Polinomio di Newton

Isaac Newton, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, 1687

La funzione polinomiale di grado n passante per n+1 punti.
Le ascisse dei punti devono essere tutte diverse.

Grado = 1

y = ax+b

  • P_0 = (x_0, y_0)
  • P_1 = (x_1, y_1)

Grado = 2

y = ax^2+bx+c

  • P_0 = (x_0, y_0)
  • P_1 = (x_1, y_1)
  • P_2 = (x_2, y_2)

Grado = 3

y = ax^3+bx^2+cx+d

  • P_0 = (x_0, y_0)
  • P_1 = (x_1, y_1)
  • P_2 = (x_2, y_2)
  • P_3 = (x_3, y_3)

Grado = n

y = ax^n+bx^{n-1}+\cdots

  • P_0 = (x_0, y_0)
  • P_1 = (x_1, y_1)
  • P_n = (x_n, y_n)

Grado = 1

\begin{cases}y_0 = a x_0 +b\\y_1 = a x_1 +b\end{cases}

\begin{cases}a = \displaystyle\frac{y_1-y_0}{x_1-x_0}\\\\b = \displaystyle\frac{y_0 x_1-y_1 x_0}{x_1-x_0}\end{cases}

Versione 1

y = \displaystyle\frac{y_1-y_0}{x_1-x_0} \cdot x + \displaystyle\frac{y_0 x_1-y_1 x_0}{x_1-x_0}

Versione 2

\displaystyle \frac{y-y_0}{y_1-y_0} =  \displaystyle \frac{x-x_0}{x_1-x_0}

oppure

\displaystyle \frac{y-y_0}{x-x_0} =  \displaystyle \frac{y_1-y_0}{x_1-x_0}

Versione 3

\displaystyle y = y_0 +\frac{y_1-y_0}{x_1-x_0}\cdot (x-x_0)

oppure

\displaystyle y = b_0 +b_1\cdot (x-x_0)

oppure

\displaystyle y = f_0 +f_1[x_0, x_1]\cdot (x-x_0)


Grado = 2

Ripetendo tutti i passaggi si ripropone il problema di avere una formulazione di semplice memorizzazione…

\displaystyle y = b_0 + b_1\cdot (x-x_0) + b_2\cdot (x-x_0)(x-x_1)

\displaystyle y = f_0 + f_1[x_0, x_1]\cdot (x-x_0) + f_2[x_0, x_1, x_2]\cdot (x-x_0)(x-x_1)

Osserva

f_0 = y_0

f_1[x_0, x_1] = \displaystyle \frac{y_1-y_0}{x_1-x_0}

\displaystyle f_2[x_0, x_1, x_2] = \displaystyle \frac{f[x_1, x_2]-f[x_0, x_1]}{x_2-x_0} = \displaystyle \frac{\displaystyle\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1} - \displaystyle\frac{y_1-y_0}{x_1-x_0}}{x_2-x_0}


Dimostrazione

Deve essere y(x_2) = y_2, quindi…

y_2 =  b_0 + b_1 (x_2-x_0) + b_2 (x_2-x_0)(x_2-x_1)

y_2 = y_0 + \displaystyle\frac{y_1-y_0}{x_1-x_0}(x_2-x_0) + b_2(x_2-x_0)(x_2-x_1)

y_2-y_0 = \displaystyle\frac{y_1-y_0}{x_1-x_0}(x_2-x_0) + b_2(x_2-x_0)(x_2-x_1)

\displaystyle\frac{(y_2-y_0)(x_1-x_0)}{(x_1-x_0)} = \displaystyle\frac{(y_1-y_0)(x_2-x_0)}{(x_1-x_0)} + b_2 (x_2-x_0)(x_2-x_1)

b_2 = \displaystyle\frac{(y_2-y_0)(x_1-x_0) - (y_1-y_0)(x_2-x_0)}{(x_2-x_1)(x_1-x_0)} \cdot \displaystyle \frac{1}{(x_2-x_0)}

b_2 = \displaystyle\frac{(y_2-y_1)(x_1-x_0)+(y_1-y_0)(x_1-x_0) - (y_1-y_0)(x_2-x_1)- (y_1-y_0)(x_1-x_0)}{(x_2-x_1)(x_1-x_0)} \cdot \displaystyle \frac{1}{(x_2-x_0)}

b_2 = \displaystyle \frac{\displaystyle\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1} - \displaystyle\frac{y_1-y_0}{x_1-x_0}}{x_2-x_0} = \displaystyle \frac{f[x_1, x_2]-f[x_0, x_1]}{x_2-x_0} = \displaystyle f_2[x_0, x_1, x_2]


Grado = n

Lo schema generale è il polinomio di Newton

\displaystyle y = b_0 + b_1 (x-x_0) + b_2 (x-x_0)(x-x_1)+ \dots + b_n (x-x_0)(x-x_1)\dots (x-x_n)

\displaystyle y = f_0 + f_1[x_0, x_1] (x-x_0) + f_2[x_0, x_1, x_2] (x-x_0)(x-x_1) + \dots + f_n[x_0, x_1, x_2, \dots , x_n] (x-x_0)(x-x_1)\dots (x-x_n)

Con

f_0 = y_0

f_1[x_0, x_1] = \displaystyle \frac{y_1-y_0}{x_1-x_0}

\displaystyle f_2[x_0, x_1, x_2] = \displaystyle \frac{f[x_1, x_2]-f[x_0, x_1]}{x_2-x_0}

\displaystyle f_n[x_0, x_1, \dots , x_n] = \displaystyle \frac{f[x_1, x_2, \dots , x_n]-f[x_0, x_1, \dots, , x_{n-1}]}{x_n-x_0}