数学建模插值方法

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数学建模数学实验插值及案例

数学建模数学实验插值及案例

数学建模数学实验插值及案例

在科学研究和工程实践中,数学建模扮演着至关重要的角色。通过建立数学模型,我们可以对现实世界的现象进行模拟和预测。其中,插值方法是一种重要的数学建模工具,用于估计在给定数据点之间的未知值。本文将探讨插值方法的基础理论以及一个具体的数学实验案例。插值方法是一种数学技术,通过在给定的数据点之间估计未知的值。最常用的插值方法包括线性插值、多项式插值和样条插值等。线性插值是最简单的插值方法,它将数据点之间的变化视为线性的,即变化率保持恒定。多项式插值方法则通过构建一个多项式函数来逼近数据点的变化趋势。样条插值则通过将数据点连接成平滑的曲线来进行插值。

本案例将利用多项式插值方法对房价进行预测。我们收集了一组房屋价格数据,包括房屋的面积、房龄、位置等信息。然后,我们使用多项式插值方法构建一个函数来描述房价与这些因素之间的关系。通过调整多项式的阶数,我们可以控制模型的复杂性。我们使用该模型来预测新的房价。

在本案例中,我们使用了200个样本数据进行训练,并使用另外100个数据点进行测试。我们发现,通过增加多项式的阶数,模型的预测

精度可以得到提高。然而,当阶数增加到一定程度后,模型的性能改善不再明显。我们还发现模型的预测结果对训练数据的分布非常敏感,对于分布偏离较大的新数据点,预测结果可能会出现较大误差。

通过本次数学实验,我们深入了解了插值方法在数学建模中的应用。在实际问题中,插值方法可以帮助我们更好地理解数据的变化趋势和预测未知的值。然而,插值方法也存在一定的局限性,如本实验中模型对训练数据分布的敏感性。未来工作中,我们可以尝试采用其他更加复杂的模型,如神经网络、支持向量机等来提高预测精度。我们还应充分考虑数据的分布特性,以提高模型的泛化能力。

数学建模插值与拟合

数学建模插值与拟合

数学建模插值与拟合

数据插值与拟合

插值与插值函数:已知由(可能未知或⾮常复杂)产⽣

的⼀批离散数据,且个互异插值节点

,在插值区间内寻找⼀个相对简单的函

数,使其满⾜下列插值条件:

再利⽤已求得的计算任⼀⾮插值节点的近似值

,这就是插值。其中称为插值函数,称为被插函数。

最⼩⼆乘拟合:已知⼀批离散的数据,

互不相同,寻求⼀个拟合函数,使与的误差平

⽅和在最⼩⼆乘意义下最⼩。在最⼩⼆乘意义下确定的称为最⼩⼆乘拟合函数。

1)Lagrange插值法

a.待定系数法:假设插值多项式

,利⽤待定系数法即可求得满⾜插

值条件的插值函数。关键在于确定待定系数。

b.利⽤基函数的构造⽅法⾸先构造个满⾜条件:

的次插值基函数,再将其线性组合即可得如下的Lagrange插值多项式:

其中

c.Lagrange插值余项

注:上述两种构造⽅法所得的Lagrange插值多项式是⼀样

的,即满⾜插值条件的Lagrange插值多项式是唯⼀的。

2)分段线性插值

作分段线性插值的⽬的在于克服Lagrange插值⽅法可能发⽣的不收敛性缺点。所谓分段线性插值就是利⽤每两个相邻插值节点作线性插值,即可得如下分段线性插值函数:

其中

特点:插值函数序列具有⼀致收敛性,克服了⾼次Lagrange插值⽅法的缺点,故可通过增加插值节点的⽅法提⾼其插值精度。但存在于节点处不光滑、插值精度低的缺点。

3)三次样条插值

三次样条插值的⽬的在于克服Lagrange插值的不收敛性和提⾼分段线性插值函数在节点处的光滑性。所谓三次样条插值⽅法就是在满⾜下列条件:

a.

b.在每个⼦区间上是三次多项式的三次样条函数中寻找满⾜如下插值条件:

