The Chemistry Maths Book, Second Edition

(Grace) #1

20.4 Interpolation 571


Forx 1 = 1 0.832the sequence of approximations fore


0.832

is


p


1

(x) 1 = 1 2.29820177 p


2

(x) 1 = 1 2.29790524


p


3

(x) 1 = 1 2.29791008 p


4

(x) 1 = 1 2.29790997


andp


4

(x)is correct to all the figures quoted (see Examples 20.7 and 20.8).


0 Exercise 18


Although thex


i

are evenly spaced in this example, Newton’s formula (20.23) is valid


for unevenly spaced points. Modern implementations on computers are essentially


adaptations of Newton’s method that find the best path through an interpolation


table such as Table 20.5 in order to give greatest accuracy.


Spline interpolation


Examples 20.7 to 20.9 show that increasing the degree of the interpolation polynomial


leads to increased accuracy for e


x

, but this is not generally true when the nodes


exhibit maxima and minima as in Figure 20.5. Figure 20.7 shows the result of fitting


the polynomial of (maximum) degree 8 to the 9 points given in Table 20.4. This


demonstrates that increasing the degree nof the interpolation polynomial can


result in spurious oscillations between the nodes, and these oscillations can grow in


magnitude indefinitely as nincreases. Interpolation should therefore in general be


restricted to polynomials of low degree (not more than 4 or 5), but Figure 20.6 shows


that, in unfavourable cases, such interpolations can suffer from sharp discontinuities


of gradient at the nodes.


0


1


2


123


..............
.........
.....

...

.......

........

.

..

..

....
...
...
..
...
..
...
.

..
...
...
..
...
..
...
.

y


x






































.

...

...

...

...

..

...

...

..

...

..

...

..

..

...

..

..

...

..

..

..

...

..

..

..

..

..

..

...

..

..

..

..

..

..

..

...

..

..

..

..

..

..

...

..

..

..

..

...

..

..

...

..

...

..

...

..

...

...

...

...

...

...

....

....

....

.....

......

........

...................
........
.....
....
...
...
...
..
..
...
..
..
..
.
..
.
..
.
..
.
..
.
.
.
..
.
.
.
.
.
.
.
..
.
.
..
.
..
.
.
..
.
..
..
.
..
..
.
..
..
..
..
..
..
..
..
...
..
...
...
...
...
...
.....
....
......
..........
...............

.................
.......
....
.....
...
...
....
...
..
....
...
...
...
...
...
...
...
....
...
...
...
....
....
.....................

.....

.....

...

...

...

..

...

..

..

..

..

.

..

..

.

..

.

..

.

..

...

..

...

...

..

...

...

..

...

...

..

...

..

...

...

..

..

...

...

..

...

..

...

..

...

..

...

...

..

...

..

...

...

..

...

..

...

...

..

...

...

...

..

...

...

...

.....

............

.....
............
.....
....
....
...
...
..
...
..
..
..
..
..
..
..
..
.
..
.
..
.
..
.
.
..
.
.
..
.
.
..
.
.
.
.
..
.
.
.
..
.
..
.
..
.
..
..
.
..
..
..
..
..
..
...
..
..
....
...
...
.....
.....
.......
......................

........

.....

.....

....

...

....

...

...

...

..

...

..

...

..

..

..

..

...

..

.

..

..

..

..

..

.

..

..

..

.

..

..

.

..

.

..

.

..

.

...

..

..

..

...

...

.

...

..

..

..

...

..

.

...

...

..

.

...

...

.

..

...

...

..
...
...

.
..
...
..

..
..
...
.

.
..
...
..

..
..
...
.

...
...
..

....
....
........
..
...
...

...
...
..

...
....
.

.
...
...
.
.

....

...

..

...

...

..

...

...

..

....

..

..

...

..

.

...

..

...

.

..

...

..

..

..

...

.

..

...

..

.

...

...

..

.

...

..

..

..

...

..

.

.
..
...
..

..
...
...

.
...
...
.

..
...
...

.
...
...
.

...
..
...

......

..

.

.....

..

.

.

0


1


2


123


.............
........
.......

.....

.......

.......

..

...

..
...
...
..
...
...
..
..

.
...
...
..
...
...
..
..

y


x






































..

..

...

...

..

...

...

..

..

...

...

..

...

..

...

...

..

...

..

...

..

...

...

..

...

...

..

..

.

..

..

..

..

...

..

....

........

....
.....
...
...
...
..
..
...
..
...
..
...
..
...
...
....
...
..
...
..
...
...
..
...
..
...
...
..
...
..
...
...
...
..
...
...
...
....
...
..............

...........
......
....
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
..
....
...
...
...
....
......
.

.......

....

...

...

...

...

...

..

...

..

...

...

..

..

...

...

..

...

...

...

...

..

...

..

...

..

...

...

..

...

..

...

...

..

...

..

...

..

...

...

..

...

..

...

...

..

..

...

...

....

...

...

...

..

...

..

..

..

..

...

..

..

...

..

...

....

........
.......
...
...
...
..
..
..
..
..
..
.
...
..
...
...
..
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
...
...
...
....
........

...

....

...

...

...

...

...

...

...

...

..

..

...

..

.

...

...

..

.

...

...

.

..

...

...

.

..

...

..

..

..

...

.

...

...

..

.
...
...
.

...
...
..

.
...
...
.

..
...
...

.
...
..
..

..
...
..
.
..
......
......
..
....
....

..
...
...

...
...
..

.
...
...
.
..

...

...

...

..

...

...

...

..

...

...

..

...

..

...

.

..

...

..

..

..

...

.

..

...

..

.

...

...

..

.

...

..

..

..

..

...

.

..

...

...

...
..
...

.
...
...
.

...
...
..

..
..
...
.

.
..
...
..

..
...
...

..

.....

.

..

......

..

Figure 20.7 Figure 20.8


Both types of disadvantage are avoided in the method of splines.


4

This is piecewise


polynomial interpolation, but with the polynomial in the interval between each pair


of nodes chosen to make the overall interpolation function smooth at the nodes; that


4

Splines are flexible strips of wood long used by designers, engineers and shipwrights to draw smooth curves


through given points. The numerical method was described by I. J. Schoenberg in 1946.

Free download pdf