लैग्रेंज बहुपद: Difference between revisions
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[[Image:Lagrange polynomial.svg|thumb|upright=1.5|यह चित्र चार बिंदुओं | [[Image:Lagrange polynomial.svg|thumb|upright=1.5|यह चित्र चार बिंदुओं (<span style= color:#5e81B5; >(−9, 5)</span>, <span style= color:#e19c24; >(−4, 2)</span>, <span style= color:#8FB131; >(−1, −2)</span>, <span style= color:#EC6235; >(7, 9)</span>), के लिए दिखाता है (घन) अंतर्वेशन बहुपद L(x) (असतत, काला), जो प्रवर्धित किए गए आधार बहुपदों <span style= color:#5e81B5; >y<sub>0</sub>ℓ<sub>0</sub>(x)</span>, <span style= color:#e19c24; >y<sub>1</sub>ℓ<sub>1</sub>(x)</span>, <span style= color:#8FB131; >y<sub>2</sub>ℓ<sub>2</sub>(x)</span> और <span style= color:#EC6235; >y<sub>3</sub>ℓ<sub>3</sub>(x)</span> का योग है। अंतर्वेशन बहुपद सभी चार नियंत्रण बिंदुओं से होकर गुजरता है, और प्रत्येक प्रवर्धित आधार बहुपद अपने संबंधित नियंत्रण बिंदु से गुजरता है और जहां 0 और x अन्य तीन नियंत्रण बिंदुओं से समान है।]][[संख्यात्मक विश्लेषण]] में, '''लैग्रेंज अंतर्वेशन [[बहुपद]]''' की निम्नतम कोटि का अद्वितीय बहुपद है जो बहुपद डेटा के समुच्चय को प्रक्षेपित करता है। | ||
किसी फलन के ग्राफ़ के डेटा समुच्चय को देखते हुए <math>(x_j, y_j)</math> के साथ निर्देशांक युग्म <math>0 \leq j \leq k,</math> <math>x_j</math> को नोड कहा जाता है और <math>y_j</math> मान कहलाते हैं। लैग्रेंज बहुपद <math>L(x)</math> कोटि <math display=inline>\leq k</math> है और प्रत्येक मान <math>L(x_j) = y_j</math> को संबंधित बिन्दु पर मान लेता है। | |||
हालांकि इसका नाम [[जोसेफ-लुई लाग्रेंज]] के नाम पर रखा गया, जिन्होंने इसे 1795 में प्रकाशित किया था,<ref> | हालांकि इसका नाम [[जोसेफ-लुई लाग्रेंज]] के नाम पर रखा गया, जिन्होंने इसे 1795 में प्रकाशित किया था,<ref> | ||
{{cite book |last=Lagrange |first=Joseph-Louis |author-link= Joseph-Louis Lagrange |title=Leçons Elémentaires sur les Mathématiques |language=fr |year=1795 |chapter=Leçon Cinquième. Sur l'usage des courbes dans la solution des problèmes |place=Paris}} Republished in {{cite book |last=Lagrange |first=Joseph-Louis |editor-last=Serret |editor-first=Joseph-Alfred |editor-link=Joseph-Alfred Serret |display-authors=0 |title=Oeuvres de Lagrange |year=1877 |volume=7 |publisher=Gauthier-Villars |pages=[https://archive.org/details/oeuvresdelagrang07lagr/page/271 271–287] }} Translated as {{cite book |last=Lagrange |first=Joseph-Louis |display-authors=0 |translator-last=McCormack |translator-first=Thomas J. |title=Lectures on Elementary Mathematics |edition=2nd |publisher=Open Court |year=1901 |chapter=Lecture V. On the Employment of Curves in the Solution of Problems |chapter-url=https://archive.org/details/lecturesonelemen00lagriala/page/127 |pages=127–149}}</ref> विधि | {{cite book |last=Lagrange |first=Joseph-Louis |author-link= Joseph-Louis Lagrange |title=Leçons Elémentaires sur les Mathématiques |language=fr |year=1795 |chapter=Leçon Cinquième. Sur l'usage des courbes dans la solution des problèmes |place=Paris}} Republished in {{cite book |last=Lagrange |first=Joseph-Louis |editor-last=Serret |editor-first=Joseph-Alfred |editor-link=Joseph-Alfred Serret |display-authors=0 |title=Oeuvres de Lagrange |year=1877 |volume=7 |publisher=Gauthier-Villars |pages=[https://archive.org/details/oeuvresdelagrang07lagr/page/271 271–287] }} Translated as {{cite book |last=Lagrange |first=Joseph-Louis |display-authors=0 |translator-last=McCormack |translator-first=Thomas J. |title=Lectures on Elementary Mathematics |edition=2nd |publisher=Open Court |year=1901 |chapter=Lecture V. On the Employment of Curves in the Solution of Problems |chapter-url=https://archive.org/details/lecturesonelemen00lagriala/page/127 |pages=127–149}}</ref> इस विधि की खोज सबसे पहले 1779 में एडवर्ड वारिंग ने की थी।<ref>{{cite journal | ||
|title=Problems concerning interpolations | |title=Problems concerning interpolations | ||