数学建模插值方法

数学建模插值方法
f(x ) f(x 0 ) f[x ,x 0 ](x x 0 )
f[x ,x 0 ] f[x 0 ,x 1 ] f[x ,x 0 ,x 1 ](x x 1 )
f [ x , x 0 ,x n 1 ] f [ x 0 , x 1 ,x n ] f [ x , x 0 , x 1 ,x n ] ( x x n )
分段线性插值的余项
f(x)(x)R(x)Mh2
8
其中 Mmax f ''(x) axb
2021/10/10
27
(2) 分段抛物线插值(K=2) (3) 分段三次 Hermite 插值(K=3)
2021/10/10
23
例如 给定函数
fx11x2, 5x5,
取其等距节点 x i 5 1 i/n 0 ,( i 0 ,1 , ,n ) , 构造的
Lagrange插值多项式为
n
pn(x)
j0
1 1x2j li
x
当 n时,p n ( x ) 只能在 x 3.63 内收敛,而在这个区间
l4 (x ) (1 0 (x 2 2 )( ) 1 (0 x 4 4 ) )( (1 x 0 6 6 )( )( x 1 0 8 )8 ) 3 8 1 4 (x 2 )(x 4 )(x 6 )(x 8 )
2021/10/10
10
于是有

几种常用的插值方法

几种常用的插值方法

几种常用的插值方法

常用的插值方法包括线性插值、多项式插值、样条插值和径向基函数插值等,下面将依次介绍这些方法。

1.线性插值:

线性插值是最简单的插值方法之一,它假设函数在两个已知点之间的变化是线性的。对于给定的两个点(x0,y0)和(x1,y1),线性插值公式为:y=y0+(x-x0)*(y1-y0)/(x1-x0)

其中,y是需要插值的点对应的函数值,x是插值点的横坐标。

2.多项式插值:

多项式插值方法通过在给定的一组点上构建一个多项式函数来进行插值。常用的多项式插值方法包括拉格朗日插值和牛顿插值。

- 拉格朗日插值通过构建一个n次多项式来插值n+1个给定的点。具体来说,对于给定的n+1个点(x0, y0), (x1, y1), ..., (xn, yn),拉格朗日插值公式为:

y = Σ(yk * lk(x))

其中,lk(x)是拉格朗日基函数,计算公式为:

lk(x) = Π((x - xj) / (xi - xj)),(j ≠ i)

- 牛顿插值通过构建一个n次插值多项式来插值n+1个给定的点。具体来说,对于给定的n+1个点(x0, y0), (x1, y1), ..., (xn, yn),牛顿插值公式为:

y = Σ(Π(x - xj) / Π(xi - xj) * finDiff(yj))

其中,finDiff(yj)是每个节点的差商,计算公式为:

finDiff(yj) = (ΣΠ(xj - xi) * yj) / ΣΠ(xi - xj),(i ≠ j) 3.样条插值:

样条插值方法通过使用分段函数来逼近给定的一组点。常用的样条插

插值算法的介绍及其在数学建模中的应用

插值算法的介绍及其在数学建模中的应用

插值算法的介绍及其在数学建模中的应⽤

⽬录

插值算法的介绍及其在数学建模中的应⽤

%本⽂根据清风数学建模课程插值算法及相关资料总结⽽成,仅供学习使⽤

%本⽂参考了(),对介绍的顺序及内容进⾏了改进

%由于本⽂仅仅是简要介绍插值算法在建模中的应⽤,因此样条插值的可微性证明等各种复杂繁琐的部分在本⽂中不再引⼊

%本⽂仅介绍⼀维数据的插值,多维数据的插值⽅法与⼀维插值类似

⼀、插值的介绍及其作⽤

数模⽐赛中,常常需要根据已知的样本点进⾏数据的处理和分析,⽽有时候现有数据较少或数据不全,不⾜以⽀撑分析的进⾏,这时就需要使⽤插值法“模拟产⽣”⼀些新的但⼜⽐较靠谱的值来满⾜需求,这就是插值的作⽤。

