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Interpolación por una función cuya segunda derivada está acotada

No sé si es una pregunta fácil para los especialistas en la materia. Considere el siguiente problema de interpolación $\varepsilon >0$ , $X$ sea una de números reales y $g$ sea una función de valor real en $X$ . El objetivo es encontrar una función $f$ definido en un intervalo que contiene $X$ que coincide con $g$ en $X$ y admite una segunda derivada continua $f''$ limitado por $\varepsilon$ : $|f''|< \varepsilon$ .

Una condición necesaria es que, para cualquier $x< y < z$ en $X$ ,
$(*) |\frac{(y-x)g(z)-(z-x)g(y)+(z-y)g(x)}{(z-x)(z-y)(y-x)}| < \frac{\varepsilon}{2}$ .

¿Es también suficiente esta condición? Si $X$ sólo tiene tres elementos, entonces (*) dice precisamente que el polinomio interpolador de Lagrange $f$ satisface $|f''|< \varepsilon$ , por lo que la equivalencia se mantiene en este caso.

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John Topley Puntos 58789

No es suficiente. Supongamos que los elementos de $X$ son $$x_1 < x_2 < \cdots < x_n,$$ y supongamos por simplicidad que $\epsilon = 1$ . A continuación, los valores $f(x_k)$ contienen la misma información que las integrales $$\langle p, f'' \rangle = \int_{x_1}^{x_n} p(x) f''(x) dx,$$ donde $p(x)$ es una función continua lineal a trozos con $p(x_1) = p(x_n) = 0$ . Se puede convertir entre una integral de este tipo y combinaciones lineales de valores de $f(x)$ integrando por partes dos veces. Para cualquier función de prueba $p$ la desigualdad $$|\langle p, f'' \rangle| \le \int_{x_1}^{x_n} |p(x)| dx \qquad \qquad$$ retenciones. Además, muchas de estas desigualdades son lógicamente independientes. Más concretamente, las opciones extremas de $p(x)$ son aquellos para los que $p(x_k)$ alternativo en señal de $i \le k \le j$ y $p(x_k) = 0$ cuando $k < i$ ou $k > j$ . La idea de demostrar que tales como $p$ es extrema es hacer una doble elección de $f''$ que cambia entre $1$ y $-1$ cuando $p$ cruza el $x$ eje. (Pido disculpas por saltarme parte de la lógica en el cálculo de la extremidad, pero creo que esto es correcto). El conjunto resultante de valores para $f(\vec{x})$ no es un politopo, sino una cierta región convexa con límites planos y curvos.

Por ejemplo, considere su estadística, $$f_k = \frac{(x_{k+1}-x_k)f(x_{k+1})-(x_{k+1}-x_{k-1})f(x_k)+(x_k-x_{k+1})f(x_{k-1})}{(x_{k+1}-x_k)(x_{k+1}-x_{k-1})(x_k-x_{k-1})},$$ para triples consecutivos de puntos, y supongamos que $n=4$ . Entonces el par $(f_2,f_3)$ debe estar dentro del cuadrado $[-\frac12,\frac12]^2$ ; has identificado otros dos pares de inecuaciones, pero no recortan más el cuadrado. Lo que ocurre en realidad es que dos de las esquinas del cuadrado se redondean mediante parábolas. Las líneas de apoyo de las parábolas provienen de la función de prueba $p$ que es una interpolación lineal a trozos de $(0,-1,a,0)$ con $a > 0$ .

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