第九章 插值与拟合
数值计算方法插值与拟合
数值计算方法插值与拟合数值计算方法在科学计算和工程应用中起着重要的作用，其中插值和拟合是其中两个常用的技术。
插值是指通过已知的离散数据点来构造出连续函数或曲线的过程，拟合则是找到逼近已知数据的函数或曲线。
本文将介绍插值和拟合的基本概念和常见的方法。
一、插值和拟合的基本概念插值和拟合都是通过已知数据点来近似表达未知数据的方法，主要区别在于插值要求通过已知数据点的函数必须经过这些数据点，而拟合则只要求逼近这些数据点。
插值更加精确，但是可能会导致过度拟合；拟合则更加灵活，能够通过调整参数来平衡拟合精度和模型复杂度。
二、插值方法1. 线性插值线性插值是一种简单的插值方法，通过已知数据点构造出线段，然后根据插值点在线段上进行线性插值得到插值结果。
2. 拉格朗日插值拉格朗日插值是一种基于多项式插值的方法，通过已知数据点构造出一个多项式，并根据插值点求解插值多项式来得到插值结果。
3. 分段线性插值分段线性插值是一种更加灵活的插值方法，通过将插值区间分成若干小段，然后在每个小段上进行线性插值。
三、拟合方法1. 最小二乘法拟合最小二乘法是一种常用的拟合方法，通过最小化实际观测点和拟合函数之间的残差平方和来确定拟合函数的参数。
2. 多项式拟合多项式拟合是一种基于多项式函数的拟合方法，通过选择合适的多项式次数来逼近已知数据点。
3. 曲线拟合曲线拟合是一种更加灵活的方法，通过选择合适的曲线函数来逼近已知数据点，常见的曲线包括指数曲线、对数曲线和正弦曲线等。
四、插值与拟合的应用场景插值和拟合在实际应用中具有广泛的应用场景，比如图像处理中的图像重建、信号处理中的滤波器设计、金融中的风险评估等。
五、插值与拟合的性能评价插值和拟合的性能可以通过多种指标进行评价，常见的评价指标包括均方根误差、相关系数和拟合优度等。
六、总结插值和拟合是数值计算方法中常用的技术，通过已知数据点来近似表达未知数据。
插值通过已知数据点构造出连续函数或曲线，拟合则找到逼近已知数据的函数或曲线。
插值与拟合
且 f(1.5) ≈L1(1.5) = 0.885。
Lagrange插值法的缺点
• 多数情况下，Lagrange插值法效果是不错的， 但随着节点数n的增大，Lagrange多项式的次 （Runge）现象。
• 例：在[-5,5]上用n+1个等距节点作插值多项 式Ln(x),使得它在节点处的值与函数y = 1/(1+25x2)在对应节点的值相等，当n增大时， 插值多项式在区间的中间部分趋于y(x)，但 对于满足条件0.728<|x|<1的x， Ln(x)并不趋 于y(x)在对应点的值，而是发生突变，产生 剧烈震荡，即Runge现象。
总结
• 拉格朗日插值：其插值函数在整个区间 上是一个解析表达式；曲线光滑；收敛 性不能保证，用于理论分析，实际意义 不大。
• 分段线性插值和三次样条插值：曲线不 光滑（三次样条已有很大改进）；收敛 性有保证；简单实用，应用广泛。
1.2 二维插值
• 二维插值是基于一维插值同样的思想， 但是它是对两个变量的函数Z=f(x,y)进 行插值。
• n=5; • x0=-1:1/(n-1):1;y0=1./(1+25*x0.^2);y1=lagr(x0,y0,x); • subplot(2,2,2), • plot(x,z,'r-',x,y,'m-'),hold on %原曲线 • plot(x,y1,'b'),gtext('L8(x)','FontSize',12),pause %Lagrange曲线
基函数为
l0 (x)
x x1 x0 x1
x2 1 2
2
x
l1(x)
线性插值函数为
插值和拟合区别
>> [xx,res]=lsqcurvefit(f,[1,1,1,1,1],x,y); xx',res
Optimization terminated successfully: Relative function value changing by less than
125.29*x^4+74.450*x^327.672*x^2+4.9869*x+.42037e-6
最小二乘曲线拟合
• 格式： [a, jm]=lsqcurvefit(Fun,a0,x,y)
例 >> x=0:.1:10; >> y=0.12*exp(-0.213*x)+0.54*exp(-0.17*x).*sin(1.23*x);
2*x0).*exp(-4*x0) x0.^2]; >> y1=A1*c; >> plot(x0,y1,x,y,'x')
