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Mathematik Numerik – Interpolation und Splines

14 KartenMathematikatrio09.10.2026Nur mit Link

Karteikarten zum Thema „Mathematik“ · 14 Karten · von atrio. Beispiele: Was ist das Interpolationsproblem? · Wie lautet das Lagrange-Interpolationspolynom?

Karten

14 Karten
STANDARD

Was ist das Interpolationsproblem?

Rückseite

Gegeben sind n+1 Stützstellen (x_i, y_i) mit paarweise verschiedenen x_i. Gesucht ist eine Funktion p, die p(x_i)=y_i für alle i erfüllt.

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Wie lautet das Lagrange-Interpolationspolynom?

Rückseite

L(x) = Σ_{i=0}^n y_i · l_i(x) mit Lagrange-Basispolynomen l_i(x) = Π_{j≠i} (x-x_j)/(x_i-x_j).

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Was sind dividierte Differenzen in der Newtonschen Interpolation?

Rückseite

Rekursiv definiert: f[x_i]=y_i, f[x_i,...,x_{i+k}] = (f[x_{i+1},...,x_{i+k}] - f[x_i,...,x_{i+k-1}])/(x_{i+k}-x_i).

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Was beschreibt das Runge-Phänomen?

Rückseite

Bei Polynominterpolation mit gleichverteilten Stützstellen divergiert der Fehler für hohe Grade am Rand des Intervalls, z. B. bei f(x)=1/(1+25x²) auf [-1,1].

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Wie vermeidet man das Runge-Phänomen?

Rückseite

Verwendung von Tschebyschow-Knoten x_k = cos((2k+1)π/(2n+2)) als Stützstellen – sie minimieren den maximalen Interpolationsfehler.

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Was ist ein kubischer Spline?

Rückseite

Stückweise kubisches Polynom S(x), das auf jedem Teilintervall [x_i, x_{i+1}] ein Polynom 3. Grades ist und global zweimal stetig differenzierbar (C²) ist.

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Welche Bedingungen definieren einen natürlichen kubischen Spline?

Rückseite

Zusätzlich zu C²-Stetigkeit und Interpolation: S''(x_0)=S''(x_n)=0 (zweite Ableitung an den Rändern verschwindet).

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Was sind periodische Spline-Randbedingungen?

Rückseite

S^{(k)}(x_0) = S^{(k)}(x_n) für k=0,1,2 – Funktionswert, erste und zweite Ableitung stimmen an den Rändern überein.

STANDARD

Was besagt der Fehlerabschätzungssatz für Polynominterpolation?

Rückseite

f(x)-p_n(x) = f^{(n+1)}(ξ)/(n+1)! · Π_{i=0}^n (x-x_i) für ein ξ im Intervall – Fehler hängt von (n+1)-ter Ableitung und Knotenprodukt ab.

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Was ist Hermite-Interpolation?

Rückseite

Interpolation, bei der neben Funktionswerten auch Ableitungen an den Stützstellen vorgegeben sind – das Polynom hat höheren Grad.

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Warum sind Splines numerisch stabiler als hochgradige Polynome?

Rückseite

Splines verwenden lokale niedriggradige Polynome, vermeiden globale Oszillationen und haben eine bandstrukturierte lineare Gleichungssystem (tridiagonal), das effizient lösbar ist.

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Was ist ein linearer Spline?

Rückseite

Stückweise lineare Funktion, die an den Stützstellen interpoliert und stetig (C⁰) ist – einfachste Spline-Form ohne Glattheitsbedingungen höherer Ordnung.

STANDARD

Was bedeutet die Not-a-knot-Bedingung bei kubischen Splines?

Rückseite

Die dritte Ableitung ist an den inneren Knoten x_1 und x_{n-1} stetig – die ersten beiden bzw. letzten beiden Polynomstücke fallen zusammen.

STANDARD

Wie unterscheidet sich oszilierende Interpolation von Spline-Interpolation?

Rückseite

Oszillierende Interpolation nutzt ein einzelnes hochgradiges Polynom (neigt zu Runge-Phänomen), Splines nutzen stückweise niedriggradige Polynome mit C²-Stetigkeit.

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