|first=Edward |last=Waring |author-link=Edward Waring | |first=Edward |last=Waring |author-link=Edward Waring | ||
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| journal=Proceedings of the IEEE | volume=90 | issue=3 | pages=319–342 | | journal=Proceedings of the IEEE | volume=90 | issue=3 | pages=319–342 | ||
| url = http://bigwww.epfl.ch/publications/meijering0201.pdf}}</ref> | | url = http://bigwww.epfl.ch/publications/meijering0201.pdf}}</ref> | ||
समस्थानिक नोड्स के लिए, लैग्रेंज | लैग्रेंज बहुपदों के उपयोग में न्यूटन-कोट्स सूत्र सम्मिलित हैं। न्यूटन-कोट्स [[संख्यात्मक एकीकरण]] की विधि और [[क्रिप्टोग्राफी]] (कूटलेखन) में शमीर की गुप्त साझाकरण योजना सम्मिलित है। | ||
समस्थानिक नोड्स के लिए, लैग्रेंज अंतर्वेशन बड़े दोलन की रूंज की घटना के लिए अतिसंवेदनशील है। | |||
== परिभाषा == | == परिभाषा == | ||
<math display=inline>k + 1</math> नोड्स <math>\{x_0, x_1, \ldots, x_k\}</math> का एक समुच्चय दिया दिया गया है, जो सभी अलग-अलग होने चाहिए, <math>x_j \neq x_m</math> सूचकांकों <math>j \neq m</math> के लिए, कोटि के बहुपदों के लिए लैग्रेंज आधार <math display=inline>\leq k</math> उन नोड्स के लिए बहुपदों <math display=inline>\{\ell_0(x), \ell_1(x), \ldots, \ell_k(x)\}</math>का समूह है प्रत्येक कोटि <math display=inline>k</math> जो मान लेते हैं <math display=inline>\ell_j(x_m) = 0</math> यदि <math display=inline>m \neq j</math> और <math display=inline>\ell_j(x_j) = 1</math> [[क्रोनकर डेल्टा]] <math display="inline">\ell_j(x_m) = \delta_{jm}</math> का उपयोग करके इसे लिखा जा सकता है। प्रत्येक आधार बहुपद को गुणनफल द्वारा स्पष्ट रूप से वर्णित किया जा सकता है: | |||
<math display=block>\begin{aligned} | <math display=block>\begin{aligned} | ||
Line 28: | Line 30: | ||
&= \prod_{\begin{smallmatrix}0\le m\le k\\ m\neq j\end{smallmatrix}} \frac{x-x_m}{x_j-x_m}. | &= \prod_{\begin{smallmatrix}0\le m\le k\\ m\neq j\end{smallmatrix}} \frac{x-x_m}{x_j-x_m}. | ||
\end{aligned}</math> | \end{aligned}</math> | ||
ध्यान दें कि अंश <math display=inline>\prod_{m \neq j}(x - x_m)</math> | ध्यान दें कि अंश <math display=inline>\prod_{m \neq j}(x - x_m)</math> मे <math display=inline>k</math> नोड्स पर <math display=inline>\{x_m\}_{m \neq j}</math> मूल पद है जबकि भाजक <math display=inline>\prod_{m \neq j}(x_j - x_m)</math> परिणामी बहुपद को प्रवर्धित करता है ताकि <math display=inline>\ell_j(x_j) = 1.</math> | ||
संबंधित मानों के माध्यम से उन नोड्स के लिए लैग्रेंज | |||
संबंधित मानों के माध्यम से उन नोड्स के लिए लैग्रेंज अंतर्वेशन बहुपद <math>\{y_0, y_1, \ldots, y_k\}</math> रैखिक संयोजन है: | |||
<math display="block">L(x) = \sum_{j=0}^{k} y_j \ell_j(x).</math> | |||
प्रत्येक आधार बहुपद की कोटि <math display="inline">k</math> होती है इसलिए योग <math display="inline">L(x)</math> की कोटि <math display="inline">\leq k</math> है, और यह डेटा को प्रक्षेपित करता है क्योंकि | |||
<math display="inline">L(x_m) = \sum_{j=0}^{k} y_j \ell_j(x_m) = \sum_{j=0}^{k} y_j \delta_{mj} = y_m.</math> | |||
अंतर्वेशन बहुपद अद्वितीय है। प्रमाण: मान लें कि डिग्री का बहुपद <math display="inline">M(x)</math> कोटि <math display="inline">\leq k</math> डेटा को प्रक्षेपित करता है। फिर शेष <math display="inline">M(x) - L(x)</math> पर <math display="inline">k + 1</math> विशिष्ट नोड्स <math display="inline">\{x_0, x_1, \ldots, x_k\}</math> शून्य है। लेकिन कोटि का एकमात्र बहुपद <math display="inline">\leq k</math> से अधिक के साथ <math display="inline">k</math> मूल पदो वाले घात का <math display="inline">M(x) - L(x) = 0,</math> या <math display="inline">M(x) = L(x)</math> अचर शून्य फलन है | |||
== | == केंद्रकीय व्यंजक == | ||
प्रत्येक | प्रत्येक लाग्रेंज आधार बहुपद <math display=inline>\ell_j(x)</math> तीन भागों, एक फलन के गुणनफल <math display=inline>\ell(x) = \prod_m (x - x_m)</math> के रूप में फिर से लिखा जा सकता है प्रत्येक आधार बहुपद के लिए सामान्य, एक नोड-विशिष्ट स्थिरांक <math display=inline>w_j = \prod_{m\neq j}(x_j - x_m)^{-1}</math> (केंद्रकीय भार कहा जाता है), और <math display=inline>x_j</math> से <math display=inline>x</math> तक विस्थापन का प्रतिनिधित्व करने वाला एक भाग:<ref>{{cite journal | ||
