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(
,
)由如下3个部分构成:
(1) 一个结点集
;
(2) 一个插值空间
;
(3) 一个关联矩阵E (实际上是一个
维数组)
,
,
,其中
或1。
对任意给定的n + 1实数
,对于
,
应有
,Birkhoff插值问题是找到一个一个多项式
,使之满足插值条件:
对于那些
的(
,
)成立。
定义2.2 [4] 设
,
,定义
其中
。考虑平面上的一条k次无重复分量代数曲线
,以及定义该代数曲线上的一个Birkhoff插值泛函组
。对于任意指定的实数集
,若存在一个多项式
,使之满足如下插值条件:
此处
表示在曲线
上泛函组B中定义的点
处沿该曲线r阶的法向导数。若对于任何指定的数组
,方程组
总能求得一组解,则称为
是沿平面k次代数曲线
的一个n次r阶Birkhoff插值适定泛函组,并标记为
,其中
表示位于曲线
上的所有n次r阶Birkhoff插值适定泛函组构成的集合。
引理2.1 [5] 假设
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
上,那么B能够做成沿
的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
的多项式
,都可以被成分解
,
其中
。
3. 定理及其证明
定理1 设一个k次无重复分量代数曲线
和一个l次代数曲线
恰好在
个点上相交,
相交点记为集合C。若
是关于理想
的弱Gröbner基,有
并且满足条件
。则有
.
(在此情形下,仅讨论
的情形,即证明此时
一定可以构成该曲线关于
的一个Birkhoff插值适定泛函组。)
定理2 假设一个k次代数曲线
和一个圆锥曲线
恰相交于2k个相异点
,而
(
) 并且
,则有
引理3.1 [6] (弱Gröbner基)假设
且
。如果对于每个多项式
,能找到多项式
,使得
成立。
。则称多项式集合
是关于
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
,
时,而
中所含的条件数为
,当
时,
的条件个数为
这正好等于沿曲线
的
次0阶插值适定泛函组中所含的条件数。
假设存在多项式
,满足条件
.
由于
是关于
的弱Gröbner基,根据引理3.1知,可以找到多项式
使得下式成立:
(3.1)
由于对任意
有
,则由(3.1)式知,
。但
,故
。又由于
,
,则由引理3.1知,存在多项式
,使得下式成立:
(3.2)
将(3.2)式代入(3.1)式得
其中
,且
。证毕。
定理2的证明
1) 可约情形处理:
如果
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
为不可约的多项式,并有
(3.3)
其中
(
)为关于x的j次多项式。设
,这里不妨假设
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
除以
得到
(3.4)
其中
(3.5)
也就是说,对于任何
(
)都有
。原因是如果存在某个
,
,使得
,那么
。这意味着
,且
。因此,
和
相交于
个相异点。由Bezout定理可知,
和
必定相交于无穷多个点,这与定理的条件矛盾。同理,
和
也没有公因子。因此,
是一个k次不可约多项式。
使用文献[7]中的伪除法,用
除
得
(3.6)
其中
(3.7)
. (3.8)
可知
,如果
,那么(3.6)式的右端必含有
关于y的一次不可约因子,然而(3.6)式的左端仅存在
含有关于y的二次不可约因子,这将导致矛盾,故
,从(3.4)式和(3.6)式可知,对于任意
,
,因此,存在一个非零常数c,使得
.
设
,则对任何
的多项式
,我们可以用
除以
得到
. (3.9)
将(3.9)式两端同乘
,并结合(3.5)式可以得
(3.10)
这里
.
因为对于任意
,
,
且
,根据(2.12)式可得
这表明
包含
作为其因子,设其可表示为
. (3.11)
结合(3.6),(3.7),(3.10)和(3.11)四个式子可以得到
(3.12)
其中
.
由于
是一个k次不可约多项式,根据(3.12)式知,
可以被
所整除。不妨设为
(3.13)
其中
。综合(3.4),(3.12)和(3.13)式,可以得到
(3.14)
其中
.
由(3.14)式和引理1可知,
是关于
的一个弱Gröbner基。从而由定理1知
.
定理2证毕。
例如一个2次无重复曲线
和一个2次代数曲线
恰好相交于2个点记为
,
,且
。
构成了关于理想
的弱Groebner基。根据定理1可知
能够构成关于
的沿代数曲线
一个三次Birkhoff插值适定泛函组。
于是,设
(3.15)
则
然后,选取
的方向导数为
,即
,
。将上述点
代入(3.3)式中,能够得到以一个以
为未知数的齐次线性方程组,其系数矩阵的行列式记为
。
因为
可知,给定任意一个
,总能找到存在唯一的多项式
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
,则可构造一个对应的方程组,并将其表示成矩阵形式
,其中
解出方程组之后,可以得到多项式
其图像如图1所示。
Figure 1. Binary Birkhoff interpolation
图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。