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/ NetNews Usenet Archive 1992 #16 / NN_1992_16.iso / spool / sci / math / numanal / 2314 < prev    next >
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Internet Message Format  |  1992-07-28  |  5.8 KB

  1. Path: sparky!uunet!cs.utexas.edu!ut-emx!ward.che.utexas.edu!jamull
  2. From: jamull@ward.che.utexas.edu (Tony Mullins)
  3. Newsgroups: sci.math.num-analysis
  4. Subject: Re: Question(s) on approximation using orthogonal polynomials
  5. Message-ID: <76703@ut-emx.uucp>
  6. Date: 28 Jul 92 13:11:54 GMT
  7. References: <l7a5e0INNkog@almaak.usc.edu>
  8. Sender: news@ut-emx.uucp
  9. Organization: UT Department of Chemical Engineering
  10. Lines: 137
  11.  
  12. In article <l7a5e0INNkog@almaak.usc.edu> ajayshah@almaak.usc.edu (Ajay Shah) writes:
  13. >I'm trying to use orthogonal polynomials to approximate the value
  14. >function of a dynamic programming problem.  I am having problems
  15. >choosing the right polynomial.
  16. >
  17. >I'm trying to approximate a function f(x), and x generally takes
  18. >values from roughly -10 to +200.  But the theory of this problem says
  19. >that x is unbounded in the +ve direction.
  20. >
  21. >I plan to evaluate the fourier coefficients of the approximation rule
  22. >using quadrature, so if I use N points in the rule, that gives me the
  23. >N values of x at which I need to evaluate f(x).
  24. >
  25. >1. It still seems like black magic to me that out of N values of f(x),
  26. >I am getting a approximation rule which claims to know f(x)
  27. >everywhere.  What are the caveats of such a claim?
  28.  
  29. The approximation rule does not "know" the function everywhere.  It
  30. merely interpolates the function between the N values of f(x).  You
  31. may be referring to the well-known result that quadrature rules based
  32. on certain classes of orthogonal polynomials can INTEGRATE a certain
  33. degree polynomial EXACTLY.  If your function magically happens to be
  34. truly a polynomial of that order then the quadrature rule will
  35. integrate your function exactly.  Since you are merely choosing to
  36. approximate your unknown function as a polynomial, it is unlikely that
  37. this result will hold for your function exactly.  It will hold for the
  38. approximating polynomial.
  39.  
  40. This result seems counterintuitive, but the weights are chosen in such
  41. a way to guarantee this property.
  42.  
  43. >2. What weight function and orthogonal polynomial should I use?  The
  44. >approximation theory says that the error of the truncated summation is
  45. >minimised in a least squares sense with respect to the weight
  46. >function.  Because I may never need to calculate f(x) for x outside
  47. >[-10, 200], is it theoretically correct to just use a Legendre
  48. >polynomial or a Chebyshev polynomial, using a simple scaling to
  49. >convert [-1, 1] into [-10, 200]?
  50.  
  51. Selection of the weight function is usually made on the basis of some
  52. knowledge of the form of your function.  For example, in the numerical
  53. solution of batch crystallizer models the steady-state solutions take
  54. on decaying exponential form with superimposed transients.  Since the
  55. Laguerre family of polynomials are orthogonal with respect to an
  56. exponential weight they make a good choice for this problem.  The
  57. integrations are much simpler.
  58.  
  59. In other cases, people merely view the weight function as a means to
  60. affect the placement of the roots of the approximating polynomial.
  61. For example, if your data are concentrated at one end of the x-domain
  62. you may wish to concentrate the roots of the polynomial in the region.
  63.  
  64. >
  65. >3. How does one choose between Legendre and Chebyshev?  Legendre has a
  66. >weight function w(x) = 1, which makes sense to my approximation needs.
  67. >Chebyshev has the attractive property of lower computational cost and
  68. >smaller error.
  69.  
  70. For most run of the mill problems, the family of Jacobi polynomials,
  71. of which Legendre and Chebyshev are special cases, are suitable.
  72. Among other considerations, the placement of the roots is different.
  73. See above discussion.
  74. >
  75. >4. What are the pitfalls of extracting derivatives out of the
  76. >approximation?
  77.  
  78. The pitfalls are the same as with any derivative extraction technique,
  79. except they are somewhat mitigated by the fact that the polynomial
  80. approximation is essentially a curve fit and smoothing of the data.
  81. One nice advantage of this technique is that the 1st and 2nd
  82. derivative weight matrices may be had with little computational
  83. effort.  This idea is used in orthogonal collocation to compute
  84. solutions differential equations all the time.  For some good
  85. references see:
  86.  
  87. @article{Villadsen:Stewart:67,
  88.   author = "Villadsen, John V. and Stewart, Warren E.",
  89.   title = "Solution of Boundary-value Problems by Orthogonal Collocation",
  90.   journal = "Chemical Engineering Science",
  91.   volume = "22",
  92.   pages = "1483-1501",
  93.   year = "1967",
  94.   file = "Numerical Analysis"    }
  95.  
  96. @book{Finlayson:72,
  97.   author = "Finlayson, Bruce A.",
  98.   title = "Method of Weighted Residuals and Variational Principles: with {A}pplication in {F}luid {M}echanics, {H}eat and {M}ass {T}ransfer",
  99.   publisher = "Academic Press",
  100.   address = "New York",
  101.   year = "1972",
  102.   isbn = "0-12-257050-2",
  103.   file = "office",
  104.   series = "Mathematics in Science and Engineering",
  105.   volume = "87"    }
  106.  
  107. >
  108. >5. If I must use the Laguerre polynomial, which is defined on 
  109. >[0, infinity], then where do I find out the recurrence relation 
  110. >for evaluating it?
  111.  
  112. The consummate reference for this type of thing is:
  113.  
  114. @book{Abramowitz:Stegun:72 ,
  115.     editor = "Abramowitz, Milton and Stegun, Irene A." ,
  116.     publisher = "Dover Publications, Inc." ,
  117.     title = "Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables" ,
  118.     year = "1972"    }
  119.  
  120. Another excellent reference that contains all the basic information
  121. and classical results on orthogonal polynomial approximation is
  122.  
  123. @book{Davis:75,
  124.   author = "Davis, Philip J.",
  125.   title = "Interpolation \& Approximation",
  126.   publisher = "Dover Publications, Inc.",
  127.   address = "New York",
  128.   year = "1975",
  129.   isbn = "0-486-62495-1"    }
  130.  
  131. Both of these books are inexpensive and available in paperback.  Would
  132. you expect anything else from Dover?
  133.  
  134. >
  135. >Thanks,
  136. >
  137. >        -ans.
  138. >
  139. >
  140. >-- 
  141. >Ajay Shah, (213)749-8133, ajayshah@usc.edu
  142.  
  143.  
  144. -- 
  145. Tony Mullins (jamull@che.utexas.edu)
  146. Dept. of Chemical Engineering, CPE 5.438
  147. University of Texas - Austin
  148. Austin, TX  78712-1062
  149.