| first1 = Jean-Paul | last1 = Berrut | | first1 = Jean-Paul | last1 = Berrut | ||
| first2 = Lloyd N. | last2 = Trefethen |author-link = Lloyd N. Trefethen | | first2 = Lloyd N. | last2 = Trefethen |author-link = Lloyd N. Trefethen | ||
Line 54: | Line 61: | ||
<math display=block>\ell_j(x) = \ell(x) \dfrac{w_j}{x - x_j}</math> | <math display=block>\ell_j(x) = \ell(x) \dfrac{w_j}{x - x_j}</math> | ||
गुणनखंडन द्वारा <math display=inline>\ell(x)</math> योग से बाहर, हम लैग्रेंज बहुपद को तथाकथित प्रथम केंद्रकीय रूप में लिख सकते हैं: | |||
:<math>L(x) = \ell(x) \sum_{j=0}^k \frac{w_j}{x-x_j}y_j.</math> | :<math>L(x) = \ell(x) \sum_{j=0}^k \frac{w_j}{x-x_j}y_j.</math> | ||
यदि भार <math>w_j</math> पूर्व-गणना की गई है, तो प्रत्येक लाग्रेंज आधार बहुपद <math>\mathcal O(k)</math> का अलग-अलग मूल्यांकन करने के लिए <math>\mathcal O(k^2)</math> की तुलना में केवल <math>\ell_j(x)</math> संक्रिया की आवश्यकता होती है। | |||
प्रत्येक <math>x_{k+1}</math> को <math>w_j</math>, <math>j=0 \dots k</math> द्वारा विभाजित करके नया नोड <math>(x_j - x_{k+1})</math> शामिल करने के लिए बैरीसेंट्रिक (केन्द्रकीय) अंतर्वेशन सूत्र और नया निर्माण <math>w_{k+1}</math> ऊपरोक्त को भी आसानी से अवगत किया जा सकता है।। | |||
किसी | किसी भी <math display=inline>x,</math> <math display=inline>\sum_{j=0}^k \ell_j(x) = 1</math> के लिए क्योंकि नियतांक फलन <math display=inline>g(x) = 1</math> है कोटि का <math>\leq k</math> अद्वितीय बहुपद डेटा को <math display="inline">\{(x_0, 1), (x_1, 1), \ldots, (x_k, 1) \}</math> के द्वारा प्रक्षेपित करना। इस प्रकार हम <math>L(x) = L(x) / g(x)</math> को विभाजित करके केन्द्रकीय सूत्र को और सरल बना सकते हैं | ||
:<math>\begin{aligned} | :<math>\begin{aligned} | ||
L(x) &= \ell(x) \sum_{j=0}^k \frac{w_j}{x-x_j}y_j \Bigg/ \ell(x) \sum_{j=0}^k \frac{w_j}{x-x_j} \\[10mu] | L(x) &= \ell(x) \sum_{j=0}^k \frac{w_j}{x-x_j}y_j \Bigg/ \ell(x) \sum_{j=0}^k \frac{w_j}{x-x_j} \\[10mu] | ||
&= \sum_{j=0}^k \frac{w_j}{x-x_j}y_j \Bigg/ \sum_{j=0}^k \frac{w_j}{x-x_j}. | &= \sum_{j=0}^k \frac{w_j}{x-x_j}y_j \Bigg/ \sum_{j=0}^k \frac{w_j}{x-x_j}. | ||
\end{aligned}</math> | \end{aligned}</math> | ||
इसे | इसे केन्द्रकीय अंतर्वेशन सूत्र का द्वितीय व्यंजक या सत्य व्यंजक कहा जाता है। | ||
इस दूसरे रूप में संगणना कीमत और परिशुद्धता में लाभ हैं: यह <math>\ell(x)</math> के मूल्यांकन से बचा जाता है; भाजक <math>w_j/(x-x_j)</math> में प्रत्येक पद की गणना करने का कार्य अभिकलन <math>\bigl(w_j/(x-x_j)\bigr)y_j</math> में किया जा चुका है और इसलिए हर में योग की गणना करने में केवल <math display=inline>k-1</math> अतिरिक्त संक्रिया होती है; मूल्यांकन बिंदुओं के लिए <math display=inline>x</math> जो एक नोड के समीप <math display=inline>x_j</math> हैं, विपाती निरस्तीकरण सामान्य रूप से <math display=inline>(x-x_j)</math> मूल्य के लिए एक समस्या होगी, हालांकि यह परिणाम अंश और हर दोनों में दिखाई देती है और अंतिम परिणाम में अच्छी सापेक्ष परिशुद्धता छोड़ते हुए दोनों निरस्त हो जाते हैं। | |||
किसी एक नोड <math>L(x)</math> पर <math>x_j</math> का मूल्यांकन करने के लिए इस सूत्र का उपयोग करने से परिणाम अनिश्चित <math>\infty y_j/\infty</math> होगा; कंप्यूटर कार्यान्वयन को ऐसे परिणामों <math>L(x_j) = y_j</math>को प्रतिस्थापित करना चाहिए। प्रत्येक लाग्रेंज आधार बहुपद को केंद्रकीय रूप में भी लिखा जा सकता है: | |||
प्रत्येक | |||
:<math> | :<math> | ||
Line 77: | Line 83: | ||
</math> | </math> | ||
==== रैखिक बीजगणित से एक परिप्रेक्ष्य ==== | |||
बहुपद अंतर्वेशन को हल करने से रैखिक बीजगणित में मैट्रिक्स के व्युत्क्रम की मात्रा में समस्या आती है। हमारे अंतर्वेशन बहुपद <math display="inline">L(x) = \sum_{j=0}^k x^j m_j</math> के लिए एक मानक एकपदी आधार का उपयोग करते हुए, हमें [[वैंडरमोंड मैट्रिक्स]] को <math>(x_i)^j</math> को हल करने के लिए <math>L(x_i) = y_i</math> गुणांक के लिए <math>m_j</math> का <math>L(x)</math> है। अधिकतम आधार चयन करके, <math display="inline">L(x) = \sum_{j=0}^k l_j(x) y_j</math>, हम केवल सर्वसमिका <math>\delta_{ij}</math> मैट्रिक्स प्राप्त करते हैं, जो इसका अपना प्रतिलोम है: लैग्रेंज आधार स्वचालित रूप से वैंडरमोंड मैट्रिक्स के एनालॉग को प्रतिवर्त देता है। | |||
