라그랑주 보간법

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1. 개요2. 공식3. 선형대수학을 이용한 설명4. 방데르몽드 행렬과 라그랑주 기저 다항식 간의 관계

1. 개요[편집]

라그랑주 보간법(Lagrangian interpolation)이란 서로 다른 x1,⋯ ,xn+1x_{1},\cdots,x_{n+1}에 대하여 n+1n+1개의 점 (x1,y1),⋯ ,(xn+1,yn+1)(x_{1},y_{1}),\cdots,(x_{n+1},y_{n+1})이 주어져 있을때, 이 점을 모두 지나는 nn차 이하의 다항식을 구하는 공식을 말한다. 이름대로 조제프루이 라그랑주가 만들었다.

2. 공식[편집]

서로 다른 x1,⋯ ,xn+1x_{1},\cdots,x_{n+1}에 대하여 아래의 다항식
pi(x)=∏j≠ix−xjxi−xj=(x−x1)⋯(x−xi−1)(x−xi+1)⋯(x−xn+1)(xi−x1)⋯(xi−xi−1)(xi−xi+1)⋯(xi−xn+1)p_{i}(x)=\displaystyle\prod_{j \neq i} \frac{x-x_{j}}{x_{i}-x_{j}}=\frac{(x-x_{1})\cdots(x-x_{i-1})(x-x_{i+1})\cdots(x-x_{n+1})}{(x_{i}-x_{1})\cdots(x_{i}-x_{i-1})(x_{i}-x_{i+1})\cdots(x_{i}-x_{n+1})}
을 라그랑주 기저 다항식이라 한다. 또한
p(x)=y1p1(x)+⋯+yn+1pn+1(x)p(x)=y_{1}p_{1}(x)+\cdots+y_{n+1}p_{n+1}(x)
을 라그랑주 보간 다항식이라 하며, 이 다항식은 점 (x1,y1),⋯ ,(xn+1,yn+1)(x_{1},y_{1}),\cdots,(x_{n+1},y_{n+1})을 모두 지나는 유일한 nn차 이하의 다항식이다.

3. 선형대수학을 이용한 설명[편집]

집합 Pn(F)\mathcal{P}_{n}(F)을 nn차 이하의 다항식 집합이라 하자. Pn(F)\mathcal{P}_{n}(F)가 벡터공간이므로, 쌍대공간 Pn∗\mathcal{P}_{n}^{*}가 존재한다. 임의의 자연수i≤n+1i\leq n+1에 대하여 선형범함수(linear functional) Li:Pn(F)→FL_{i}:\mathcal{P}_{n}(F)\to F을
Li(p)=p(xi)L_{i}(p)=p(x_{i})
라고 정의하자. L1,⋯ ,Ln+1L_{1},\cdots,L_{n+1}이 Pn∗\mathcal{P}_{n}^{*}의 기저가 된다는 것은 다음 두 식
Lj(pi)=pi(xj)=0L_{j}(p_{i})=p_{i}(x_{j})=0 for i≠ji \neq j
Li(pi)=pi(xi)=1L_{i}(p_{i})=p_{i}(x_{i})=1
을 만족하는 p1,⋯ ,pn+1∈Pn(F)p_{1},\cdots,p_{n+1}\in \mathcal{P}_{n}(F)이 존재한다는 것을 보이면 되는데, 그 이유는, 그것이 존재한다면, {L1,⋯ ,Ln+1}\{L_{1},\cdots,L_{n+1}\}이 {p1,⋯ ,pn+1}\{p_{1},\cdots,p_{n+1}\}의 쌍대기저가 되기 때문이다. 물론 pip_{i}는 x1,⋯ ,xi−1,xi+1,⋯ ,xn+1x_{1},\cdots, x_{i-1}, x_{i+1},\cdots,x_{n+1}을 근으로 가지며, pi(xi)=1p_{i}(x_{i})=1이므로,
pi(x)=∏j≠ix−xjxi−xj=(x−x1)⋯(x−xi−1)(x−xi+1)⋯(x−xn)(xi−x1)⋯(xi−xi−1)(xi−xi+1)⋯(xi−xn)∈Pn(F)p_{i}(x)=\displaystyle\prod_{j \neq i} \frac{x-x_{j}}{x_{i}-x_{j}}=\frac{(x-x_{1})\cdots(x-x_{i-1})(x-x_{i+1})\cdots(x-x_{n})}{(x_{i}-x_{1})\cdots(x_{i}-x_{i-1})(x_{i}-x_{i+1})\cdots(x_{i}-x_{n})}\in \mathcal{P}_{n}(F)
임을 쉽게 알 수 있다. 따라서, {p1,⋯ ,pn+1}\{p_{1},\cdots,p_{n+1}\}은 Pn(F)\mathcal{P}_{n}(F)기저이고, 임의의 다항식 p∈Pn(F)p \in \mathcal{P}_{n}(F)에 대하여,
p(x)=y1p1(x)+⋯+yn+1pn+1(x) p(x)=y_{1}p_{1}(x)+\cdots+y_{n+1}p_{n+1}(x)
인 y1,⋯ ,yn+1y_{1} ,\cdots,y_{n+1} 이 유일하게 존재하는데,
p(xi)=∑j≠iyjpj(xi)+yipi(xi)=yi p(x_{i})=\displaystyle\sum_{j \neq i}y_{j}p_{j}(x_{i})+y_{i}p_{i}(x_{i})=y_{i}
가 성립함을 확인할 수 있다.

4. 방데르몽드 행렬과 라그랑주 기저 다항식 간의 관계[편집]

서로 다른 x1,⋯ ,xn+1x_{1},\cdots,x_{n+1}에 대하여, 다항식 xix^{i} (0≤i≤n)(0\leq i \leq n)은 점 (xj,xji)(x_{j},x_{j}^{i})를 지나므로, 라그랑주 보간법에 의해
xi=∑j=1n+1xjipj x^{i}=\displaystyle\sum_{j=1}^{n+1}x_{j}^{i}p_{j}
라고 쓸 수 있다. 그런데, β={1,x,x2,⋯ ,xn}\beta=\{1,x,x^{2},\cdots,x^{n}\}과 β′={p1,⋯ ,pn+1}\beta^\prime=\{p_{1},\cdots,p_{n+1}\}이 모두 Pn(F)\mathcal{P}_{n}(F)의 기저이므로 방데르몽드 행렬(Vandermonde matrix)
(1x1x12⋯x1n1x2x22⋯x2n⋮⋮⋮⋱⋮1xn+1xn+12⋯xn+1n)\begin{pmatrix}1&x_{1}&x_{1}^{2}&\cdots&x_{1}^{n}\\1&x_{2}&x_{2}^{2}&\cdots&x_{2}^{n}\\ \vdots&\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\1&x_{n+1}&x_{n+1}^{2}&\cdots&x_{n+1}^{n} \end{pmatrix}
은 β\beta에서 β′\beta^{\prime}으로의 기저변환행렬이라고 할 수 있다.