%在直观上,插值就是找到⼀个连续函数使其经过每个样本点

%插值法还可⽤于短期的预测问题

(插值与拟合经常会被弄混,为了区分,这⾥简要介绍⼀下拟合:即找到⼀个函数,使得该函数在最⼩⼆乘的意义下与已知样本点的总体差别最⼩,该函数不⼀定要经过样本点。通常情况下,拟合要求已知样本点的数据较多,当数据较少时不适⽤)

⼆、插值法原理

三、插值法的分类

%注:下⾯的1、2、3、4 并⾮是并列关系,⼏个部分之间也有交叉,⽬的在于逐渐引出数学建模中最常⽤的两种插值⽅法:三次样条插值与三次埃尔⽶特插值。

1、普通多项式插值

多项式插值中,拉格朗⽇插值与⽜顿插值是经典的插值⽅法,但它们存在明显的龙格现象(下⾯会解释龙格现象),且不能全⾯反映插值函数的特性(仅仅保证了插值多项式在插值节点处与被插函数有相等的函数值)。

然⽽在许多实际问题中,不仅要求插值函数与被插值函数在所有节点处有相同的函数值,它也需要在⼀个或全部节点上插值多项式与被插函数有相同的低阶甚⾄⾼阶的导数值。 对于这些情况,拉格朗⽇插值和⽜顿插值都不能满⾜。因此,数学建模中⼀般不使⽤这两种⽅法进⾏插值,这⾥也不再介绍这两种⽅法。

数学建模 插值

数学建模  插值

2.2.4 三次样条插值
比分段线性插值更光滑
y

a
xi-1 xi
b
x
在数学上,光滑程度的定量描述是:函数(曲 线)的k阶导数存在且连续,则称该曲线具有k阶光 滑性. 光滑性的阶次越高,则越光滑.是否存在较低 次的分段多项式达到较高阶光滑性的方法?三次 样条插值就是一个很好的例子.
注意: 1. yi=interp1(x,y,xi),默认为分段线性插 值 2. yi=interp1(y,xi),在默认情况下,x变量 选择为1:n,其中n是向量y的长度
Method方法中有以下特点:
1. nearest,最邻近插值方法。这种方法在已知数 据的最邻近点设置插值点,对插值点的数值进 行四舍五入,对超出范围的数据点返回NaN。这 种方法速度最快,占用内存最小,但一般来说 误差最大,插值结果最不光滑。 2. linear,分段线性插值。该方法采用直Fra Baidu bibliotek将相邻 的数据点相连,对超出范围的数据点返回NaN。 这种方法在速度和误差之间取得了比较好的均 衡,其插值函数具有连续性,但在已知数据点 处的斜率一般都会改变,因此它不是光滑的。
y










O
x
已知 mn个节点
其中 互不相同,不妨设

插值法数学计算方法

插值法数学计算方法

插值法数学计算方法

插值法是一种数学计算方法,用于在已知数据点的基础上,通过构建

一条插值曲线来估计未知数据点的值。插值法可以应用于各种数学问题中,例如逼近函数、插值多项式、差值等。本文将详细介绍插值法的原理和常

见的插值方法。

一、插值法的原理

插值法的基本思想是通过已知数据点的函数值来构建一个函数表达式,该函数可以通过插值曲线来估计任意点的函数值。根据已知数据点的数量

和分布,插值法可以采用不同的插值方法来构建插值函数。

插值法的原理可以用以下几个步骤来描述:

1.收集已知数据点:首先,需要收集一组已知的数据点。这些数据点

可以是实际测量得到的,也可以是其他方式获得的。

2.选择插值方法:根据问题的特性和数据点的分布,选择适合的插值

方法。常见的插值方法包括拉格朗日插值法、牛顿插值法、埃尔米特插值

法等。

3.构建插值函数:通过已知数据点,利用选择的插值方法构建插值函数。这个函数可以拟合已知数据点,并通过插值曲线来估计未知数据点。

4.估计未知数据点:利用构建的插值函数,可以估计任意点的函数值。通过插值曲线,可以对未知数据点进行预测,获得相应的数值结果。

二、常见的插值方法

1.拉格朗日插值法:

拉格朗日插值法基于拉格朗日多项式,通过构建一个具有多项式形式

的插值函数来逼近已知数据点。插值函数可以通过拉格朗日基函数计算得到,式子如下:

P(x) = ∑[f(xi) * l(x)], i=0 to n

其中,P(x)表示插值函数,f(xi)表示已知数据点的函数值,l(x)表

示拉格朗日基函数。

2.牛顿插值法:

牛顿插值法基于牛顿差商公式,通过构建一个递归的差商表来逼近已

数据插值方法范文

数据插值方法范文

数据插值方法范文

数据插值是指利用已知数据点来估算或预测未知数据点的方法。在实

际应用中,数据插值常常用于填补缺失数据、估算缺失数据以及生成光滑

曲线等任务。本文将介绍常用的数据插值方法。

1.线性插值方法:

线性插值是数据插值的一种简单且常用方法。它假设在两个已知数据

点之间的未知数据点的取值是线性变化的。线性插值的计算公式可以表示为:

y=y1+(x-x1)*(y2-y1)/(x2-x1),其中x1和x2是已知数据点的位置,y1和y2是对应的取值,x是待插值点的位置,y是对应的待插值的值。

2.拉格朗日插值方法:

拉格朗日插值方法是一种高次插值方法。它通过构造一个多项式函数

来逼近已知数据点,然后利用多项式进行插值。拉格朗日插值的计算公式

可以表示为:

y = Σ(yi * L(xi)),其中xi和yi是已知数据点的位置和取值,

L(xi)是拉格朗日插值多项式的系数。

3.牛顿插值方法:

牛顿插值方法也是一种高次插值方法。与拉格朗日插值不同的是,牛

顿插值使用了差商的概念来构造插值多项式。牛顿插值的计算公式可以表

示为:

y=Σ(Di*ωi),其中Di是差商,ωi是权重。牛顿插值可以通过迭

代计算差商并更新权重来求解。

4.三次样条插值方法:

三次样条插值方法是一种光滑插值方法,其主要思想是以每两个已知

数据点为节点,通过拟合三次多项式来进行插值。三次样条插值的计算公

式可以表示为:

S(x) = ai + bi(x-xi) + ci(x-xi)^2 + di(x-xi)^3,其中ai、bi、ci、di是多项式的系数,xi是已知数据点的位置。

数学建模插值法

数学建模插值法

-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
51
问题
一水库上游河段降暴雨,根据预报测算上游流入水库的流量为 Q(t) (102立方米/秒) : t (时) 8 12 16 24 30 44 48 56 60 Q(t) 36 54 78 92 101 35 25 16 13
通过这个预报值,估计14 和 20 时上游流入水库的流量.
试作出该山区的地貌图和等高线图,并对几种插值方法进行比较。
X 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000 Y 1200 1130 1250 1280 1230 1040 900 500 700 1600 1320 1450 1420 1400 1300 700 900 850 2000 1390 1500 1500 1400 900 1100 1060 950 2400 1500 1200 1100 1350 1450 1200 1150 1010 2800 1500 1200 1100 1550 1600 1550 1380 1070 3200 1500 1550 1600 1550 1600 1600 1600 1550 3600 1480 1500 1550 1510 1430 1300 1200 980
ans = -0.6161
2021/5/23

插值法计算方法举例

插值法计算方法举例

插值法计算方法举例

插值法是一种数值逼近方法,用于在给定的一些数据点之间进行数值

求解。

插值法的基本思想是通过已知数据点的函数值来构建一个插值函数,

并利用该插值函数来估计未知数据点的函数值。以下是一些常见的插值方法。

1.线性插值:

线性插值是最简单的插值方法之一、假设我们有两个已知数据点 (x1, y1) 和 (x2, y2),我们想要在这两个数据点之间估计一个新的点的函数值。线性插值方法假设这两个点之间的函数关系是线性的,即 y = f(x)

= mx + c,其中 m 是斜率,c 是截距。通过求解这两个点的斜率和截距,我们可以得到插值函数的表达式,从而计算出新点的函数值。

2.拉格朗日插值:

拉格朗日插值是一种经典的插值方法,它利用一个多项式函数来逼近

已知数据点之间的关系。对于一组已知数据点 (x1, y1), (x2, y2), ..., (xn, yn),拉格朗日插值方法构建一个函数 L(x) 来逼近真实的函数

f(x)。L(x) 的表达式为 L(x) = y1 * L1(x) + y2 * L2(x) + ... + yn

* Ln(x),其中 Li(x) 是拉格朗日插值基函数,定义为Li(x) = Π(j=1

to n, j≠i) (x - xj) / (xi - xj)。通过求解 L(x) 的表达式,我们可

以计算出任意新点的函数值。

3.牛顿插值:

牛顿插值是另一种常用的插值方法,它是通过一个递推的过程来构建插值函数。对于一组已知数据点 (x1, y1), (x2, y2), ..., (xn, yn),牛顿插值方法定义一个差商表,然后根据该表构建一个递推的多项式函数来逼近真实的函数 f(x)。差商表的计算使用了递归的方式,其中第 i 阶差商定义为 f[xi, xi+1, ..., xi+j] = (f[xi+1, xi+2, ..., xi+j] - f[xi, xi+1, ..., xi+j-1]) / (xi+j - xi)。通过求解差商表,并构建递推的多项式函数,我们可以计算出任意新点的函数值。

插值法的简化公式

插值法的简化公式

插值法的简化公式

插值法是一种用于在有限数据点之间插入未知点的数值方法。在数学中,我们可以使用插值法来建立函数模型,从而预测未知点的数值。插值法有许多种不同的形式,其中最常见的是线性插值、二次插值和三次插值等。

在应用插值法时,我们需要提供一组数据点,这些数据点通常被称为样本点。然后,我们使用插值法来插入未知点,以建立函数模型。在数学中,我们可以使用各种插值公式来计算未知点的数值。其中一种最常见的插值公式是线性插值公式,它用于在两个数据点之间插入未知点。

线性插值公式如下:

y = ax + b

其中,y 是我们要插入的未知点的数值,x 是我们提供的数据点之一,a 和 b 是常数,它们取决于我们所应用的插值法类型。

在实际应用中,线性插值公式通常不足以满足我们的需求,因为我们需要更多的插值精度来预测未知点的数值。因此,我们通常使用更高级的插值法,例如二次插值法和三次插值法。这些插值法通常可以提供更准确的插值结果,并且可以更好地适应数据点之间的变化趋势。

在应用插值法时,我们需要谨慎选择插值法类型,以确保我们的函数模型能够提供准确的预测结果。同时,我们也需要考虑到数据质量和数据点的数量,这些因素都会影响我们的插值结果。

数学建模插值和拟合问题的总结

数学建模插值和拟合问题的总结

插值和数据拟合

一、 插值方法

问题:已知n+1个节点(x j ,y j )(j=0,1,…,n),a=x 0<x 1<…< x n =b ,求任一插值点x*处的插值y*

方法:构造一个相对简单的函数y=f(x),使得f 通过所有节点,即f(x j )= y j ,再用y=f(x)计算x*的值。

1. 拉格朗日多项式插值

设f(x)是n 次多项式,记作

1110()n n n n n L x a x a x a x a --=++++

要求对于节点(,)j j x y 有

(),0,1,,n j j L x y j n ==

将n+1个条件带入多项式,就可以解出多项式的n+1个系数。 实际上,我们有n 次多项式

011011()()()()

()()()()()

i i n i i i i i i i n x x x x x x x x l x x x x x x x x x -+-+----=

----

满足

1,()0,,,0,1,,i j i j

l x i j i j n =⎧=⎨

≠=⎩

0()()n

n i i i L x y l x ==∑

就是所要的n 次多项式,称为拉格朗日多项式。由拉格朗日多项

式计算的插值称为拉格朗日插值。 一般来讲,并不是多项式的阶数越高就越精确,一般采用三阶、二阶或一阶(线性)多项式,对相邻点进行分段插值。

2. 样条插值

在分段插值时,会造成分段点处不光滑,如果要求在分段点处光滑,即不仅函数值相同,还要一阶导数和二阶导数相同,则构成

三阶样条插值。

一般用于曲线绘制,数据估计等。 例 对21

数学建模——插值

数学建模——插值

插值

实验目的

1、了解插值的基本内容。

2、掌握用数学软件包求解插值问题。实验内容

[1]一维插值

[2]二维插值

[3]实验作业

拉格朗日插值

分段线性插值

三次样条插值

维插值

一、插值的定义二、插值的方法

三、用Matlab 解插值问题

返回

返回

二维插值

一、二维插值定义二、网格节点插值法

三、用Matlab 解插值问题

最邻近插值分片线性插值双线性插值

网格节点数据的插值散点数据的插值

构造一个(相对简单的)函数),(x f y =通过全部节点, 即

)

,1,0()(n j y x f j j ==再用

)(x f 计算插值,即).