यह रचना [[चीनी शेष प्रमेय]] के अनुरूप है। पूर्णांक मॉडुलो अभाज्य संख्याओं के अवशेषों की जाँच करने के अतिरिक्त, हम रैखिकों द्वारा विभाजित किए जाने पर बहुपदों के अवशेषों की जाँच कर रहे हैं। | |||
इसके अतिरिक्त, जब क्रम बड़ा होता है, तो अंतर्वेशन बहुपद के गुणांकों को हल करने के लिए निर्धारित फूरियर रूपांतरण का उपयोग किया जा सकता है। | |||
इसके | |||
== उदाहरण == | == उदाहरण == | ||
हम | हम तीन नोड्स <math>f(x) = x^2</math> पर <math>1 \leq x \leq 3</math> प्रक्षेत्र {{nobr|<math>\{1,\, 2,\, 3\}</math>}} प्रक्षेपित करना चाहते हैं: | ||
: <math> | : <math> | ||
Line 98: | Line 102: | ||
नोड बहुपद <math>\ell</math> है | नोड बहुपद <math>\ell</math> है | ||
:<math>\ell(x) = (x-1)(x-2)(x-3) = x^3 - 6x^2 + 11x - 6.</math> | :<math>\ell(x) = (x-1)(x-2)(x-3) = x^3 - 6x^2 + 11x - 6.</math> | ||
केंद्रकीय भार हैं | |||
:<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
w_0 &= (1-2)^{-1}(1-3)^{-1} = \tfrac12, \\[3mu] | w_0 &= (1-2)^{-1}(1-3)^{-1} = \tfrac12, \\[3mu] | ||
Line 104: | Line 108: | ||
w_2 &= (3-1)^{-1}(3-2)^{-1} = \tfrac12. | w_2 &= (3-1)^{-1}(3-2)^{-1} = \tfrac12. | ||
\end{align}</math> | \end{align}</math> | ||
लाग्रेंज आधार बहुपद हैं | |||
:<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
Line 111: | Line 115: | ||
\ell_2(x) &= \frac{x - 1}{3 - 1}\cdot\frac{x - 2}{3 - 2} = \tfrac12x^2 - \tfrac32x + 1. | \ell_2(x) &= \frac{x - 1}{3 - 1}\cdot\frac{x - 2}{3 - 2} = \tfrac12x^2 - \tfrac32x + 1. | ||
\end{align}</math> | \end{align}</math> | ||
लैग्रेंज | लैग्रेंज अंतर्वेशन बहुपद है: | ||
:<math> \begin{align} | :<math> \begin{align} | ||
L(x) &= 1\cdot\frac{x - 2}{1 - 2}\cdot\frac{x - 3}{1 - 3} | L(x) &= 1\cdot\frac{x - 2}{1 - 2}\cdot\frac{x - 3}{1 - 3} | ||
Line 119: | Line 123: | ||
&= x^2. | &= x^2. | ||
\end{align} </math> | \end{align} </math> | ||
(द्वितीय) | (द्वितीय) केन्द्रकीय रूप में, | ||
:<math> | :<math> | ||
Line 132: | Line 136: | ||
==टिप्पणियाँ== | ==टिप्पणियाँ== | ||
[[File:Runge's phenomenon in Lagrange polynomials.svg|thumb|upright=1.5| | [[File:Runge's phenomenon in Lagrange polynomials.svg|thumb|upright=1.5|लैग्रेंज बहुपदों के एक सेट के लिए अंतर्वेशन अपसरण का उदाहरण।]] | ||
अंतर्वेशन बहुपद का लैग्रेंज रूप बहुपद अंतर्वेशन के रैखिक विशेषता और अंतर्वेशन बहुपद की विशिष्टता को दर्शाता है। इसलिए, इसे प्रमाणों और सैद्धांतिक तर्कों में चयन किया जाता है। वैंडरमोंड निर्धारक के समाप्त न होने के कारण, वैंडरमोंड मैट्रिक्स की व्युत्क्रमणीयता से विशिष्टता भी देखी जा सकती है। | |||
लेकिन, जैसा कि निर्माण से देखा जा सकता है, हर बार एक नोड xk बदलता है, सभी लैग्रेंज आधार बहुपदों को पुनर्गणना करना पड़ता है। व्यावहारिक (या कम्प्यूटेशनल) उद्देश्यों के लिए अंतर्वेशन बहुपद का अधिकतम रूप लैग्रेंज अंतर्वेशन (नीचे देखें) या न्यूटन बहुपदों का केंद्रकीय रूप है। | |||
लैग्रेंज और अन्य अंतर्वेशन समान दूरी वाले बिंदुओं पर, जैसा कि ऊपर के उदाहरण में है, वास्तविक कार्य के ऊपर और नीचे एक बहुपद दोलन करता है। यह व्यवहार अंकों की संख्या के साथ बढ़ने लगता है, जिससे विचलन होता है जिसे रन्ज की घटना के रूप में जाना जाता है; चेबीशेव नोड्स पर अंतर्वेशन बिंदु चयन करके समस्या को समाप्त किया जा सकता है।<ref>{{cite book|title=Scientific Computing with MATLAB|volume=2|series=Texts in computational science and engineering|first1=Alfio|last1=Quarteroni|first2=Fausto|last2=Saleri|publisher=Springer|year=2003|isbn=978-3-540-44363-6|page=66|url=https://books.google.com/books?id=fE1W5jsU4zoC&pg=PA66}}.</ref> | |||
न्यूटन-कोट्स सूत्र प्राप्त करने के लिए लाग्रेंज आधार बहुपदों का संख्यात्मक एकीकरण में उपयोग किया जा सकता है। | |||
== लैग्रेंज | |||
किसी दिए गए | == लैग्रेंज अंतर्वेशन सूत्र में अवशेष == | ||
