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标题: 范德蒙矩阵(Vandermonde 矩阵)简介:意义、用途及编程应用 [打印本页]

作者: 东湖之滨    时间: 前天 20:49
标题: 范德蒙矩阵(Vandermonde 矩阵)简介:意义、用途及编程应用
参考:
Introduction to Applied Linear Algebra – Vectors, Matrices, and Least Squares
Stephen Boyd and Lieven Vandenberghe

书的网站: https://web.stanford.edu/~boyd/vmls/
Vandermonde 矩阵简介:意义、用途及编程应用

在数学和盘算科学中,Vandermonde 矩阵是一种结构化的矩阵,广泛应用于插值、多项式评估和线性代数问题。它以法国数学家亚历山大·特奥菲尔·范德蒙德(Alexandre-Théophile Vandermonde)命名,在现实盘算中有着重要意义。本篇博客将介绍 Vandermonde 矩阵的界说、作用及其在编程中的应用场景。

1. 什么是 Vandermonde 矩阵?

界说

Vandermonde 矩阵是一种由给定点生成的矩阵,其形式如下:
                                         A                            =                                       [                                                                                     1                                                                                                             t                                              1                                                                                                                            t                                              1                                              2                                                                                                            ⋯                                                                                                             t                                              1                                                               n                                                 −                                                 1                                                                                                                                                  1                                                                                                             t                                              2                                                                                                                            t                                              2                                              2                                                                                                            ⋯                                                                                                             t                                              2                                                               n                                                 −                                                 1                                                                                                                                                                  ⋮                                                                                                                                                                          ⋮                                                                                                                                                                          ⋮                                                                                                                                                          ⋱                                                                                                             ⋮                                                                                                                                                                                1                                                                                                             t                                              m                                                                                                                            t                                              m                                              2                                                                                                            ⋯                                                                                                             t                                              m                                                               n                                                 −                                                 1                                                                                                                ]                                      ,                                  A = \begin{bmatrix} 1 & t_1 & t_1^2 & \cdots & t_1^{n-1} \\ 1 & t_2 & t_2^2 & \cdots & t_2^{n-1} \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 1 & t_m & t_m^2 & \cdots & t_m^{n-1} \end{bmatrix},                     A=               ​11⋮1​t1​t2​⋮tm​​t12​t22​⋮tm2​​⋯⋯⋱⋯​t1n−1​t2n−1​⋮tmn−1​​               ​,
其中:

如果将多项式写成系数形式:
                                         p                            (                            t                            )                            =                                       c                               1                                      +                                       c                               2                                      t                            +                                       c                               3                                                 t                               2                                      +                            ⋯                            +                                       c                               n                                                 t                                           n                                  −                                  1                                                 ,                                  p(t) = c_1 + c_2t + c_3t^2 + \cdots + c_nt^{n-1},                     p(t)=c1​+c2​t+c3​t2+⋯+cn​tn−1,
Vandermonde 矩阵可以用来表示多项式在多个点 (                                              t                            1                                  ,                                   t                            2                                  ,                         …                         ,                                   t                            m                                       t_1, t_2, \dots, t_m                  t1​,t2​,…,tm​ ) 的值。其矩阵形式为:
                                         y                            =                            A                            c                            ,                                  y = Ac,                     y=Ac,
其中:

直观理解

Vandermonde 矩阵的每一行表示一个点的多项式值序列,而将多项式系数与 Vandermonde 矩阵相乘,相当于同时对所有点进行多项式评估。

2. Vandermonde 矩阵的意义与作用

意义

Vandermonde 矩阵的结构在多项式盘算和插值问题中起到了焦点作用。它的意义在于提供了一种矩阵化的方式来处理多项式操作问题,大大简化了多点评估和插值过程。
作用


3. 编程中的应用

Vandermonde 矩阵的生成和操作在数值盘算中十分常见。以下是一些编程语言中的详细实现和应用场景。
生成 Vandermonde 矩阵

多项式插值

假设已知 (                                    y                              y                  y ) 值和插值点 (                                    t                              t                  t ),可以通过 Vandermonde 矩阵求解系数 (                                    c                              c                  c ):
  1. from numpy.linalg import solve
  2. # 已知插值点和对应值
  3. t = np.array([1, 2, 3])
  4. y = np.array([2, 3, 5])
  5. # 构造 Vandermonde 矩阵
  6. A = np.vander(t, N=3, increasing=True)
  7. # 求解多项式系数
  8. c = solve(A, y)
  9. print(c)
复制代码
输出的 (                                    c                              c                  c ) 即为多项式系数。

4. 现实应用场景


5. 结论

Vandermonde 矩阵是一种结构化矩阵,广泛用于多项式评估和插值问题。它通过矩阵化的方式简化了复杂的多点盘算,在数值分析、信号处理和呆板学习中有着重要的应用代价。在编程中,像 NumPy 或 MATLAB 这样强大的工具使得生成和操作 Vandermonde 矩阵变得非常简单高效。
通过深入理解 Vandermonde 矩阵的原理和用途,我们可以更加灵活地将其应用于现实问题中,从而提高盘算效率并简化复杂的数学操作。
英文版

Introduction to Vandermonde Matrix: Significance, Uses, and Programming Applications

The Vandermonde matrix is a structured matrix widely used in polynomial interpolation, evaluation, and linear algebra problems. Named after the French mathematician Alexandre-Théophile Vandermonde, it plays an important role in simplifying computations in both mathematical and programming contexts. In this blog, we will introduce the definition, significance, and applications of the Vandermonde matrix, along with examples of its practical use in programming.

