente Lk(x) se anula en cada punto xi, excepto en el xk que tiene el
valor 1 (valor máximo).
Ejemplo: Supongamos como soporte los seis puntos siguientes,
x0 = 1, x1 = 3, x2 = 4, x3 = 6, x4 = 8, x5 = 9.
3
( 1) ( 3) ( 4) ( 8) ( 9)
( )
(6 1) (6 3) (6 4) (6 8) (6 9)
x x x x x
L x
        

        
El polinomio de interpolación deLagrange se
obtiene:
0
( ) ( ) ( )
n
k k
k
p x f x L x

 
EJEMPLO: Si los valores de la función en los cuatro puntos:
x0=2, x1=2.5, x2=3, x3=4,
es:
f(x0) = 7.3890, f(x1) = 12.1825, f(x2) = 20.0855, f(x3) = 54.5980
Hallemos el polinomio de interpolación de Lagrange:
3 2
0
3 2
1
3 2
2
3
( 2.5)( 3)( 4)
( ) 9.5 29.5 30
(2 2.5)(2 3)(2 4)
( 2)( 3)( 4)
( ) 2.66667 24 69.3333 64
(2.5 2)(2.5 3)(2.5 4)
( 2)( 2.5)( 4)
( ) 2 17 46 40
(3 2)(3 2.5)(3 4)
( 2)( 2
( )
x x x
L x x x x
x x x
L x x x x
x x x
L x x x x
x x
L x
  
     
  
  
    
  
  
     
  
 
 3 2
.5)( 3)
0.3333 3.5 6.16667 5
(4 2)(4 2.5)(4 3)
x
x x x

   
  
El polinomio de interpolación de Lagrange es:
p(x) = f(x0) L0(x) + f(x1) L1(x) + f(x2) L2(x) + f(x3) L3(x)
p(x) = 3.12601 x3 – 17.2259 x2 + 39.432 x – 27.5792
Ej. Dados x=[-3 0 1 4 6 ];y=[-8 5 -1 7 -3 ];xi=5 encontrar y(5) con el
Algoritmo de Lagrange en Octave
 clc;clear;
 x=[-3 0 1 4 6 ];y=[-8 5 -1 7 -3 ];LS=0;xi=5;n=5;
 plot(x,y);grid;
 for i=1:n
 L=1;
 for j=1:n
 if i~=j
 L=L*(xi-x(j))/(x(i)-x(j));
 end
 end
 LS=LS+L*y(i);
 end
 sol=LS
Los resultados se verifican con los datos originales
como y(4)=7, y se corrigen y ajustan con la Gráfica
.
Y(5)= 8.8783, según Lagrange
Y(5)=4, valor corregido, suavisado y ajustado con la gráfica
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Ej. Encontrar y(5.5) mediante el algoritmo de Lagrange y
ayuda del Octave
x=[0 1 2 3 4 5 6];
Y=[0 0.9 1 0.2 -0.9 -1 -0.3];
Encontrar y(4.5), y(5.5)
P(x) =a+bx + cx2 + dx3
Escogemos
x=[1 2 5 6];y=[0.9 1 -1 -0.3];
Luego se ingresan estos datos en el Programa de Octave
Y obtenemos y(5.5)= -0.83 (Lagrange)
Interpolación Numérica
Otra Forma de Lagrange
Grado n y además
Ejemplo
   
0
:
n
n n k
k
i i k i
k i k
k i
x x
L x L x
x x




 


 
   
   
3 2
3
2
2 1 2 4 4
1 2 1 1 1 2 6
x x x x x x
L x
     
 
   
 
   
   
3 2
3
1
2 1 2 4 4
1 2 1 1 1 2 6
x x x x x x
L x
     
 
     
 
   
   
3 2
3
3
2 1 1 2 2
2 2 2 1 2 1 12
x x x x x x
L x
     
 
  
 
   
   
3 2
3
0
1 1 2 2 2
2 1 2 1 2 2 12
x x x x x x
L x
     
 
      
             
3 3 3 3 3
13 3
5 5
0 1 2 3
0
3 2 3 2 3 2 3 2
13 3
5 5
3 2
1 1 2
10 2 5
3 2
2 2 4 4 4 4 2 2
3 2
12 6 6 12
3
n
n i i
i
P x f x L x L x L x L x L x
x x x x x x x x x x x x
x x x

      
           
    
 
   

x F(x)
X0=-2 -13/5
X1=-1 -3
X2=1 -2
X3=2 3/5
Interpolación Numérica
Forma de Lagrange (II)
 Ventajas
 Fácil de calcular
 Independientes de la
función a interpolar
 Inconvenientes
 El interpolante puede ser
mucho más simple que
los polinomios de
Lagrange
 Si cambia el soporte los
polinomios obtenidos son
inútiles, es necesario
repetir todo el proceso
Función
{(-2,-5),(-1,-3),(1,1),(2,3)}
     
       
3
0
3 3 3 3
0 1 2 3
3 2 3 2
3 2 3 2
3 2
5 3 1 3
2 2 4 4
5 3
12 6
4 4 2 2
1 3
6 12
0 0 2 1
n
n i i
i
P x f x L x
L x L x L x L x
x x x x x x
x x x x x x
x x x