किसी दिए गए फलन f को कोटि के बहुपद द्वारा प्रक्षेपित करते समय {{mvar|k}} नोड्स पर <math>x_0,...,x_k</math> हमें शेष मिलता है <math>R(x) = f(x) - L(x)</math> जिसे व्यक्त किया जा सकता है<ref>{{AS ref|25, eqn 25.2.3|878}}</ref> | |||
:<math> R(x) = f[x_0,\ldots,x_k,x] \ell(x) = \ell(x) \frac{f^{(k+1)}(\xi)}{(k+1)!}, \quad \quad x_0 < \xi < x_k,</math> | :<math> R(x) = f[x_0,\ldots,x_k,x] \ell(x) = \ell(x) \frac{f^{(k+1)}(\xi)}{(k+1)!}, \quad \quad x_0 < \xi < x_k,</math> | ||
जहाँ <math>f[x_0,\ldots,x_k,x]</math> विभाजित अंतरों के लिए संकेतन है। वैकल्पिक रूप से, शेष को जटिल प्रक्षेत्र में समोच्च अभिन्न के रूप में व्यक्त किया जा सकता है | |||
:<math>R(x) = \frac{\ell(x)}{2\pi i} \int_C \frac{f(t)}{(t-x)(t-x_0) \cdots (t-x_k)} dt = \frac{\ell(x)}{2\pi i} \int_C \frac{f(t)}{(t-x)\ell(t)} dt.</math> | :<math>R(x) = \frac{\ell(x)}{2\pi i} \int_C \frac{f(t)}{(t-x)(t-x_0) \cdots (t-x_k)} dt = \frac{\ell(x)}{2\pi i} \int_C \frac{f(t)}{(t-x)\ell(t)} dt.</math> | ||
Line 156: | Line 160: | ||
=== व्युत्पत्ति<ref>{{Cite web|url=https://sam.nitk.ac.in/sites/default/Numerical_Methods/Interpolation/interpolation.pdf|title=Interpolation}}</ref>=== | === व्युत्पत्ति<ref>{{Cite web|url=https://sam.nitk.ac.in/sites/default/Numerical_Methods/Interpolation/interpolation.pdf|title=Interpolation}}</ref>=== | ||
स्पष्ट रूप से, <math>R(x) </math> नोड्स पर शून्य है। | स्पष्ट रूप से, <math>R(x) </math> नोड्स पर शून्य है। बिंदु <math>R(x)</math> पर <math>x_p </math> को पता लगाने के लिए एक नया फलन परिभाषित करें <math>F(x)=R(x)-\tilde{R}(x)=f(x)-L(x)-\tilde{R}(x)</math> और <math display="inline">\tilde{R}(x)=C\cdot\prod_{i=0}^k(x-x_i)</math> चयन करे जहाँ <math>C</math> वह स्थिरांक है जिसे हमें दिए गए <math>x_p</math>के लिए, हम <math>C</math> चयन करते हैं ताकि <math>F(x)</math> शून्य <math>k+2</math> है (सभी नोड्स पर और <math>x_p</math>) बीच में <math>x_0</math> और <math>x_k</math> (अंतिम बिंदुओं सहित) निर्धारित करना है।। ये मानते हुए <math>f(x)</math> गुना अवकलनीय <math>k+1</math>-है, क्योंकि <math>L(x)</math> और <math>\tilde{R}(x)</math> बहुपद हैं, और इसलिए, अधिकतम सीमा तक भिन्न <math>F(x)</math> हैं और <math>k+1</math>-गुना अवकलनीय होगा। रोल की प्रमेय के अनुसार, <math>F^{(1)}(x)</math> शून्य <math>k+1</math>है, <math>F^{(2)}(x)</math> है जहां <math>k</math> पर... <math>F^{(k+1)}</math> 1 शून्य, <math>\xi,\, x_0<\xi<x_k</math> है, मान लीजिए कि <math>F^{(k+1)}(\xi)</math> को स्पष्ट रूप से लिखना: | ||
:<math>F^{(k+1)}(\xi)=f^{(k+1)}(\xi)-L^{(k+1)}(\xi)-\tilde{R}^{(k+1)}(\xi)</math> | :<math>F^{(k+1)}(\xi)=f^{(k+1)}(\xi)-L^{(k+1)}(\xi)-\tilde{R}^{(k+1)}(\xi)</math> | ||
:<math>L^{(k+1)}=0,\tilde{R}^{(k+1)}=C\cdot(k+1)!</math> (क्योंकि उच्चतम | :<math>L^{(k+1)}=0,\tilde{R}^{(k+1)}=C\cdot(k+1)!</math> (क्योंकि उच्चतम पावर <math>x</math> में <math>\tilde{R}(x)</math> है <math>k+1</math>) | ||
:<math>0=f^{(k+1)}(\xi)-C\cdot(k+1)!</math> | :<math>0=f^{(k+1)}(\xi)-C\cdot(k+1)!</math> | ||
Line 165: | Line 169: | ||
:<math>C=\frac{f^{(k+1)}(\xi)}{(k+1)!}</math> | :<math>C=\frac{f^{(k+1)}(\xi)}{(k+1)!}</math> | ||
तब से <math>F(x_p) = 0</math> | तब से <math>F(x_p) = 0</math> हमारे पास <math>R(x_p)=\tilde{R}(x_p) = \frac{f^{k+1}(\xi)}{(k+1)!}\prod_{i=0}^k(x_p-x_i)</math> है। | ||
==== अवकलन ==== | |||
d लाग्रेंज अंतर्वेशी बहुपद के वें व्युत्पन्न आधार बहुपद के अवकलन के संदर्भ में लिखा जा सकता है, | |||
:<math>L^{(d)}(x) := \sum_{j=0}^{k} y_j \ell_j^{(d)}(x).</math> | :<math>L^{(d)}(x) := \sum_{j=0}^{k} y_j \ell_j^{(d)}(x).</math> | ||
स्मरण (देखें | स्मरण (ऊपर § परिभाषा देखें) कि प्रत्येक लाग्रेंज आधार बहुपद है | ||
<math display=block>\begin{aligned} | <math display="block">\begin{aligned} | ||
\ell_j(x) &= \prod_{\begin{smallmatrix}m = 0\\ m\neq j\end{smallmatrix}}^k \frac{x-x_m}{x_j-x_m}. | \ell_j(x) &= \prod_{\begin{smallmatrix}m = 0\\ m\neq j\end{smallmatrix}}^k \frac{x-x_m}{x_j-x_m}. | ||