例
• 数据分析
>> x=[1.1052,1.2214,1.3499,1.4918,1.6487,1.8221,2.0138,... 2.2255,2.4596,2.7183,3.6693];
0.1200 0.2130 0.5400 0.1700 1.2300 res = 9.5035e-021
• 绘制曲线： >> x1=0:0.01:10; y1=f(xx,x1); plot(x1,y1,x,y,'o')
插值与拟合应用举例
插值与拟合1. 插值与拟合的基本概念插值与插值函数：已知由()g x (可能未知或非常复杂)产生的一批离散数据(,),0,1,,i i x y i n = ，且n+1个互异插值节点011n n a x x x x b -=<<<<= ，在插值区间内寻找一个相对简单的函数 ()f x ，使其满足下列插值条件：再利用已求得的 ()f x 计算任一非插值节点的近似值，这就是插值。
其中()f x 称为插值函数， ()g x 称为被插函数。
最小二乘拟合： 已知一批离散的数据 (,),0,1,,i i x y i n = ，i x 互不相同，寻求一个拟合函数 ()f x ，使()i f x 与i y 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 ()f x 称为最小二乘拟合函数。
温度问题在12小时内，每隔1小时测量一次温度。
温度依次为：5，8，9，15，25，29，31，30，22，25，27，24。
(单位:℃)（1） 试估计在3.2h ，6.5h ，7.1h ，11.7h 的温度值，并画出其图形。
（2） 每隔1/10h 估计一次温度值，并画出其图形。
请你找出跟上述12个数据拟合的最好的一条曲线,请分别用分段线性插值、三次样条插值方法（至少用两条不同的曲线，并比较它们拟合好坏的程度）hours=1:12;temps=[5,8,9,15,25,29,31,30,22,25,27,24];t=interp1(hours,temps,[3.2,6.5,7.1,11.7]) %线性插值 T=interp1(hours,temps,[3.2,6.5,7.1,11.7],'spline') %三次样条插值 计算结果为 t =10.2000 30.0000 30.9000 24.9000 T =9.6734 30.0427 31.1755 25.3820每隔1/10h 估计一次温度值并画出其图形： hours=1:12;temps=[5,8,9,15,25,29,31,30,22,25,27,24]; h=1:0.1:12;t=interp1(hours,temps,h,'spline');plot(hours,temps,'+',h,t,hours,temps,'r:') xlabel('时间'),ylabel('温度')三次多项式拟合： hours=1:12;temps=[5,8,9,15,25,29,31,30,22,25,27,24]; a=polyfit(hours,temps,3) temps1=polyval(a,hours);plot(hours,temps,'ro',hours,temps1,'b.')得到320.00650.32837.1281 4.4343y x x x =--+-，图形如下：四次多项式拟合：得到4320.02730.7158 5.770712.225112.5884y x x x x =-+-+比较拟合的好坏：设ˆi y为拟合函数的值，i y 为测量值，则残差2ˆ()iiie y y=-∑ 。
插值与拟合
常用方法——最小二乘法拟合
令： f (x) a1r1(x) a2r2 (x) .... amrm (x)
其中：rk(x)为事先选定的一组关于x的函数，ak为系数，
即求解ak，使下式最小
m
2
J (a1, a2 ,...,am ) min [ f ( xi ) yi ]
i 1
即使：
J 0, k (0, k ) ak
拉格朗日插值法
已知x0、x1、x2、x3、、、xn和y0、y1、y2、y3、、、yn 则可以构造一个经过这n+1个点的次数不超过n的多 项式y=Ln(x),使其满足：
Ln(xk)=yk,k=0、1、2、、、n •这样的Ln(x)就是通过拉格朗日插值得到的函数关系 •这样的方法叫做拉格朗日插值
注： 通过上述方法可得到一个次数不超过n的多项
2
1 n1
m1 1 (1 1)m1
m2
2 (1 2 )m2
n2
2
..