 
     
     
   

     
 

   

Interpolación Numérica
Ejemplos
 Existencia y unicidad de
 F(-)=1,F(0)=0,F()=1
– Base polinómica: solución única
– {1,sen(x),sen(2x)}: sin solución
– {1,cos(x),cos(2x)}: solución múltiple
 F(x0)=y0,F(x1)=y1,F’(x2)=y2
– Base polinómica:
– Solución única si
     
     
1 1
2 2
1 1
2 2
1 cos 0 cos 2
0 1 cos cos 2
x x x
x x x




  
  
   
2 2
1
2 0 0
P x x x

  
 
1
0 1 2 0 1
2
x x x x x
   
Expresión
Pn(x) = c0 + c1(xx0) + c2(xx0)(xx1) +   
+ cn(xx0)(xx1)    (xxn1)
Determinación algebraica
Pn(x0) = y0 = c0
Pn(x1) = y1 = c0+ c1(x1x0)
Pn(x2) = y2 = c0+ c1(x2x0) + c2(x2x0)(x2x1)
Forma de Newton del
polinomio de interpolación
MÉTODO DE NEWTON
P2(x) = b0 + b1(x – x0) + b2(x – x0)(x – x1)
Ej. Hallar f(4). Dados los puntos
1 3 5
1 4 1
P(x)= b0 + b1(x – x0) + b2(x – x0)(x – x1)
P(x)=b0 + b1(x – 1) + b2(x – 1)(x – 3)
P(3)=1+ b1(3 – 1) =4 -- >b1 =3/2
b2=
Interpolación Numérica
Forma de Newton – Diferencias Divididas (I)
 Origen:
 Propiedades
 Simetría
 Cálculo
       
1 1
0 1
0 0
0 0
, ,
i i
n n
n i k i k
i i
k k
P x x x f x x x x x

 
 
 
   
 
 
       
     
1
1
0
1
1
0
n
n n n n k
k
n
n n n k
k
Q x P x P x x x
P x P x x x








   
  


 
 
 
 
      
0 1
0 0 0 1 1
0
, ,
k k
i i
k k
i i i i i i i i n
i j
j
j i
f x f x
f x x x
x x x x x x x x
x x
   


 
   

 

   
 
   
0 0
0 1 1 1 1
0 1 1
0
, , , ,
, , , k k k
k k
k
f x f x
f x x x f x x x
f x x x x
x x
 





Demo
Demo
Interpolación polinomial de Newton
Revisaremos solo algunos casos: lineal, de segundo grado y
de tercer grado.
Interpolación cuadrática y cúbico
Polinomio cuadrático
f2(x) = b0 + b1(x – x0) + b2(x – x0)(x – x1) (1)
f3(x) = b0 + b1(x – x0) + b2(x – x0)(x – x1)+ b3(x – x0)(x – x1)(x – x2)
f2(x) = b0 + b1x – b1x0 + b2x2 + b2x0 x1 – b2xx0 – b2xx1
Podemos escribirlo como
f2(x) = a0 + a1x + a2x2
Donde
a0 = b0 – b1x0 + b2x0 x1, a1 = b1 – b2x0 – b2x1, a2=b2
Podemos evaluar b0, b1 y b2 sustituyendo x0, x1 y x2 en la ecuación (1), se obtiene
b0 = f(x0)
   
