平面代数曲线上Birkhoff插值问题研究
Research on the Birkhoff Interpolation Problem on Plane Algebraic Curves
摘要: 本文以一元Birkhoff插值研究结果为基础,对二元Birkhoff插值泛函组的适定性问题进行了研究。通过提出弱Gröbner基的概念及其发现其性质,提出了一种利用两条不同次数代数曲线相交的点,构造出二元Birkhoff插值问题适定泛函组的新方法,从而将该方法所得到的结果推广到一般情形。并得到了构造平面代数曲线二元Birkhoff插值适定泛函组的一般性方法和实用性较强的理论,最后给出了具体实验算例,对所得研究结论给予了验证。
Abstract: This paper takes the research results of univariate Birkhoff interpolation as its foundation to study the stability problem of two-dimensional Birkhoff interpolation generalized function sets. By introducing the concept and properties of weak Gröbner bases, a new method is obtained which utilizes the intersection of any two arbitrary algebraic curves to construct the two-dimensional Birkhoff well-posed interpolation functional systems. This method extends the research direction’s findings to general cases, providing a general approach and practical theory for constructing planar algebraic curve well-posed interpolation functional systems. Finally, specific experimental examples are provided to validate the research conclusions obtained.
文章引用:徐照强, 谭雅文, 崔利宏. 平面代数曲线上Birkhoff插值问题研究[J]. 应用数学进展, 2025, 14(1): 98-104. https://doi.org/10.12677/aam.2025.141013

1. 引言

1906年,数学家Birkhoff [1]提出了一类更广泛的多项式插值问题,其典型特征是某些插值结点上的微分条件是不连续的问题。之后其又对Hermite-Birkhoff插值问题做了深入的研究,正是这种问题的不连续性使之变得更加复杂,该问题被称为Birkhoff插值问题。1992年Lorentz [2]进一步提出了多元Birkhoff插值格式方法。Birkhoff插值有着广泛的应用背景,例如微分方程边值问题的求解、有限元的构造等等,此外它也是解决应用密码学的分级秘密共享问题的重要工具之一。2008年,崔利宏等在[3]中对二元Birkhoff插值泛函组适定性问题进行了研究。近几年研究学者们更加关注于适定性的判断和插值基的求解问题。

本文基于一元Birkhoff插值适定泛函组的研究成果,致力于探讨平面代数曲线上二元Birkhoff插值泛函组的适定性问题。通过提出弱Gröbner基的概念及其发现其性质,提出了一种利用两条不同次数代数曲线相交的点,构造出二元Birkhoff插值问题适定泛函组的新方法。最后给出一个一般算例,进一步验证提出的方法。

2. 相关定义

定义2.1 [4] 一个多元Birkhoff 插值格式( E , P s )由如下3个部分构成:

(1) 一个结点集 Z = { z q } q = 1 m = { ( x q , 1 , , x q , d ) } q = 1 m

(2) 一个插值空间 P s = { p | p ( z ) = p ( x 1 , , x d ) = i S a i x 1 j 1 x d j d }

(3) 一个关联矩阵E (实际上是一个 d + 1 维数组) = ( e q , α ) q = 1 , , m α S ,其中 e q , α = 0 或1。

对任意给定的n + 1实数 c q , α ,对于 q α 应有 e q , α = 1 ,Birkhoff插值问题是找到一个一个多项式 p P s ,使之满足插值条件:

α 1 + + α d x 1 α 1 x d α d p ( z q ) = c q , α

对于那些 e q , α = 1 的( q , α )成立。

定义2.2 [4] k N μ N + ,定义

d n , μ ( k ) = ( n + 2 2 ) ( n ( μ + 1 ) k + 2 2 ) = { 1 2 ( n + 1 ) ( n + 2 ) n < ( μ + 1 ) k , 1 2 k ( μ + 1 ) [ 2 n + 3 ( μ + 1 ) k ] n > ( μ + 1 ) k ,

