Введение

Полиномиальная последовательность

Полиномы Чебышева — это две последовательности полиномов, связанных с косинусом и синусом, обозначаемые как и . Они могут быть определены несколькими эквивалентными способами, один из которых начинается с тригонометрических функций:

Полиномы Чебышева первого рода определяются следующим образом:

Аналогично, полиномы Чебышева второго рода определяются следующим образом:

Тот факт, что эти выражения определяют полиномы, может быть не сразу очевиден, но следует из переписывания и с использованием формулы Муавра или повторного применения формул сложения углов для и . Например, формулы двойного угла, непосредственно вытекающие из формул сложения углов, могут быть использованы для получения и , которые являются соответственно полиномом от и полиномом от , умноженным на . Следовательно, и

Важное и удобное свойство полиномов Tn(x) заключается в их ортогональности относительно внутреннего произведения:

а полиномы Un(x) ортогональны относительно другого, аналогичного внутреннего произведения, приведенного ниже. Полиномы Чебышева Tn — это полиномы с максимально возможным старшим коэффициентом, абсолютная величина которых на интервале ограничена 1. Они также являются "экстремальными" полиномами для многих других свойств. В 1952 году Корнелиус Ланчос показал, что полиномы Чебышева важны в теории аппроксимаций для решения линейных систем; корни Tn(x), также называемые узлами Чебышева, используются в качестве точек сопоставления для оптимизации полиномиальной интерполяции. Полученный интерполяционный полином минимизирует проблему феномена Рунге и обеспечивает приближение, близкое к наилучшей полиномиальной аппроксимации непрерывной функции в максимальной норме, также называемой критерием "мини-макс". Это приближение непосредственно приводит к методу квадратур Кленшоу — Куртиса. Эти полиномы названы в честь Пафнутия Чебышева. Буква T используется из-за альтернативных транслитераций имени Чебышев как Tchebycheff, Tchebyshev (французский) или Tschebyschow (немецкий).

Симметрия

То есть, полиномы Чебышева четной степени обладают четной симметрией и, следовательно, содержат только четные степени x. Полиномы Чебышева нечетной степени обладают нечетной симметрией и, следовательно, содержат только нечетные степени x.

Замечание

По теореме эквиосцилляции, среди всех многочленов степени ≤ n, многочлен f минимизирует ошибку на [-1, 1] тогда и только тогда, когда существуют n + 2 точки −1 ≤ x0 < x1 < ⋯ < xn + 1 ≤ 1 такие, что |f(x)| = ε.
Конечно, нулевой многочлен на интервале [-1, 1] может быть приближен самим собой и минимизирует ∞-норму. Однако вышеуказанная функция достигает своего максимума только n + 1 раз, поскольку мы ищем наилучший многочлен степени n ≥ 1 (следовательно, ранее упомянутая теорема неприменима).

Полином в форме Чебышева

Произвольный многочлен степени N может быть представлен через многочлены Чебышева первого рода. Такой многочлен p(x) имеет вид:

Многочлены, представленные в форме Чебышева, могут быть вычислены с использованием алгоритма Кленшоу.