0
1
0
1
1
x
x
x
f
x
f
b



       
0
2
0
1
0
1
1
2
1
2
2
x
x
x
x
x
f
x
f
x
x
x
f
x
f
b







Ejemplo 2
Calculemos ln 2 con ln 4 y ln 6, los punto que se conocen son:
x0 = 1 f(x0) = 0
x1 = 4 f(x0) = 1.386294
x0 = 6 f(x0) = 1.791759
Aplicando las ecs. anteriores
b0 = 0
b1 = (1.386294 – 0)/(4 – 1) = 0.4620981
b2 = ((1.791759 – 1.386294)
/(6 – 4) – 0.4620981)/(6 – 1)
= – 0.0518731
El polinomio es
f2(x) = 0.4620981(x – 1) – 0.0518731(x – 1)(x – 4)
f2(2) = 0.5658444
0 1 2 3 4 5 6 7 8
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
f(x) = ln x
Estimación cuadrática
Valor verdadero
Estimación lineal
Valor real ln 2 = 0.6931472
Error relativo porcentual = 18.4%
Interp. Diferencias divididas
.
Pn(x0) = ƒ(x0) = a0. Pn(x1)= a0 + a1(x1 – x0),
como Pn(x1)= ƒ(x1) y a0= ƒ(x0), entonces
reemplazando se tiene
ƒ(x1)=ƒ(x0) + a1(x1–x0), donde
Ejemplo : Halle el polinomio que interpola los datos:
.
Luego P3(x)=4 – 0.5(x - 1) + 0.5(x - 1)(x - 2) – 0.1(x - 1)(x - 2)(x - 3)
P(4)=4-0.5(3)+0.5(3)(2)-0.1(3)(2)(1)
P(4)=4-1.5+3-0.6 = 4.9
X 1 2 3 5
f(x) 4 3.5 4 5.6
xi f(xi)
1 4
-0.5
2 3.5 0.5
0.5 -0.1
3 4 0.1
0.8
5 5.6
Ej. Si x=[-3,0,1,4,6];y=[-8,5,-1, 7,-3]; encontrar y(3)
 clc;clear;x=[-3,0,1,4,6];y=[-8,5,-1, 7,-3];plot(x,y);grid;
 D(:,1)=y';xi=3;n=5;
 for j=2:n
 for k=j:n
 D(k,j)=(D(k,j-1)-D(k-1,j-1))/(x(k)-x(k-j+1));
 end;
 end;
 P=D(1,1);
 for k=1:n-1
 F=1;
 for j=1:k
 F=F*(xi-x(j));
 end;
 P=P+F*D(k+1,k+1);
 end;
 fprintf('Pd=');disp(P);
Las diferencias finitas son:
-3 -8.00 0 0 0 0
0 5.00 4.33 0 0 0
1 -1.00 -6.00 -2.58 0 0
4 -7.00 -2.00 1.00 0.51 0
6 -3.00 2.00 0.80 -0.03 -0.06
La matriz de las diferencias divididas y el polinomio de Newton son como
sigue:
 -1 -8.00 0 0 0 0
 0 4.00 12.00 0 0 0
 2 -1.00 -2.50 -4.83 0 0
 4 -5.00 -2.00 0.13 0.99 0
 6 2.00 3.50 1.38 0.21 -0.11
P(x)=-8+12(x+1)-4.83(x+1)x+0.99(x+1)x(x-2)-0.11(x+1)x(x-2)(x-4)
P(3)=-4.7571
Interpolación Numérica
Forma de Newton – Diferencias Divididas (II)
Cálculo de la tabla de Diferencias divididas
x F(x)
x0=-2
x1=-1
x2=1
x3=2
          
     
0 0 1 0 0 1 2 0 1
0 1 0 1 1
, , ,
, ,
n
n n
P x f x f x x x x f x x x x x x x
f x x x x x x x x x 
      
  
  13
0 5
f x 

 
1 3
f x  
 
2 2
f x  
  3
3 5
f x 
 
       
   
13
0 1 5
0 1
0 1
3 2
,
2 1 5
f x f x
f x x
x x

 

   
   
 
       
   
1 2
1 2
1 2
3 2 1
,
1 1 2
f x f x
f x x
x x
   
  
  
 
       
   
3
2 3 5
2 3
2 3
2 13
,
2 1 5
f x f x
f x x
x x
 

  
 
 
   
0 1 1 2
0 1 2
0 2
, , 3
, ,
10
f x x f x x
f x x x
x x

 

 
   
1 2 2 3
1 2 3
1 3
, , 7
, ,
10
f x x f x x
f x x x
x x

 

 
   
0 1 2 1 2 3
0 1 2 3
0 3
, , , , 1
, , ,
10
f x x x f x x x
f x x x x
x x

 

          
        
13 3
2 1
5 5 10 10
3 13 7 1
5 5 10 10
2 2 1 2 1 1
2 2 1 2 1 1
n
P x x x x x x x
x x x x x x
 
         
         
  3 2
1 1 2
3 10 2 5 3
P x x x x
   
Interpolación Numérica
Problema de Hermite
 Existencia y unicidad asociadas al sistema
 Base polinónica: soporte sin puntos repetidos
 Base trigonométrica: soporte sin puntos repetidos y
comprendidos en [-  ,  ]
         
         
         
         
         
0 0 1 0 0 1 0 2 1 0 0
0 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1
0 1 1 2 1
0 0 1 0 0 1 0 2 1 0 1
0 1 1 2 1 2 1
n n n
n n n
n n n n n n n n n
n n n n
n n n n n n n n n
x x x x x
x x x x x
x x x x x
x x x x x
x x x x x
     
     
     
     
     
 
 
 
  
  
 
 
 
 
 
 
 
    
 
 
 
     
 
 
 
 
 
 
0
1
0
n
n
f x
f x
f x
f x
f x
 

 
 
 
 
 
 
 
 
  
 
 
  
 
 
 
 
 
  
  
   
   
   
2 1
0
: , 0,1,
n
k k
i i
i k k
x f x
x x k n
x f x

  






 

 




 
2 3 2 1
1, , , , n
x x x x 
       
 
1,sin ,cos , sin ,cos ,
x x kx kx
Interpolación Numérica
Problema de Taylor
 Existencia y unicidad asociados al sistema
 Series de potencias
– Criterios del cociente y de la raíz
– Si L=, converge en x=0, si L=0, converge x
– Sino converge para |x|<1/L
     
   
 
0
: , 0,1,
n
k k
i i
i
x x a f a k n
   

  

     
     
 
   
   
 
 
 
 
 
0 1 0
0 1 1
0 1 0
n
n
n n n n
n
n
a a a f a
a a a f a
a a a f a
   
   

  
   
 
   
 
   
   
  
   
 
   
 
   
 
   
 
¿ ?
0
converge
k
k
k
x x
 





1
lim lim
k k
k
k k
k
L L




 
  
