ガウス関数による多項式補間法のPython実装

参考文献

数値計算の基礎と応用[新訂版]
数値解析学への入門
杉浦　洋(南山大学教授)　著
発行日 2009/12/10

準備

オンラインコンパイラを使用します。

ソースコード

sample.py

# -*- coding: utf-8 -*-
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt  # グラフ描画のために追加

def p(x, n, xi, b):
    y = b[n]
    for l in range(n-1, -1, -1):
        y = (x - xi[l]) * y + b[l]
    return y

def f(x):
    return np.exp(x)

def NewtonCoef(xi, m, b):
    for n in range(m+1):
        b[n] = f(xi[n])
        for l in range(n):
            b[n] = (b[n] - b[l]) / (xi[n] - xi[l])
    return 0

def main():
    m = 7
    Pi = np.pi
    dt = Pi / (m + 1)
    xi = [0.5*np.exp(-((i+0.5)*dt)**2) for i in range(m+1)]
    b = [0] * (m+1)
    NewtonCoef(xi, m, b)
    print("degree={}".format(m))
    npoints = 10  # グラフ描画のために点数を増やす
    dx = 1.0 / npoints
    x_vals = []
    y_vals = []
    y_actual = []
    for i in range(npoints+1):
        x = -0.5 + i * dx
        y = p(x, m, xi, b)
        x_vals.append(x)
        y_vals.append(y)
        y_actual.append(f(x))
        print("p({:4.1f})={:17.10e} error={:9.2e}".format(x, y, y - f(x)))
    
    # グラフ描画
    plt.plot(x_vals, y_vals, label='Polynomial Approximation')
    plt.plot(x_vals, y_actual, label='Actual exp(x)', linestyle='dashed')
    plt.legend()
    plt.xlabel('x')
    plt.ylabel('y')
    plt.title('Polynomial Approximation vs Actual exp(x)')
    plt.show()

main()

実行結果

console

degree=7
p(-0.5)= 6.0653008427e-01 error=-5.75e-07
p(-0.4)= 6.7031991139e-01 error=-1.35e-07
p(-0.3)= 7.4081819865e-01 error=-2.20e-08
p(-0.2)= 8.1873075113e-01 error=-1.95e-09
p(-0.1)= 9.0483741799e-01 error=-4.42e-11
p( 0.0)= 1.0000000000e+00 error= 0.00e+00
p( 0.1)= 1.1051709181e+00 error= 4.88e-13
p( 0.2)= 1.2214027582e+00 error=-2.07e-12
p( 0.3)= 1.3498588075e+00 error=-5.23e-11
p( 0.4)= 1.4918246978e+00 error= 1.84e-10
p( 0.5)= 1.6487212700e+00 error=-6.51e-10