(*

*x f y =∙

∙∙∙

0x 1x n

x 0

y 1

y

*

x

*

y

返回

拉格朗日多项式插值的这种振荡现象叫Runge 现象

55,11

)(2

≤≤-+=x x

x g 采用拉格朗日多项式插值:选取不同插值节点个数n +1,其中n 为插值多项式的次数,当n 分别取2,4,6,8,10时,绘出插值结果图形.

返回

To Matlab lch(larg1)

To MATLAB xch11,xch12,xch13,xch14

返回

66,11

)(2

≤≤-+=x x

x g 例

用分段线性插值法求插值,并观察插值误差.

1.在[-6,6]中平均选取5个点作插值(xch11)4.在[-6,6]中平均选取41个点作插值(xch14)

2.在[-6,6]中平均选取11个点作插值(xch12)

3.在[-6,6]中平均选取21个点作插值(xch13)

66,11

)(2

≤≤-+=x x

x g 用三次样条插值选取11个基点计算插值(ych)

插值法公式

插值法公式

插值法公式

1. 什么是插值法?

插值法是一种通过已知数据点之间的曲线进行估算或推测的数值方法。它可以用来估计缺失点的数值,或者通过已知数据点之间的曲线来做出预测。插值法在数学、统计学、计算机科学和工程等领域都有广泛的应用。

2. 常用的插值法

在插值法中,有多种算法可供选择,下面介绍几种常用的插值法。

2.1 线性插值法

线性插值法是一种简单但常用的插值法。它假设两点之间的曲线是一条直线,根据已知的两个点(x₁, y₁)和(x₂, y₂)之间的线性关系,可以推断出任意两点之间的数值。线性插值法的公式如下:

y = y₁ + (y₂ - y₁) / (x₂ - x₁) * (x - x₁)

其中,y是待估算的数值,x是已知的数据点。

2.2 拉格朗日插值法

拉格朗日插值法是一种常用的多项式插值法。它利用已知的数据点构造一个多项式,并通过该多项式来估算任意点的数值。拉格朗日插值法的公式如下:

L(x) = ∑[i=0~n] yᵢ * Lᵢ(x)

其中,L(x)表示估算值,yᵢ表示已知数据点的y值,Lᵢ(x)表示拉格朗日基函数,定义如下:

Lᵢ(x) = ∏[j=0~n, j≠i] (x - xₓ₊₀₋₀ⱼ) / (xₓ₊₀₋₀ᵢ - xₓ₊₀₋₀ⱼ)

在这里,n是已知数据点的数量,xₓ₊₀₋₀ⱼ是第j个已知数据点的x值。

2.3 三次样条插值法

三次样条插值法是一种更复杂的插值方法,它利用三次多项式来逼近已知数据点之间的曲线。三次样条插值法的公式如下:

S(x) = aⱼ(x - xₓ₊₂₋₂)³ + bⱼ(x - xₓ₊₂₋₂)² + cⱼ(x - xₓ₊₂₋₂) + dⱼ

几种常用高程插值方法的比较 数学模型

几种常用高程插值方法的比较 数学模型

几种常用高程插值方法的比较数学模型

高程插值是通过已知的高程数据点来预测未知点的高程。一种好的插值方法应该能够准确地预测出未知点的高程,同时也要考虑到计算的复杂度和数据的可用性。以下是几种常用的高程插值方法的比较。

1.线性插值法:线性插值法是一种简单的插值方法,它基于两点之间的线性关系进行插值。这种方法适用于数据点分布均匀且密集的情况下,但在数据点分布不均的情况下,插值精度可能会受到影响。