Interpolación Numérica
Forma de Newton – Diferencias Divididas (III)
 Ventajas
 Los cálculos son muy
simples
 La tabla de
diferencias divididas
se simplifica cuando
el interpolante es de
menor grado
 Las operaciones se
pueden reutilizar al
añadir o eliminar
puntos
 Inconvenientes
 El cálculo depende de la
función
 Polinomio:y=2x-1
– {(-2,-5),(-1,-3),(1,1),(2,3)}
x F(x)
x0=-2 -5
x1=-1 -3 2
x2=1 1 2 0
x3=2 3 2 0 0
0
0
0 y
]
x
[
f
=
c 
0
2
1
0
2
1
2
1
0
2
x
x
]
x
,
x
[
f
]
x
,
x
[
f
]
x
,
x
,
x
[
f
c




0
k
1
k
1
0
k
2
1
k
1
0
k
x
x
]
x
,
x
,
f[x
]
x
,
x
,
f[x
]
x
,
x
,
f[x
c



 



0
1
0
1
1
0
1
x
x
]
x
[
f
]
x
[
f
]
x
,
x
[
f
=
c



Diferencias divididas




]
x
,
x
,
x
,
x
[
f
]
x
,
x
,
x
[
f
]
x
,
x
[
f
]
x
[
f
y
]
x
,
x
,
x
[
f
]
x
,
x
[
f
]
x
[
f
y
]
x
,
x
[
f
]
x
[
f
y
]
x
[
f
y
3
2
1
0
3
2
1
3
2
3
3
2
1
0
2
1
2
2
1
0
1
1
0
0




12 18
14 21 1.5000
10 12 2.2500 -0.3750
16 19 1.1667 -0.5417 -0.0417
Tabla de diferencias divididas
Ejemplo de las temperaturas
Evaluación de los polinomios
6 8 10 12 14 16 18 20
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
Grados 0 a 3
Interpolación Numérica
Forma de Newton – Diferencias Finitas
 Puntos equiespaciados xk=x0+k h
Progresivas
Regresivas
 Relaciones





    1 1
1 1
y n n n
k k k k k k
f f x f x f f f
 
 
      
    1 1
1 1
y n n n
k k k k k k
f f x f x f f f
 
 
      
1 y n n
k k k k n
f f f f
 
     
 
1
! , , ,
n n
k k k k n
f n h f x x x
 
 
 
0
1
n
n i
n
k k n i
i
n
f f
i

 

 
    
 

 
0
1
n
n i
n
k k i
i
n
f f
i



 
    
 

 
1
! , , ,
n n
k k n k k
f n h f x x x
 
 

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Interpolación polinómica y métodos numéricos