其中 e n , r ( k ) = ( n r k ) k ( k 1 2 ) + 1 。考虑平面上的一条k次无重复分量代数曲线 q ( x , y ) = 0 ,以及定义该代数曲线上的一个Birkhoff插值泛函组 B = { Q i ( r ) | i = 1 , , e n , r ( k ) ; r = 0 , , μ } 。对于任意指定的实数集 { f i ( r ) | i = 1 , , e n , r ( k ) ; r = 0 , , μ } ,若存在一个多项式 p ( x , y ) P n ( 2 ) ,使之满足如下插值条件:

r τ r p ( Q i ( r ) ) = f i ( r ) i = 1 , , e n , r ( k ) ; r = 0 , , μ ,

此处 r τ r p ( Q i ( r ) ) 表示在曲线 q ( x , y ) = 0 上泛函组B中定义的点 Q i ( i = 1 , , e n , r ( k ) ) 处沿该曲线r阶的法向导数。若对于任何指定的数组 { f i ( r ) i = 1 , , e n ( r ) ; r = 0 , , μ } ,方程组 r τ r p ( Q i ( r ) ) = f i ( r ) 总能求得一组解,则称为 B = { Q i ( r ) i = 1 , , e n ( r ) ; r = 0 , , μ } 是沿平面k次代数曲线 q ( x , y ) = 0 的一个nr阶Birkhoff插值适定泛函组,并标记为 B I n , r ( 2 ) ( q ) ,其中 I n , r ( 2 ) ( q ) 表示位于曲线 q ( x , y ) = 0 上的所有nr阶Birkhoff插值适定泛函组构成的集合。

引理2.1 [5] 假设 B = { Q i ( r ) r = 0 , , 1 ; i = 1 , , e n , r ( k ) } 是一个Birkhoff插值适定泛函组,其定义在一条k次无重复分量代数曲线 q ( x , y ) = 0 上,那么B能够做成沿 q ( x , y ) = 0 n次0阶Birkhoff插值适定泛函组的充分必要条件是:对于任意符合齐次Birkhoff插值条件 r τ r p ( Q i ( r ) ) = 0 ( r = 0 ; i = 1 , , e n , r ( k ) ) 的多项式 p ( x , y ) P n ( 2 ) ,都可以被成分解

p ( x , y ) = q ( x , y ) r ( x , y ) ,

其中 r ( x , y ) P n k ( 2 )

3. 定理及其证明

定理1 设一个k次无重复分量代数曲线 q ( x , y ) = 0 和一个l次代数曲线 p ( x , y ) = 0 恰好在 l k 个点上相交, l k 相交点记为集合C。若 { p , q } 是关于理想 I = p , q 的弱Gröbner基,有 B I n , r ( 2 ) ( q ) ( n k 2 ) 并且满足条件 B C = 。则有

B C I n + l , r ( 2 ) ( q ) .

(在此情形下,仅讨论 r = 0 的情形,即证明此时 B C 一定可以构成该曲线关于 P n + l ( 2 ) 的一个Birkhoff插值适定泛函组。)

定理2 假设一个k次代数曲线 q ( x , y ) = 0 和一个圆锥曲线 p ( x , y ) = 0 恰相交于2k个相异点 C = { Q i } i = 1 2 k ,而 B I n ( 2 ) ( q ) ( n k 2 ) 并且 B C = ,则有

B C I n + 2 ( 2 ) ( q )

引理3.1 [6] (弱Gröbner基)假设 p i K [ x 1 , , x s ] , i = 1 , , m , deg p i = l i I = p 1 , , p m 。如果对于每个多项式 p I P n ( s ) ,能找到多项式 α i K [ x 1 , , x s ] , i = 1 , , m ,使得

p = i = 1 m α i p i

成立。 deg α i n l i , i = 1 , , m 。则称多项式集合 { p 1 , , p m } 是关于 I = p 1 , , p m 的弱Gröbner基。

定理1的证明 设定在论证阶段采用的所有多项式均按分次字典序从高到低排列。由定义2.2知,当 n k 2 r = 0 时,而 B C 中所含的条件数为 ( n r k ) k ( k 1 2 ) + l k ,当 r = 0 时, B C 的条件个数为

1 2 k ( 2 n + 3 k ) + l k = 1 2 k [ 2 ( n + l ) + 3 k ]

这正好等于沿曲线 q ( x , y ) = 0 n + l 次0阶插值适定泛函组中所含的条件数。

假设存在多项式 g ( x , y ) I P n + l ( 2 ) ,满足条件 B C = { Q i ( r ) | i = 1 , , e n , r ( k ) ; r = 0 }

g ( Q i ( r ) ) = 0 .