\end{aligned}</math> | \end{aligned}</math> | ||
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&= \ell_j(x)\sum_{\begin{smallmatrix}i=0 \\i\not=j\end{smallmatrix}}^k \frac{1}{x-x_i}. | &= \ell_j(x)\sum_{\begin{smallmatrix}i=0 \\i\not=j\end{smallmatrix}}^k \frac{1}{x-x_i}. | ||
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&= \ell_j(x)\Biggl[\Biggl(\sum_{\begin{smallmatrix}i=0 \\i\not=j\end{smallmatrix}}^k \frac{1}{x-x_i}\Biggr)^2-\sum_{\begin{smallmatrix}i=0 \\i\not=j\end{smallmatrix}}^k \frac{1}{(x-x_i)^2}\Biggr]. | &= \ell_j(x)\Biggl[\Biggl(\sum_{\begin{smallmatrix}i=0 \\i\not=j\end{smallmatrix}}^k \frac{1}{x-x_i}\Biggr)^2-\sum_{\begin{smallmatrix}i=0 \\i\not=j\end{smallmatrix}}^k \frac{1}{(x-x_i)^2}\Biggr]. | ||
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और इसी | और इसी प्रकार उच्च अवकलन के लिए। | ||
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लाग्रेंज बहुपद की गणना परिमित क्षेत्रों में भी की जा सकती है। इसमें क्रिप्टोग्राफी में अनुप्रयोग हैं, जैसे शमीर की गुप्त साझाकरण योजना में है। | |||
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* [http://www.alglib.net/interpolation/polynomial.php ALGLIB] has an implementations in C++ / C# / VBA / Pascal. | * [http://www.alglib.net/interpolation/polynomial.php ALGLIB] has an implementations in C++ / C# / VBA / Pascal. | ||
* [https://www.gnu.org/software/gsl/ GSL] has a polynomial interpolation code in C | * [https://www.gnu.org/software/gsl/ GSL] has a polynomial interpolation code in C | ||
* [https://stackoverflow.com/questions/11029615/lagrange-interpolation-method/11552763 SO] has a MATLAB example that demonstrates the algorithm and recreates the first image in this article | * [https://stackoverflow.com/questions/11029615/lagrange-interpolation-method/11552763 SO] has a MATLAB example that demonstrates the algorithm and recreates the first image in this article | ||
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*[http://www.math-linux.com/spip.php?article71 | *[http://www.math-linux.com/spip.php?article71 लाग्रेंज interpolation polynomial] on www.math-linux.com | ||
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* [http://mathformeremortals.wordpress.com/2013/01/15/bicubic-interpolation-excel-worksheet-function/ Excel Worksheet Function for Bicubic Lagrange Interpolation] | * [http://mathformeremortals.wordpress.com/2013/01/15/bicubic-interpolation-excel-worksheet-function/ Excel Worksheet Function for Bicubic Lagrange Interpolation] | ||
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Latest revision as of 07:46, 19 March 2023
संख्यात्मक विश्लेषण में, लैग्रेंज अंतर्वेशन बहुपद की निम्नतम कोटि का अद्वितीय बहुपद है जो बहुपद डेटा के समुच्चय को प्रक्षेपित करता है।
किसी फलन के ग्राफ़ के डेटा समुच्चय को देखते हुए के साथ निर्देशांक युग्म को नोड कहा जाता है और मान कहलाते हैं। लैग्रेंज बहुपद कोटि है और प्रत्येक मान को संबंधित बिन्दु पर मान लेता है।
हालांकि इसका नाम जोसेफ-लुई लाग्रेंज के नाम पर रखा गया, जिन्होंने इसे 1795 में प्रकाशित किया था,[1] इस विधि की खोज सबसे पहले 1779 में एडवर्ड वारिंग ने की थी।[2] यह लियोनहार्ड यूलर द्वारा 1783 में प्रकाशित एक सूत्र का भी आसान परिणाम है।[3]
लैग्रेंज बहुपदों के उपयोग में न्यूटन-कोट्स सूत्र सम्मिलित हैं। न्यूटन-कोट्स संख्यात्मक एकीकरण की विधि और क्रिप्टोग्राफी (कूटलेखन) में शमीर की गुप्त साझाकरण योजना सम्मिलित है।
समस्थानिक नोड्स के लिए, लैग्रेंज अंतर्वेशन बड़े दोलन की रूंज की घटना के लिए अतिसंवेदनशील है।
परिभाषा
नोड्स का एक समुच्चय दिया दिया गया है, जो सभी अलग-अलग होने चाहिए, सूचकांकों के लिए, कोटि के बहुपदों के लिए लैग्रेंज आधार उन नोड्स के लिए बहुपदों का समूह है प्रत्येक कोटि जो मान लेते हैं यदि और क्रोनकर डेल्टा का उपयोग करके इसे लिखा जा सकता है। प्रत्येक आधार बहुपद को गुणनफल द्वारा स्पष्ट रूप से वर्णित किया जा सकता है:
संबंधित मानों के माध्यम से उन नोड्स के लिए लैग्रेंज अंतर्वेशन बहुपद रैखिक संयोजन है:
अंतर्वेशन बहुपद अद्वितीय है। प्रमाण: मान लें कि डिग्री का बहुपद कोटि डेटा को प्रक्षेपित करता है। फिर शेष पर विशिष्ट नोड्स शून्य है। लेकिन कोटि का एकमात्र बहुपद से अधिक के साथ मूल पदो वाले घात का या अचर शून्य फलन है
केंद्रकीय व्यंजक
प्रत्येक लाग्रेंज आधार बहुपद तीन भागों, एक फलन के गुणनफल के रूप में फिर से लिखा जा सकता है प्रत्येक आधार बहुपद के लिए सामान्य, एक नोड-विशिष्ट स्थिरांक (केंद्रकीय भार कहा जाता है), और से तक विस्थापन का प्रतिनिधित्व करने वाला एक भाग:[4]
यदि भार पूर्व-गणना की गई है, तो प्रत्येक लाग्रेंज आधार बहुपद का अलग-अलग मूल्यांकन करने के लिए की तुलना में केवल संक्रिया की आवश्यकता होती है।
प्रत्येक को , द्वारा विभाजित करके नया नोड शामिल करने के लिए बैरीसेंट्रिक (केन्द्रकीय) अंतर्वेशन सूत्र और नया निर्माण ऊपरोक्त को भी आसानी से अवगत किया जा सकता है।।
किसी भी के लिए क्योंकि नियतांक फलन है कोटि का अद्वितीय बहुपद डेटा को के द्वारा प्रक्षेपित करना। इस प्रकार हम को विभाजित करके केन्द्रकीय सूत्र को और सरल बना सकते हैं
इसे केन्द्रकीय अंतर्वेशन सूत्र का द्वितीय व्यंजक या सत्य व्यंजक कहा जाता है।
इस दूसरे रूप में संगणना कीमत और परिशुद्धता में लाभ हैं: यह के मूल्यांकन से बचा जाता है; भाजक में प्रत्येक पद की गणना करने का कार्य अभिकलन में किया जा चुका है और इसलिए हर में योग की गणना करने में केवल अतिरिक्त संक्रिया होती है; मूल्यांकन बिंदुओं के लिए जो एक नोड के समीप हैं, विपाती निरस्तीकरण सामान्य रूप से मूल्य के लिए एक समस्या होगी, हालांकि यह परिणाम अंश और हर दोनों में दिखाई देती है और अंतिम परिणाम में अच्छी सापेक्ष परिशुद्धता छोड़ते हुए दोनों निरस्त हो जाते हैं।
किसी एक नोड पर का मूल्यांकन करने के लिए इस सूत्र का उपयोग करने से परिणाम अनिश्चित होगा; कंप्यूटर कार्यान्वयन को ऐसे परिणामों को प्रतिस्थापित करना चाहिए। प्रत्येक लाग्रेंज आधार बहुपद को केंद्रकीय रूप में भी लिखा जा सकता है:
रैखिक बीजगणित से एक परिप्रेक्ष्य
बहुपद अंतर्वेशन को हल करने से रैखिक बीजगणित में मैट्रिक्स के व्युत्क्रम की मात्रा में समस्या आती है। हमारे अंतर्वेशन बहुपद के लिए एक मानक एकपदी आधार का उपयोग करते हुए, हमें वैंडरमोंड मैट्रिक्स को को हल करने के लिए गुणांक के लिए का है। अधिकतम आधार चयन करके, , हम केवल सर्वसमिका मैट्रिक्स प्राप्त करते हैं, जो इसका अपना प्रतिलोम है: लैग्रेंज आधार स्वचालित रूप से वैंडरमोंड मैट्रिक्स के एनालॉग को प्रतिवर्त देता है।
यह रचना चीनी शेष प्रमेय के अनुरूप है। पूर्णांक मॉडुलो अभाज्य संख्याओं के अवशेषों की जाँच करने के अतिरिक्त, हम रैखिकों द्वारा विभाजित किए जाने पर बहुपदों के अवशेषों की जाँच कर रहे हैं।
इसके अतिरिक्त, जब क्रम बड़ा होता है, तो अंतर्वेशन बहुपद के गुणांकों को हल करने के लिए निर्धारित फूरियर रूपांतरण का उपयोग किया जा सकता है।
उदाहरण
हम तीन नोड्स पर प्रक्षेत्र प्रक्षेपित करना चाहते हैं:
नोड बहुपद है
केंद्रकीय भार हैं
लाग्रेंज आधार बहुपद हैं
लैग्रेंज अंतर्वेशन बहुपद है:
(द्वितीय) केन्द्रकीय रूप में,
टिप्पणियाँ
अंतर्वेशन बहुपद का लैग्रेंज रूप बहुपद अंतर्वेशन के रैखिक विशेषता और अंतर्वेशन बहुपद की विशिष्टता को दर्शाता है। इसलिए, इसे प्रमाणों और सैद्धांतिक तर्कों में चयन किया जाता है। वैंडरमोंड निर्धारक के समाप्त न होने के कारण, वैंडरमोंड मैट्रिक्स की व्युत्क्रमणीयता से विशिष्टता भी देखी जा सकती है।
लेकिन, जैसा कि निर्माण से देखा जा सकता है, हर बार एक नोड xk बदलता है, सभी लैग्रेंज आधार बहुपदों को पुनर्गणना करना पड़ता है। व्यावहारिक (या कम्प्यूटेशनल) उद्देश्यों के लिए अंतर्वेशन बहुपद का अधिकतम रूप लैग्रेंज अंतर्वेशन (नीचे देखें) या न्यूटन बहुपदों का केंद्रकीय रूप है।
लैग्रेंज और अन्य अंतर्वेशन समान दूरी वाले बिंदुओं पर, जैसा कि ऊपर के उदाहरण में है, वास्तविक कार्य के ऊपर और नीचे एक बहुपद दोलन करता है। यह व्यवहार अंकों की संख्या के साथ बढ़ने लगता है, जिससे विचलन होता है जिसे रन्ज की घटना के रूप में जाना जाता है; चेबीशेव नोड्स पर अंतर्वेशन बिंदु चयन करके समस्या को समाप्त किया जा सकता है।[5]
न्यूटन-कोट्स सूत्र प्राप्त करने के लिए लाग्रेंज आधार बहुपदों का संख्यात्मक एकीकरण में उपयोग किया जा सकता है।
लैग्रेंज अंतर्वेशन सूत्र में अवशेष
किसी दिए गए फलन f को कोटि के बहुपद द्वारा प्रक्षेपित करते समय k नोड्स पर हमें शेष मिलता है जिसे व्यक्त किया जा सकता है[6]