  • 2. REGRESION INTERPOLACION Los Métodos Numéricos Métodos mas utilizados Ajuste de Curvas y Modelamiento
  • 3. INTRODUCCIÓN  La finalidad del cálculo de las funciones de interpolación se centra en la necesidad de obtener valores intermedios (INTERPOLACIÓN) o de valores fuera del intervalo para el que se dispone de datos (EXTRAPOLACIÓN).  Como es difícil encontrar la función representativa de un conjunto de datos, es mejor aproximarlo a una forma polinómica.
  • 4. Interpolación polinómica  En análisis numérico, la interpolación polinomial es una técnica de interpolación de un conjunto de datos o de una función por un polinomio. Es decir, dado cierto número de puntos obtenidos por muestreo o a partir de un experimento se pretende encontrar un polinomio que pase por todos los puntos. X Y ----------------------- X1 Y1 X2 Y2 X3 Y3 X 4 Y4 …… …… Xn Yn
  • 5. Interpolación lineal x=[0 1 2 3 4 5 6]; Y=[0 0.9 1 0.2 -0.9 -1 -0.3]; Encontrar Y(1.5)
  • 6. Interpolación Numérica Interpolación  Sustitución de una función (conocida o tabulada) por otra más simple  Interpolante como combinación de la base de un espacio funcional: Funciones base: polinómicas, trigonométricas, …  Función interpolante “coincide” con la inicial  Lagrange: valor de la función en algunos puntos  Taylor: valor de las derivadas en un punto  Hermite: valor de la función y la derivada     0 n i i i x x      
  • 7. Interpolación Numérica Objetivos de la Interpolación  Plantear las condiciones de existencia y unicidad de solución del problema general de interpolación  Saber que el problema de Lagrange tiene un único polinomio de interpolación de grado mínimo  Conocer las diferentes formas de representar dicho polinomio  Conocer las ventajas e inconvenientes de las formas de Lagrange y de Newton  Comprender la relación entre diferencias divididas y expansión en serie de Taylor y su uso para acotar el error  Comprender las limitaciones e incertidumbres de la extrapolación  Valorar las ventajas e inconvenientes de los diferentes interpolantes segmentarios
  • 8. Introducción: Se trata de obtener un polinomio (polinomio de interpolación) que cumpla: f(x )≈ p(x). en una serie de n puntos x0, x1, …, xn .
  • 9. Interpolación con polinomios MUESTRAS PEQUEÑAS  se utiliza una función interpoladora de tipo polinómico de grado no mayor que n, siendo n el número de puntos conocidos menos uno 
  • 10. Interpolación lineal Encontrar P(13) a través de los puntos (x0,y0)=(12,18), (x1,y1)=(14,21) 5 10 15 20 5 10 15 20 25 Hora Grados        1 1 1 0 0 0 1 0 y x a a y x a a        21 a 14 a 18 a 12 a 1 0 1 0 x a a ) x ( P 1 0 1  
  • 11. La solución de estas 2 ecuaciones, nos da los valores de ao , a1 A=[1 12 18;1 14 21]; Sol=rref(A) Ejecutando Sol =[1.00 0.00 0.00 0.00 1.00 1.50] Equivale ao =0, a1=1.5 Y=0 +1.5x Y(13)=1.5(13)=19.5
  • 12. Interpolación lineal x0 x x1 f(x0) f1(x) f(x1) f(x) Utilizando triángulos semejantes         0 1 0 1 0 0 1 x x x f x f x x x f x f      Reordenando          0 0 1 0 1 0 1 x x x x x f x f x f x f     
  • 13. Interpolación con ajuste cuadrático Expresión del polinomio Condiciones de interpol El polinomio puede ser P(x)=a+bx + cx2, entonces 5 10 15 20 5 10 15 20 25 Hora Grados Polinomio de grado2                 2 2 2 2 2 1 0 1 2 1 2 1 1 0 0 2 0 2 0 1 0 y x a x a a y x a x a a y x a x a a 2 2 1 0 2 x a x a a ) x ( P   
  • 14. Ej1.- Dados (1,1), (3,6), (5,1). Hallar f(4) X=[1, 3, 5]; Y=[1, 6, 1];plot(X,Y);grid; P(x)=a+bx + cx2 a +b + c = 1 a +3b+9c=6 a+5b+25c=1 A=[1 1 1 1;1 3 9 6;1 5 25 1];abc=rref(A) Ejecutando en octave, se obtiene abc = 1.00 0.00 0.00 -5.25 0.00 1.00 0.00 7.50 0.00 0.00 1.00 -1.25 Es decir: a=-5.25; b=7.5; c=-1.25; Y(4) = y4=a+b*4+c*16 y4 = 4.75
  • 16. Ej2. Interpolación polinomial Dados x=[0 1 2 3 4 5 6]; Y=[0 0.9 1 0.2 -0.9 -1 -0.3]; x1=1.5 Encontrar y(1.5) Podemos utilizar diferentes Alternativas: segmentario lineal entre (1,0.9)y (2,1), y(1.5)=0.95 Segmentario parabólico entre (1,0.9),(2,1),(3,0.2):P(x)=a+bx+cx2 a+b+c =0.9 a+2b+4c=1 a+3b+9c=0.2 P=1.06
