当我们在应用中使用伯恩斯坦多项式时

计算科学 有限元 有限差分 插值
2021-11-29 07:00:52

最好使用伯恩斯坦多项式逼近连续函数,而不是仅使用以下初步数值分析方法:“拉格朗日多项式”、“简单有限差分算子”。

问题是关于比较这些方法。

4个回答

伯恩斯坦多项式和拉格朗日多项式都跨越相同的空间。因此,就一个人可以表示的可能功能而言,使用其中一个或另一个没有区别。但是,如果您正在考虑在有限元方法或插值问题中使用这些作为基函数,则您创建的线性算子的谱属性将取决于您选择作为基的多项式。这可能会导致迭代求解器的收敛性不同。但是,在没有线性代数错误的情况下,您将使用任一基础得到相同的答案。

将此与有限差分运算符进行比较是另一回事。使用多项式将为您提供连续范数的误差近似值。我不太精通有限差分,但我的理解是,您只会在您选择离散化的位置获得误差估计。在这些点之间发生了什么还不清楚。

我在搭配方法中使用伯恩斯坦多项式来解决 ODE 和 PDE 的边值问题。他们很有趣。

某些线性 BVP 的收敛是指数级的,但与 Chebyshev 搭配、Legendre Galerkin 和 Tau 相比稍慢。

这是将收敛速度与一些切比雪夫谱方法进行比较的图。示例问题是线性 BVP:

d2udx24dudx+4u=ex+C,x[1,1]

具有同质狄利克雷 BCs,C 是常数C=4e/(1+e)2.

在此处输入图像描述

我也把这个图上传到了figshare

如果需要,您可以查看我正在编写的代码:

http://code.google.com/p/bernstein-poly/

这是我写的关于使用 Bernstein 多项式搭配在正方形上求解椭圆BVP 的arxiv 论文。

去年,他们庆祝了伯恩斯坦多项式诞生一百周年——这是一个更有趣的事实。

下面的论文表明,在许多情况下,以 Bernstein 形式表示多项式会导致数值稳定的算法:

RT Farouki,VT Rajan,关于 Bernstein 形式的多项式的数值条件,计算机辅助几何设计,第 4 卷,第 3 期,1987 年 11 月,第 191-216 页,DOI:10.1016/0167-8396(87)90012-4

贝塞尔曲线的控制点靠近曲线,但不一定在曲线上。这与伯恩斯坦多项式近似的情况完全相同,实际上伯恩斯坦多项式是贝塞尔曲线的基础。您可以使用高阶贝塞尔曲线通过噪声点给出的曲线绘制平滑线,由于计算量大,没有人会这样做。实际上,正是由于这个原因,高阶多项式插值很少使用,只有切比雪夫插值偶尔是该规则的例外。

但是,如果我们只讨论低阶多项式插值,那么通过控制点直观地指定贝塞尔曲线是优于其他方法的明显优势。然而,在这方面 NURBS 更胜一筹,但至少贝塞尔曲线是 NURBS 的特例,而伯恩斯坦多项式也是 NURBS 的重要组成部分。