由于 { p , q } 是关于 I = p , q 的弱Gröbner基,根据引理3.1知,可以找到多项式 α ( x , y ) P n ( 2 ) , β ( x , y ) P n + l k ( 2 ) 使得下式成立:

g ( x , y ) = α ( x , y ) p ( x , y ) + β ( x , y ) q ( x , y ) (3.1)

由于对任意 Z i ( r ) B g ( Z i ( r ) ) = 0 ,则由(3.1)式知, α ( Z i ( r ) ) p ( Z i ( r ) ) = 0 。但 p ( Z i ( r ) ) 0 ,故 α ( Z i ( r ) ) = 0 。又由于 B I n , r ( 2 ) ( q ) α ( x , y ) P n ( 2 ) ,则由引理3.1知,存在多项式 r 1 ( x , y ) P n k ( 2 ) ,使得下式成立:

α ( x , y ) = q ( x , y ) r 1 ( x , y ) (3.2)

将(3.2)式代入(3.1)式得

g ( x , y ) = q ( x , y ) r ( x , y ) ,

其中 r ( x , y ) = r 1 ( x , y ) p ( x , y ) + β ( x , y ) ,且 r ( x , y ) P n + l k ( 2 ) 。证毕。

定理2的证明

1) 可约情形处理:

如果 p ( x , y ) 是可以分解为多项式乘积时,能通过重复使用两次添加平面代数曲线法,从而得证定理2。

2) 不可约假设下的推导:

假设 p ( x , y ) 为不可约的多项式,并有

p ( x , y ) = a 0 ( x ) y 2 + a 1 ( x ) y + a 2 ( x ) , (3.3)

其中 a j ( x ) ( j = 0 , 1 , 2 )为关于xj次多项式。设 C = { Q i } i = 1 2 k = { ( x i , y i ) } i = 1 2 k ,这里不妨假设 x 1 , , x 2 k 是相异的(否则可以通过坐标变换在新的坐标系下证明结论)。用 q ( x , y ) 除以 p ( x , y ) 得到

q ( x , y ) = p k 2 ( x , y ) p ( x , y ) + r k ( x , y ) (3.4)

其中

r k ( x , y ) = y p k 1 ( x ) + p k ( x ) (3.5)

也就是说,对于任何 x i ( i = 1 , , 2 k )都有 p k 1 ( x i ) 0 。原因是如果存在某个 i 0 1 i 0 2 k ,使得 p k 1 ( x i 0 ) = 0 ,那么 p k ( x i 0 ) = 0 。这意味着 r k ( x , y ) = ( x x i 0 ) r k 1 ( x , y ) ,且 deg r k 1 ( x , y ) k 1 。因此, r k 1 ( x , y ) = 0 p ( x , y ) = 0 相交于 2 k 1 个相异点。由Bezout定理可知, q ( x , y ) = 0 p ( x , y ) = 0 必定相交于无穷多个点,这与定理的条件矛盾。同理, p k 1 ( x ) p k ( x ) 也没有公因子。因此, r k ( x , y ) 是一个k次不可约多项式。

使用文献[7]中的伪除法,用 p ( x , y ) r k ( x , y )

p k 1 2 ( x ) p ( x , y ) = p k ( x , y ) r k ( x , y ) + s 2 k ( x ) , (3.6)

其中

p k ( x , y ) = [ a 0 ( x ) y + a 1 ( x ) ] p k 1 ( x ) a 0 ( x ) p k ( x ) , deg p k ( x , y ) k , (3.7)

s 2 k ( x ) = a 0 ( x ) p k 2 ( x ) a 1 ( x ) p k ( x ) p k 1 ( x ) + a 2 ( x ) p k 1 2 ( x ) , deg s 2 k ( x ) 2 k . (3.8)

可知 s 2 k ( x ) 0 ,如果 s 2 k ( x ) = 0 ,那么(3.6)式的右端必含有 r k ( x , y ) 关于y的一次不可约因子,然而(3.6)式的左端仅存在 p ( x , y ) 含有关于y的二次不可约因子,这将导致矛盾,故 s 2 k ( x ) 0 ,从(3.4)式和(3.6)式可知,对于任意 x i ( i = 1 , , 2 k ) s 2 k ( x i ) = 0 ,因此,存在一个非零常数c,使得

s 2 k ( x ) = c ( x x 1 ) ( x x 2 k ) .