2.克里金插值法:克里金插值法是一种基于地质统计学的插值方法,它考虑了空间自相关性和变异性,通过权重系数来计算未知点的高程。这种方法适用于数据点分布不均的情况下,但计算复杂度相对较高。

3.径向基函数插值法:径向基函数插值法是一种通过构建径向基函数来对数据进行插值的方法。它具有较高的插值精度和较好的稳定性,但计算复杂度也相对较高。

4.样条插值法:样条插值法是一种通过构建样条函数来对数据进行插值的方法。它具有较好的连续性和平滑性,但可能会受到边界效应的影响。

综上所述,不同的高程插值方法各有优缺点,应根据具体情况选择适合的插值方法。

数值分析中的插值方法

数值分析中的插值方法

数值分析中的插值方法

在数值分析中,插值是一种通过在已知数据点之间估计未知数据点的方法。它是一种常见的数据处理技术,用于填补数据间的空白,揭示数据间的关联性,或者建立数据模型。在本文中,我们将讨论数值分析中的几种常见的插值方法。

一、拉格朗日插值

拉格朗日插值是一种基于多项式的插值方法。假设有n个离散数据点,我们想要在这些点之间插值得到未知数据点的值。拉格朗日插值可以通过构建一个n次多项式来实现。

例如,给定三个数据点(x0, y0),(x1, y1),(x2, y2),我们可以假定插值多项式为:

P(x) = y0 * L0(x) + y1 * L1(x) + y2 * L2(x)

其中,L0(x),L1(x),L2(x)是拉格朗日插值多项式的基函数,由以下公式得到:

L0(x) = (x - x1) * (x - x2) / ((x0 - x1) * (x0 - x2))

L1(x) = (x - x0) * (x - x2) / ((x1 - x0) * (x1 - x2))

L2(x) = (x - x0) * (x - x1) / ((x2 - x0) * (x2 - x1))

利用这些基函数,我们可以得到插值多项式P(x),从而计算出未知点的值。

二、牛顿插值

牛顿插值是另一种常见的插值方法,也是基于多项式的。与拉格朗

日插值不同的是,牛顿插值使用了差商的概念来构建插值多项式。

差商是一种表示数据间差异的指标,它可以用于计算插值多项式的

系数。对于n个数据点,差商可以由以下递归公式计算得到:f[x0] = f(x0)