जहाँ विभाजित अंतरों के लिए संकेतन है। वैकल्पिक रूप से, शेष को जटिल प्रक्षेत्र में समोच्च अभिन्न के रूप में व्यक्त किया जा सकता है
शेष के रूप में बाध्य किया जा सकता है
व्युत्पत्ति[7]
स्पष्ट रूप से, नोड्स पर शून्य है। बिंदु पर को पता लगाने के लिए एक नया फलन परिभाषित करें और चयन करे जहाँ वह स्थिरांक है जिसे हमें दिए गए के लिए, हम चयन करते हैं ताकि शून्य है (सभी नोड्स पर और ) बीच में और (अंतिम बिंदुओं सहित) निर्धारित करना है।। ये मानते हुए गुना अवकलनीय -है, क्योंकि और बहुपद हैं, और इसलिए, अधिकतम सीमा तक भिन्न हैं और -गुना अवकलनीय होगा। रोल की प्रमेय के अनुसार, शून्य है, है जहां पर... 1 शून्य, है, मान लीजिए कि को स्पष्ट रूप से लिखना:
- (क्योंकि उच्चतम पावर में है )
समीकरण के रूप में पुनर्व्यवस्थित किया जा सकता है
तब से हमारे पास है।
अवकलन
d लाग्रेंज अंतर्वेशी बहुपद के वें व्युत्पन्न आधार बहुपद के अवकलन के संदर्भ में लिखा जा सकता है,
स्मरण (ऊपर § परिभाषा देखें) कि प्रत्येक लाग्रेंज आधार बहुपद है
दूसरा अवकलन है
तीसरा अवकलन है
और इसी प्रकार उच्च अवकलन के लिए।
परिमित क्षेत्र
लाग्रेंज बहुपद की गणना परिमित क्षेत्रों में भी की जा सकती है। इसमें क्रिप्टोग्राफी में अनुप्रयोग हैं, जैसे शमीर की गुप्त साझाकरण योजना में है।
यह भी देखें
- नेविल का एल्गोरिदम
- अंतर्वेशन बहुपद का न्यूटन बहुपद
- बर्नस्टीन बहुपद
- कार्लसन की प्रमेय
- लेबेस्ग स्थिरांक (अंतर्वेशन)
- चेबफन
- न्यूटोनियन श्रृंखला की तालिका
- फ्रोबेनियस सहसंयोजक
- सिल्वेस्टर का सूत्र
- परिमित शेष गुणांक
- हर्मिट अंतर्वेशन
संदर्भ
- ↑ Lagrange, Joseph-Louis (1795). "Leçon Cinquième. Sur l'usage des courbes dans la solution des problèmes". Leçons Elémentaires sur les Mathématiques (in français). Paris. Republished in Serret, Joseph-Alfred, ed. (1877). Oeuvres de Lagrange. Vol. 7. Gauthier-Villars. pp. 271–287. Translated as "Lecture V. On the Employment of Curves in the Solution of Problems". Lectures on Elementary Mathematics. Translated by McCormack, Thomas J. (2nd ed.). Open Court. 1901. pp. 127–149.
- ↑ Waring, Edward (9 January 1779). "Problems concerning interpolations". Philosophical Transactions of the Royal Society. 69: 59–67. doi:10.1098/rstl.1779.0008.
- ↑ Meijering, Erik (2002). "A chronology of interpolation: from ancient astronomy to modern signal and image processing" (PDF). Proceedings of the IEEE. 90 (3): 319–342. doi:10.1109/5.993400.
- ↑ Berrut, Jean-Paul; Trefethen, Lloyd N. (2004). "Barycentric Lagrange Interpolation" (PDF). SIAM Review. 46 (3): 501–517. Bibcode:2004SIAMR..46..501B. doi:10.1137/S0036144502417715.
- ↑ Quarteroni, Alfio; Saleri, Fausto (2003). Scientific Computing with MATLAB. Texts in computational science and engineering. Vol. 2. Springer. p. 66. ISBN 978-3-540-44363-6..
- ↑ Abramowitz, Milton; Stegun, Irene Ann, eds. (1983) [June 1964]. "Chapter 25, eqn 25.2.3". Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables. Applied Mathematics Series. Vol. 55 (Ninth reprint with additional corrections of tenth original printing with corrections (December 1972); first ed.). Washington D.C.; New York: United States Department of Commerce, National Bureau of Standards; Dover Publications. p. 878. ISBN 978-0-486-61272-0. LCCN 64-60036. MR 0167642. LCCN 65-12253.
- ↑ "Interpolation" (PDF).
बाहरी संबंध
- "Lagrange interpolation formula", Encyclopedia of Mathematics, EMS Press, 2001 [1994]
- ALGLIB has an implementations in C++ / C# / VBA / Pascal.
- GSL has a polynomial interpolation code in C
- SO has a MATLAB example that demonstrates the algorithm and recreates the first image in this article
- लाग्रेंज Method of Interpolation — Notes, PPT, Mathcad, Mathematica, MATLAB, Maple at Holistic Numerical Methods Institute
- लाग्रेंज interpolation polynomial on www.math-linux.com
- Weisstein, Eric W. "Lagrange Interpolating Polynomial". MathWorld.
- लैग्रेंज बहुपद at ProofWiki
- Dynamic Lagrange interpolation with JSXGraph
- Numerical computing with functions: The Chebfun Project
- Excel Worksheet Function for Bicubic Lagrange Interpolation
- Lagrange polynomials in Python