I = p , q ,则对任何 g ( x , y ) I n ( 2 ) 的多项式 g ( x , y ) ,我们可以用 g ( x , y ) 除以 p ( x , y ) 得到

g ( x , y ) = p n 2 ( x , y ) p ( x , y ) + y p n 1 ( x ) + p n ( x ) . (3.9)

将(3.9)式两端同乘 p k 1 ( x ) ,并结合(3.5)式可以得

p k 1 ( x ) g ( x , y ) = p n + k 1 ( x , y ) + p n + k 1 ( x ) , (3.10)

这里

p n + k 1 ( x , y ) = p n 1 ( x ) r k ( x , y ) + p k 1 ( x ) p n 2 ( x , y ) p ( x , y ) , p n + k 1 ( x , y ) n + k 1 ( 2 ) ,

p n + k 1 ( x ) = p k 1 ( x ) p n ( x ) p k ( x ) p n 1 ( x ) , p n + k 1 ( x ) n + k 1 ( 2 ) .

因为对于任意 Q i { Q i } i = 1 2 k g ( Q i ) = 0 r k ( Q i ) = 0 p ( Q i ) = 0 ,根据(2.12)式可得

p n + k 1 ( x i ) = 0 ( i = 1 , , 2 k ) ,

这表明 p n + k 1 ( x ) 包含 s 2 k ( x ) 作为其因子,设其可表示为

p n + k 1 ( x ) = s 2 k ( x ) t n k 1 ( x ) , t n k 1 ( x ) n k 1 ( 2 ) . (3.11)

结合(3.6),(3.7),(3.10)和(3.11)四个式子可以得到

p k 1 ( x ) g ( x , y ) = p ˜ n 2 ( x , y ) p k 1 ( x ) p ( x , y ) + [ p ˜ n 1 ( x ) p ˜ n k ( x , y ) p k 1 ( x ) ] r k ( x , y ) , (3.12)

其中

p ˜ n 2 ( x , y ) = p n 2 ( x , y ) + t n k 1 ( x ) p k 1 ( x ) , p ˜ n 2 ( x , y ) n 2 ( 2 ) ,

p ˜ n 1 ( x ) = p n 1 ( x ) + a 0 ( x ) t n k 1 ( x ) p k ( x ) , p ˜ n 1 ( x ) n 1 ( 2 ) ,

p ˜ n k ( x , y ) = t n k 1 ( x ) [ a 0 ( x ) y + a 1 ( x ) ] , p ˜ n k ( x , y ) n k ( 2 ) .

由于 r k ( x , y ) 是一个k次不可约多项式,根据(3.12)式知, p ˜ n 1 ( x ) 可以被 p k 1 ( x ) 所整除。不妨设为

p ˜ n 1 ( x ) = p k 1 ( x ) r n k ( x ) , (3.13)

其中 r n k ( x ) n k ( 2 ) 。综合(3.4),(3.12)和(3.13)式,可以得到

g ( x , y ) = α ( x , y ) p ( x , y ) + β ( x , y ) q ( x , y ) , (3.14)

其中

α ( x , y ) = p ˜ n 2 ( x , y ) r n k ( x ) p k 2 ( x , y ) + p ˜ n k ( x , y ) p k 2 ( x , y ) , α ( x , y ) n 2 ( 2 ) ,

β ( x , y ) = r n k ( x ) p ˜ n k ( x , y ) , β ( x , y ) n k ( 2 ) .

由(3.14)式和引理1可知, { p , q } 是关于 I = p , q 的一个弱Gröbner基。从而由定理1知

B C I n + 2 0 ( 2 ) ( q ) .