1. What is a Vandermonde Matrix?

Definition

A Vandermonde matrix is a matrix generated from a set of given points. It takes the following form:
                                         A                            =                                       [                                                                                     1                                                                                                             t                                              1                                                                                                                            t                                              1                                              2                                                                                                            ⋯                                                                                                             t                                              1                                                               n                                                 −                                                 1                                                                                                                                                  1                                                                                                             t                                              2                                                                                                                            t                                              2                                              2                                                                                                            ⋯                                                                                                             t                                              2                                                               n                                                 −                                                 1                                                                                                                                                                  ⋮                                                                                                                                                                          ⋮                                                                                                                                                                          ⋮                                                                                                                                                          ⋱                                                                                                             ⋮                                                                                                                                                                                1                                                                                                             t                                              m                                                                                                                            t                                              m                                              2                                                                                                            ⋯                                                                                                             t                                              m                                                               n                                                 −                                                 1                                                                                                                ]                                      ,                                  A = \begin{bmatrix} 1 & t_1 & t_1^2 & \cdots & t_1^{n-1} \\ 1 & t_2 & t_2^2 & \cdots & t_2^{n-1} \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 1 & t_m & t_m^2 & \cdots & t_m^{n-1} \end{bmatrix},                     A=               ​11⋮1​t1​t2​⋮tm​​t12​t22​⋮tm2​​⋯⋯⋱⋯​t1n−1​t2n−1​⋮tmn−1​​               ​,
where:

For a polynomial written as:
                                         p                            (                            t                            )                            =                                       c                               1                                      +                                       c                               2                                      t                            +                                       c                               3                                                 t                               2                                      +                            ⋯                            +                                       c                               n                                                 t                                           n                                  −                                  1                                                 ,                                  p(t) = c_1 + c_2t + c_3t^2 + \cdots + c_nt^{n-1},                     p(t)=c1​+c2​t+c3​t2+⋯+cn​tn−1,
the Vandermonde matrix can represent the polynomial’s evaluation at multiple points. Specifically, in matrix-vector form:
                                         y                            =                            A                            c                            ,                                  y = Ac,                     y=Ac,
where:

Intuitive Explanation

Each row of the Vandermonde matrix represents the powers of a single point (                                              t                            i                                       t_i                  ti​ ), while multiplying the matrix by the coefficient vector (                                    c                              c                  c ) computes the polynomial values at all points (                                              t                            1                                  ,                                   t                            2                                  ,                         …                         ,                                   t                            m                                       t_1, t_2, \dots, t_m                  t1​,t2​,…,tm​ ).

2. Significance and Uses of Vandermonde Matrix

Significance

The Vandermonde matrix provides a structured and efficient way to handle polynomial operations, including evaluation, interpolation, and fitting. Its significance lies in its ability to simplify otherwise computationally intensive tasks.
Applications


3. Programming Applications

Generating a Vandermonde Matrix


Polynomial Interpolation

If you know the values (                                    y                              y                  y ) at specific points (                                    t                              t                  t ) and need to find the polynomial coefficients (                                    c                              c                  c ), you can solve the system (                                    A                         c                         =                         y                              Ac = y                  Ac=y ):
  1. from numpy.linalg import solve
  2. # Known points and values
  3. t = np.array([1, 2, 3])
  4. y = np.array([2, 3, 5])
  5. # Construct the Vandermonde matrix
  6. A = np.vander(t, N=3, increasing=True)
  7. # Solve for the coefficients
  8. c = solve(A, y)
  9. print(c)
复制代码
The output (                                    c                              c                  c ) contains the coefficients of the interpolating polynomial.

4. Real-World Applications


5. Conclusion

The Vandermonde matrix is a structured and powerful tool for polynomial evaluations and interpolations. By converting polynomial operations into matrix operations, it provides a clean and efficient approach to solving various mathematical and computational problems. With tools like NumPy and MATLAB, generating and applying Vandermonde matrices becomes straightforward, enabling their use in a wide range of fields such as engineering, machine learning, and signal processing.
Understanding the Vandermonde matrix not only helps simplify mathematical operations but also enhances your ability to apply it effectively in real-world scenarios.
后记

2024年12月20日13点46分于上海,在GPT4o大模型辅助下完成。

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