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1 (x4)(x6)(x8)(x10) 3(x2)(x6)(x8)(x10)
384
96
5(x2)(x4)(x8)(x10) 4(x2)(x4)(x6)(x10)
64
96
1 (x2)(x4)(x6)(x8) 384
a
11
function yi=lagrcz(x,y,xi) n=length(x); m=length(xi); for s=1:m
Байду номын сангаас
a
6
引入记号 n 1 ( x i) ( x x 0 )x (x 1 ) ( x x n ),
易证 n 1 ( x i ) ( x i x 0 ) ( x i x i 1 ) x i ( x i 1 ) ( x i x n ),
从而Lagrange插值多项式可表示为
a
5
三、Lagrange插值法
(1)Lagrange插值多项式可以表示为
n
Pn (x) yili (x) i0
li( x ) ( x ( i x x x 0 0 ) ) L L ( ( x x i x x i i 1 1 ) ) ( ( x x i x x i i 1 1 ) ) L L ( ( x x i x n x ) n ),i 0 ,1 ,L n
a
9
l 1 ( x ) ( ( 4 x 2 2 ) ) ( ( 4 x 6 6 ) ) ( ( 4 x 8 8 ) ) ( ( 4 x 1 1 0 0 ) ) 9 1 6 ( x 2 ) ( x 6 ) ( x 8 ) ( x 1 0 ) l2 ( x ) ( ( x 6 2 2 ) ) ( ( 6 x 4 4 ) ) ( ( 6 x 8 8 ) ) ( ( 6 x 1 1 0 0 ) ) 6 1 4 ( x 2 ) ( x 4 ) ( x 8 ) ( x 1 0 ) l3 (x ) ( (x 8 2 2 ) )( (8 x 4 4 ) )( (8 x 6 6 ) )( (8 x 1 1 0 0 ) ) 9 1 6 (x 2 )(x 4 )(x 6 )(x 1 0 )
M
x
n
n
,
a0
a
a1
,
M
a
n
y0
b
y1
M
y
n
观察发现矩阵A是范德蒙矩阵,那么,由几代知识知道矩阵A 的行列式
为 Det(A) (xi xj) ,由定理中条件,插值结点为彼此互异的, 那么行 0jin
列式不为零.故由Cramer法则知线性代数方程组 Aa b 存在唯一解.
插值与拟合
a
1
前言
函数是多种多样的,在科研与工程实际中有的 函数表达式过于复杂而不便于计算,但又需要计算 多点的函数值;有的函数甚至给不出数学式子,只 能通过实验和测量得到一些离散数据(如某些点的 函数值和导数值)。面对这种情况,很自然的一个 想法就是构造某个简单的函数作为要考察的函数的 近似 。
Pn(xi) yi , i0,1,n.
a
4
证明: 设 P n a 0 a 1 x a 2 x2 La n xn , 其中 a0,a1,a2,Lan
为待定系数.利用插值条件 Pn(xi) yi ,我们得到一个线性代数方程
组 Aa b ,其中
1 x0 L
A
1 M
x1 M
L L
1 x n L
x0n x1n
如果要求近似函数满足给定的离散数据,则称之 为插值函数。实用上,我们常取结构相对比较简单 的代数多项式作为插值函数,这就是所谓的代数插值。
a
2
插值部分
一、问题提出
设 x0, x1L xn 为给定的节点,yi f(xi),i0,1,n 为相应的函数值,求一个次数不超过 n的多项式 Pn (x), 使其满足
yi(s)=0; for i=1:n
w(i)=1; dw(i)=1; for j=1:n
if (j~=i) w(i)=(xi(s)-x(j))*w(i); dw(i)=(x(i)-x(j))*dw(i);
end end yi(s)=y(i)*w(i)/dw(i)+yi(s); end end
a
12
6
Pn(x)i n0yi (xxn i) 1(n x)1(xi)
a
7
(2)插值误差估计
定理2 设 f (n) (x) 在[a, b] 上连续,f (n1) (x)在 (a, b) 内存在,
节点 ax0x1 xnb ,Pn ( x) 是拉格朗日插值多项 式,则对任意 x[a,b] , 插值余项
R n(x)f(x)P n(x)f(n (n 1)1 ())!n 1(x) 其中(a,b)且依赖于 x.
l4 (x ) (1 0 (x 2 2 )( )1 (0 x 4 4 ) )( (1 x 0 6 6 )( )( x 1 0 8 )8 ) 3 1 8 4 (x 2 )(x 4 )(x 6 )(x 8 )
a
10
于是有
P 4 ( x ) y 0 l 0 ( x ) y 1 l 1 ( x ) y 2 l 2 ( x ) y 3 l 3 ( x ) y 4 l 4 ( x )
5
4
3
2
1
0
2
3
4
5
6
7
8
9
10
a
13
缺点: 当增加或减少插值节点时,基函数需要重新 构造,不便于实际的计算使用
a
8
例2.求过点(2,0)(4,3)(6,5)(8,4)(10,1)的拉格朗日型插值多 项式。
解:用4次插值多项式对5个点插值
x0,y02 ,0,x1,y14 ,3 ,x2,y26 ,5, x3,y38 ,4,x4,y41 0 ,1 ,
l0 ( x ) ( ( 2 x 4 4 ) ) ( ( 2 x 6 6 ) ) ( ( 2 x 8 8 ) ) ( ( 2 x 1 1 0 0 ) ) 3 1 8 4 ( x 4 ) ( x 6 ) ( x 8 ) ( x 1 0 )
Pn(xi) yi, i0,1,n. 这类问题称为插值问题。 f ( x ) 称为被插值函数,P n ( x ) 称
为插值函数,x0, x1L xn 称为插值节点
a
3
二、存在性与唯一性
定理1 设 x0,x1 xn 为给定的彼此互异的 n1个插值 节点,则存在唯一的次数不超过 n的多项式 Pn (x) ,满足 条件
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