  • 17. Contin. Ej.2. Forma cuadrática x=[0 1 2 3 4 5 6]; Y=[0 0.9 1 0.2 -0.9 -1 -0.3]; a=0 a+b+c =0.9 a+2b+4c=1 a+3b+9c=0.2 b+c =0.9 b+2c =0.5 -- > c=-0.4 bc=[1 1 0.9;1 2 0.5];bc=rref(bc) b+c =0.9 b+3c =0.2/3=0.066 -- > 2c=-0.83 -- > c=-0.415 c =-0.41, b=1.31 x=1.5;P=1.31*x-0.41*x^2 y(1.5)=1.04; y(0.5)=0.55
  • 18. Ej3.Interpolación forma cúbica x=[0 1 2 3 4 5 6]; Y=[0 0.9 1 0.2 -0.9 -1 -0.3]; Encontrar y(4.5), y(5.5) P(x) =a+bx + cx2 + dx3 Escogemos x=[1 2 5 6]; Y=[0.9 1 -1 -0.3]; a+b+c+d=0.9 a+2b+4c+8d=1 a+5b+25c+125d=-1 a+6b+36c+216d=-0.3
  • 19. Cont Ej3.Interpolación polinomial a+b+c+d=0.9 a+2b+4c+8d=1 a+5b+25c+125d=-1 a+6b+36c+216d=-0.3 A=[1 1 1 1 0.9; 1 2 4 8 1;1 5 25 125 -1;1 6 36 216 -0.3]; A=rref(A) A = 1.00 0.00 0.00 0.00 -0.65 0.00 1.00 0.00 0.00 2.49 0.00 0.00 1.00 0.00 -1.04 0.00 0.00 0.00 1.00 0.11 >> x=4.5;y=-0.65+2.49*x-1.04*x*x+0.11*x^3 y = -0.48
  • 20. Forma de Lagrange del polinomio de interpolación Polinomios de Lagrange Polinomio de interpolación n , , 2 , 1 , 0 i para ) x x ( ) x x )( x x ( ) x x ( ) x x ( ) x x )( x x ( ) x x ( ) x ( n i 1 i i 1 i i 0 i n 1 i 1 i 0 in                    L (x) y ··· (x) y (x) y (x) y (x) P n n 2 2 1 1 0 0 n L L L L     
  • 21. Polinomio de interpolación de Lagrange Sea una función f(x), de tal manera que conozcamos su valor en cada uno de n+1 puntos: f(x0), f(x1), …, f(xn). 1º. Obtenemos los “multiplicadores o coeficientes de Lagrange”): 0 1 1 1 0 1 1 1 ( ) ( ) ... ( ) ( ) ... ( ) ( ) ( ) ( ) ... ( ) ( ) ... ( ) k k n k k k k k k k k n x x x x x x x x x x L x x x x x x x x x x x                            Son n+1 coeficientes: conk=0, 1, 2, …, n . 0 ( ) ( ) ( ) n i k i k i i k x x L x x x       i = 0, 1, 2, …, n k = 0, 1, 2, …, n
  • 22. Propiedad de los coeficientes Lk(x): El coeficiente Lk(x) se anula en cada punto xi, excepto en el xk que tiene el valor 1 (valor máximo). Ejemplo: Supongamos como soporte los seis puntos siguientes, x0 = 1, x1 = 3, x2 = 4, x3 = 6, x4 = 8, x5 = 9. 3 ( 1) ( 3) ( 4) ( 8) ( 9) ( ) (6 1) (6 3) (6 4) (6 8) (6 9) x x x x x L x                   
  • 23. El polinomio de interpolación deLagrange se obtiene: 0 ( ) ( ) ( ) n k k k p x f x L x   
  • 24. EJEMPLO: Si los valores de la función en los cuatro puntos: x0=2, x1=2.5, x2=3, x3=4, es: f(x0) = 7.3890, f(x1) = 12.1825, f(x2) = 20.0855, f(x3) = 54.5980 Hallemos el polinomio de interpolación de Lagrange: 3 2 0 3 2 1 3 2 2 3 ( 2.5)( 3)( 4) ( ) 9.5 29.5 30 (2 2.5)(2 3)(2 4) ( 2)( 3)( 4) ( ) 2.66667 24 69.3333 64 (2.5 2)(2.5 3)(2.5 4) ( 2)( 2.5)( 4) ( ) 2 17 46 40 (3 2)(3 2.5)(3 4) ( 2)( 2 ( ) x x x L x x x x x x x L x x x x x x x L x x x x x x L x                                       3 2 .5)( 3) 0.3333 3.5 6.16667 5 (4 2)(4 2.5)(4 3) x x x x        
  • 25. El polinomio de interpolación de Lagrange es: p(x) = f(x0) L0(x) + f(x1) L1(x) + f(x2) L2(x) + f(x3) L3(x) p(x) = 3.12601 x3 – 17.2259 x2 + 39.432 x – 27.5792
  • 26. Ej. Dados x=[-3 0 1 4 6 ];y=[-8 5 -1 7 -3 ];xi=5 encontrar y(5) con el Algoritmo de Lagrange en Octave  clc;clear;  x=[-3 0 1 4 6 ];y=[-8 5 -1 7 -3 ];LS=0;xi=5;n=5;  plot(x,y);grid;  for i=1:n  L=1;  for j=1:n  if i~=j  L=L*(xi-x(j))/(x(i)-x(j));  end  end  LS=LS+L*y(i);  end  sol=LS
  • 27. Los resultados se verifican con los datos originales como y(4)=7, y se corrigen y ajustan con la Gráfica . Y(5)= 8.8783, según Lagrange Y(5)=4, valor corregido, suavisado y ajustado con la gráfica -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
  • 28. Ej. Encontrar y(5.5) mediante el algoritmo de Lagrange y ayuda del Octave x=[0 1 2 3 4 5 6]; Y=[0 0.9 1 0.2 -0.9 -1 -0.3]; Encontrar y(4.5), y(5.5) P(x) =a+bx + cx2 + dx3 Escogemos x=[1 2 5 6];y=[0.9 1 -1 -0.3]; Luego se ingresan estos datos en el Programa de Octave Y obtenemos y(5.5)= -0.83 (Lagrange)