定理2证毕。

例如一个2次无重复曲线 p ( x , y ) = x 2 + y 2 5 和一个2次代数曲线 q ( x , y ) = x 2 y 2 3 恰好相交于2个点记为 C = { ( 2 , 1 ) , ( 2 , 1 ) , ( 2 , 1 ) , ( 2 , 1 ) } B { ( 7 , 2 ) , ( 7 , 2 ) , ( 7 , 2 ) , ( 7 , 2 ) , ( 3 , 0 ) } I 2 , 0 ( 2 ) ( q ) ,且 B C = { p , q } 构成了关于理想 I = p , q 的弱Groebner基。根据定理1可知 B C 能够构成关于 P 3 ( 2 ) 的沿代数曲线 q ( x , y ) 一个三次Birkhoff插值适定泛函组。

于是,设 g ( x , y ) I P 3 ( 2 )

g ( x , y ) = a 1 x 2 + a 2 x y + a 3 y 2 + a 4 x + a 5 y + a 6 , (3.15)

q ( x , y ) n = q ( x , y ) x cos α + q ( x , y ) y sin α ,

然后,选取 Q 0 = ( 1 , 3 ) 的方向导数为 ( 1 10 , 3 10 ) ,即 cos α = 1 10 sin α = 3 10 。将上述点 ( 2 , 1 ) , ( 2 , 1 ) , ( 2 , 1 ) , ( 2 , 1 ) , ( 7 , 2 ) , ( 1 , 3 ) 代入(3.3)式中,能够得到以一个以 a 1 , a 2 , a 3 , a 4 , a 5 , a 6 为未知数的齐次线性方程组,其系数矩阵的行列式记为 det ( A )

因为 det ( A ) = 2112 0 可知,给定任意一个 { f ( x i , y i ) | i = 1 , , 10 } ,总能找到存在唯一的多项式 g ( x , y ) 满足插值条件。因此,该插值泛函组为Birkhoff插值适定泛函组。

若给定一实数组 { 1 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 } ,则可构造一个对应的方程组,并将其表示成矩阵形式 A X = B ,其中

A = [ 4 2 1 2 1 1 4 2 1 2 1 1 4 2 1 2 1 1 4 2 1 2 1 1 7 2 7 4 7 2 1 1 3 9 1 3 1 ] , X = [ a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 ] , B = [ 1 0 0 0 0 0 ]

解出方程组之后,可以得到多项式

g ( x , y ) = 0.125 x 2 + 0.875

其图像如图1所示。

Figure 1. Binary Birkhoff interpolation

1. 二元Birkhoff插值

4. 结论

本文首先介绍了平面代数曲线上的Birkhoff插值适定泛函组的相关定义与基本定理。利用弱Gröbner基的概念及其性质,提出了一种利用两条不同次数代数曲线相交的点来构造二元Birkhof插值适定泛函组的方法,并在文末提供了一个计算实例。这种方法基于两条代数曲线的交点来形成所需的Birkhoff插值适定泛函组,该方法在生产生活中有一定的实用价值。

NOTES

*通讯作者。

参考文献

[1] Birkhoff, G.D. (1906) General Mean Value and Remainder Theorems with Applications to Mechanical Differentiation and Quadrature. Transactions of the American Mathematical Society, 7, 107-136.
https://doi.org/10.1090/S0002-9947-1906-1500736-1
[2] Lorentz, R.A. (1992) Multivariate Birkhoff Interpolation. Springer Verlag.
https://doi.org/10.1007/BFb0088788
[3] 崔利宏, 杨爽. 二元Birkhoff插值泛函组适定性问题[J]. 吉首大学学报(自然科学版), 2008, 29(4): 14-17.
[4] 崔利宏. 多元切触插值某些问题的研究[D]: [博士学位论文]. 大连: 大连理工大学应用数学系, 2006.
[5] Lang, X.Z. and Lü, C.M. (1998) Properly Posed Set of Nodes for Bivariate Lagrange Interpolation. Approximation Theory IX, 2, 189-196.
[6] 崔利宏. 多元Lagrange插值与多元Kergin插值[D]: [博士学位论文]. 长春: 吉林大学, 2003.
[7] 杨路, 张景中, 侯晓荣. 非线性代数方程组与定理的机器证明[M]. 上海: 上海科技教育出版社, 1996.

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