  • 29. Interpolación Numérica Otra Forma de Lagrange Grado n y además Ejemplo     0 : n n n k k i i k i k i k k i x x L x L x x x                   3 2 3 2 2 1 2 4 4 1 2 1 1 1 2 6 x x x x x x L x                       3 2 3 1 2 1 2 4 4 1 2 1 1 1 2 6 x x x x x x L x                         3 2 3 3 2 1 1 2 2 2 2 2 1 2 1 12 x x x x x x L x                      3 2 3 0 1 1 2 2 2 2 1 2 1 2 2 12 x x x x x x L x                              3 3 3 3 3 13 3 5 5 0 1 2 3 0 3 2 3 2 3 2 3 2 13 3 5 5 3 2 1 1 2 10 2 5 3 2 2 2 4 4 4 4 2 2 3 2 12 6 6 12 3 n n i i i P x f x L x L x L x L x L x x x x x x x x x x x x x x x x                                 x F(x) X0=-2 -13/5 X1=-1 -3 X2=1 -2 X3=2 3/5
  • 30. Interpolación Numérica Forma de Lagrange (II)  Ventajas  Fácil de calcular  Independientes de la función a interpolar  Inconvenientes  El interpolante puede ser mucho más simple que los polinomios de Lagrange  Si cambia el soporte los polinomios obtenidos son inútiles, es necesario repetir todo el proceso Función {(-2,-5),(-1,-3),(1,1),(2,3)}               3 0 3 3 3 3 0 1 2 3 3 2 3 2 3 2 3 2 3 2 5 3 1 3 2 2 4 4 5 3 12 6 4 4 2 2 1 3 6 12 0 0 2 1 n n i i i P x f x L x L x L x L x L x x x x x x x x x x x x x x x x                                  
  • 31. Interpolación Numérica Ejemplos  Existencia y unicidad de  F(-)=1,F(0)=0,F()=1 – Base polinómica: solución única – {1,sen(x),sen(2x)}: sin solución – {1,cos(x),cos(2x)}: solución múltiple  F(x0)=y0,F(x1)=y1,F’(x2)=y2 – Base polinómica: – Solución única si             1 1 2 2 1 1 2 2 1 cos 0 cos 2 0 1 cos cos 2 x x x x x x               2 2 1 2 0 0 P x x x       1 0 1 2 0 1 2 x x x x x    
  • 32. Expresión Pn(x) = c0 + c1(xx0) + c2(xx0)(xx1) +    + cn(xx0)(xx1)    (xxn1) Determinación algebraica Pn(x0) = y0 = c0 Pn(x1) = y1 = c0+ c1(x1x0) Pn(x2) = y2 = c0+ c1(x2x0) + c2(x2x0)(x2x1) Forma de Newton del polinomio de interpolación
  • 33. MÉTODO DE NEWTON P2(x) = b0 + b1(x – x0) + b2(x – x0)(x – x1) Ej. Hallar f(4). Dados los puntos 1 3 5 1 4 1 P(x)= b0 + b1(x – x0) + b2(x – x0)(x – x1) P(x)=b0 + b1(x – 1) + b2(x – 1)(x – 3) P(3)=1+ b1(3 – 1) =4 -- >b1 =3/2 b2=
  • 34. Interpolación Numérica Forma de Newton – Diferencias Divididas (I)  Origen:  Propiedades  Simetría  Cálculo         1 1 0 1 0 0 0 0 , , i i n n n i k i k i i k k P x x x f x x x x x                              1 1 0 1 1 0 n n n n n k k n n n n k k Q x P x P x x x P x P x x x                                 0 1 0 0 0 1 1 0 , , k k i i k k i i i i i i i i n i j j j i f x f x f x x x x x x x x x x x x x                           0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 , , , , , , , k k k k k k f x f x f x x x f x x x f x x x x x x        Demo Demo
  • 35. Interpolación polinomial de Newton Revisaremos solo algunos casos: lineal, de segundo grado y de tercer grado.
  • 36. Interpolación cuadrática y cúbico Polinomio cuadrático f2(x) = b0 + b1(x – x0) + b2(x – x0)(x – x1) (1) f3(x) = b0 + b1(x – x0) + b2(x – x0)(x – x1)+ b3(x – x0)(x – x1)(x – x2) f2(x) = b0 + b1x – b1x0 + b2x2 + b2x0 x1 – b2xx0 – b2xx1 Podemos escribirlo como f2(x) = a0 + a1x + a2x2 Donde a0 = b0 – b1x0 + b2x0 x1, a1 = b1 – b2x0 – b2x1, a2=b2 Podemos evaluar b0, b1 y b2 sustituyendo x0, x1 y x2 en la ecuación (1), se obtiene b0 = f(x0)     0 1 0 1 1 x x x f x f b            0 2 0 1 0 1 1 2 1 2 2 x x x x x f x f x x x f x f b       
  • 37. Ejemplo 2 Calculemos ln 2 con ln 4 y ln 6, los punto que se conocen son: x0 = 1 f(x0) = 0 x1 = 4 f(x0) = 1.386294 x0 = 6 f(x0) = 1.791759 Aplicando las ecs. anteriores b0 = 0 b1 = (1.386294 – 0)/(4 – 1) = 0.4620981 b2 = ((1.791759 – 1.386294) /(6 – 4) – 0.4620981)/(6 – 1) = – 0.0518731 El polinomio es f2(x) = 0.4620981(x – 1) – 0.0518731(x – 1)(x – 4) f2(2) = 0.5658444 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 f(x) = ln x Estimación cuadrática Valor verdadero Estimación lineal Valor real ln 2 = 0.6931472 Error relativo porcentual = 18.4%
  • 38. Interp. Diferencias divididas . Pn(x0) = ƒ(x0) = a0. Pn(x1)= a0 + a1(x1 – x0), como Pn(x1)= ƒ(x1) y a0= ƒ(x0), entonces reemplazando se tiene ƒ(x1)=ƒ(x0) + a1(x1–x0), donde
  • 39. Ejemplo : Halle el polinomio que interpola los datos: . Luego P3(x)=4 – 0.5(x - 1) + 0.5(x - 1)(x - 2) – 0.1(x - 1)(x - 2)(x - 3) P(4)=4-0.5(3)+0.5(3)(2)-0.1(3)(2)(1) P(4)=4-1.5+3-0.6 = 4.9 X 1 2 3 5 f(x) 4 3.5 4 5.6 xi f(xi) 1 4 -0.5 2 3.5 0.5 0.5 -0.1 3 4 0.1 0.8 5 5.6
  • 40. Ej. Si x=[-3,0,1,4,6];y=[-8,5,-1, 7,-3]; encontrar y(3)  clc;clear;x=[-3,0,1,4,6];y=[-8,5,-1, 7,-3];plot(x,y);grid;  D(:,1)=y';xi=3;n=5;  for j=2:n  for k=j:n  D(k,j)=(D(k,j-1)-D(k-1,j-1))/(x(k)-x(k-j+1));  end;  end;  P=D(1,1);  for k=1:n-1  F=1;  for j=1:k  F=F*(xi-x(j));  end;  P=P+F*D(k+1,k+1);  end;  fprintf('Pd=');disp(P);
  • 41. Las diferencias finitas son: -3 -8.00 0 0 0 0 0 5.00 4.33 0 0 0 1 -1.00 -6.00 -2.58 0 0 4 -7.00 -2.00 1.00 0.51 0 6 -3.00 2.00 0.80 -0.03 -0.06
  • 42. La matriz de las diferencias divididas y el polinomio de Newton son como sigue:  -1 -8.00 0 0 0 0  0 4.00 12.00 0 0 0  2 -1.00 -2.50 -4.83 0 0  4 -5.00 -2.00 0.13 0.99 0  6 2.00 3.50 1.38 0.21 -0.11 P(x)=-8+12(x+1)-4.83(x+1)x+0.99(x+1)x(x-2)-0.11(x+1)x(x-2)(x-4) P(3)=-4.7571
  • 43. Interpolación Numérica Forma de Newton – Diferencias Divididas (II) Cálculo de la tabla de Diferencias divididas x F(x) x0=-2 x1=-1 x2=1 x3=2                  0 0 1 0 0 1 2 0 1 0 1 0 1 1 , , , , , n n n P x f x f x x x x f x x x x x x x f x x x x x x x x x              13 0 5 f x     1 3 f x     2 2 f x     3 3 5 f x                13 0 1 5 0 1 0 1 3 2 , 2 1 5 f x f x f x x x x                           1 2 1 2 1 2 3 2 1 , 1 1 2 f x f x f x x x x                         3 2 3 5 2 3 2 3 2 13 , 2 1 5 f x f x f x x x x               0 1 1 2 0 1 2 0 2 , , 3 , , 10 f x x f x x f x x x x x           1 2 2 3 1 2 3 1 3 , , 7 , , 10 f x x f x x f x x x x x           0 1 2 1 2 3 0 1 2 3 0 3 , , , , 1 , , , 10 f x x x f x x x f x x x x x x                         13 3 2 1 5 5 10 10 3 13 7 1 5 5 10 10 2 2 1 2 1 1 2 2 1 2 1 1 n P x x x x x x x x x x x x x                         3 2 1 1 2 3 10 2 5 3 P x x x x    
  • 44. Interpolación Numérica Problema de Hermite  Existencia y unicidad asociadas al sistema  Base polinónica: soporte sin puntos repetidos  Base trigonométrica: soporte sin puntos repetidos y comprendidos en [-  ,  ]                                                   0 0 1 0 0 1 0 2 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 0 1 1 2 1 0 0 1 0 0 1 0 2 1 0 1 0 1 1 2 1 2 1 n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x                                                                                      0 1 0 n n f x f x f x f x f x                                                          2 1 0 : , 0,1, n k k i i i k k x f x x x k n x f x                      2 3 2 1 1, , , , n x x x x            1,sin ,cos , sin ,cos , x x kx kx
  • 45. Interpolación Numérica Problema de Taylor  Existencia y unicidad asociados al sistema  Series de potencias – Criterios del cociente y de la raíz – Si L=, converge en x=0, si L=0, converge x – Sino converge para |x|<1/L             0 : , 0,1, n k k i i i x x a f a k n                                          0 1 0 0 1 1 0 1 0 n n n n n n n n a a a f a a a a f a a a a f a                                                            ¿ ? 0 converge k k k x x        1 lim lim k k k k k k L L         
  • 46. Interpolación Numérica Forma de Newton – Diferencias Divididas (III)  Ventajas  Los cálculos son muy simples  La tabla de diferencias divididas se simplifica cuando el interpolante es de menor grado  Las operaciones se pueden reutilizar al añadir o eliminar puntos  Inconvenientes  El cálculo depende de la función  Polinomio:y=2x-1 – {(-2,-5),(-1,-3),(1,1),(2,3)} x F(x) x0=-2 -5 x1=-1 -3 2 x2=1 1 2 0 x3=2 3 2 0 0
  • 49. Evaluación de los polinomios 6 8 10 12 14 16 18 20 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 Grados 0 a 3
  • 50. Interpolación Numérica Forma de Newton – Diferencias Finitas  Puntos equiespaciados xk=x0+k h Progresivas Regresivas  Relaciones          1 1 1 1 y n n n k k k k k k f f x f x f f f                1 1 1 1 y n n n k k k k k k f f x f x f f f            1 y n n k k k k n f f f f           1 ! , , , n n k k k k n f n h f x x x       0 1 n n i n k k n i i n f f i                 0 1 n n i n k k i i n f f i                1 ! , , , n n k k n k k f n h f x x x    