mn
1
n1
(1
n 1 )mn 1
3.代入原式
用matlab解插值
基本格式：Interp1(x,y,cx,'methed')
其中：x,y为已知的坐标 cx为待插值的点的横坐标 methed为插值方法，有如下：
10
11
12
13
14
15
16
10.20 10.32 10.42 10.50 10.55 10.58 10.60
解 ：数据点描绘
11
10
9
8
7
6
5
4
0
2
4
6
8
10
12
14
插值与拟合
x[ a ,b ]
即：有界区间上的连续函数被多项式一致逼近。
§ 7.1.4 实际应用中两种方法的选择
在实际应用中，究竟选择哪种方法比较恰 当？总的原则是根据实际问题的特点来决定采 用哪一种方法。具体说来，可从以下两方面来 考虑：
1．如果给定的数据是少量的且被认为是严 格精确的，那么宜选择插值方法。采用插值方 法可以保证插值函数与被插函数在插值节点处 完全相等。
2．如果给定的数据是大量的测试或统计的 结果，并不是必须严格遵守的，而是起定性地 控制作用的，那么宜选用数据拟合的方法。这 是因为，一方面测试或统计数据本身往往带有 测量误差，如果要求所得的函数与所给数据完 全吻合，就会使所求函数保留着原有的测量误 差；另一方面，测试或统计数据通常很多，如 果采用插值方法，不仅计算麻烦，而且逼近效 果往往较差。
0
(
x)
1
2
x x1
x0 x0
x x0
x1 x1
2
1(x)
1
2
x x1 x0 x1
x x0 x1 x0
2
2
0
(
x)
(
x
x0
)
(7.2.3)
下 面 的 (7.2.9) 、 (7.2.10) 两 式 构 成 了 三 次 Hermite 插值基本提法二的插值公式
P3(x) = 0(x)y0 1(x)y1 0(x)m0 1(x)m1 (7.2.9)
0 ( x)
(x ( x0
《插值与拟合》课件
拟合的方法
1
最小二乘法
通过最小化残差平方和，找到与数据最匹配的函数。
2
局部加权回归
给予附近数据点更高的权重，拟合接近局部数据点的函数。
3
多项式拟合
用多项式函数逼近数据，通过选择合适的次数实现拟合。
插值与拟合的误差分析
插值和拟合都会引入近似误差，需要评估误差范围和影响因素。
插值与拟合在数据处理与分析中的应用
数据分析
通过插值和拟合方法对数据进 行探索和分析。
数据处理
在数据处理过程中使用插值和 拟合技术来填充缺失值和平滑 数据。
数据建模
利用插值和拟合模型对数据特 征进行捕捉和预测分析。
插值与拟合的推广和发展前景
随着数据科学和人工智能的不断发展，插值和拟合在各个领域的应用前景越 来越广阔。
插值与拟合的应用范围
科学研究
用于数据分析、信号优化设计、近似计算和 效能提升。
经济金融
用于市场分析、预测模型和 风险评估。
插值的方法
1
拉格朗日插值
基于多项式插值公式，用拉格朗日多项式逼近函数。
2
牛顿插值
基于差商的概念，用多项式逼近函数的值。
3
分段插值
将插值区间划分为多个子区间，并在每个子区间上进行插值。
《插值与拟合》PPT课件
插值与拟合是数值计算和数据分析中重要的概念。
插值与拟合的概念
插值
通过已知值的推算，计算在未知点的近似值。
拟合
通过曲线或曲面拟合已知数据，以描述和预 测未知数据。
插值与拟合的区别与联系
1 区别
2 联系
插值重点关注已知点的准确性，而拟合则 着重于整体形状的拟合。
插值和拟合都通过数学模型逼近离散数据， 以实现数据的补全和预测。
插值与拟合问题
插值与拟合问题插值与拟合是数学和计算机科学领域中常见的问题，涉及到通过已知数据点来估计未知点的值或者通过一组数据点来逼近一个函数的过程。
在现实生活中，这两个问题经常用于数据分析、图像处理、物理模拟等领域。
本文将介绍插值与拟合的基本概念、方法和应用。
一、插值问题插值是通过已知的数据点来推断出未知点的值。
在插值问题中，我们假设已知数据点是来自于一个未知函数的取值，在这个函数的定义域内，我们需要找到一个函数或者曲线，使得它经过已知的数据点，并且可以通过这个函数或者曲线来估计未知点的值。
常见的插值方法包括线性插值、拉格朗日插值和牛顿插值。
线性插值是通过已知的两个数据点之间的直线来估计未知点的值，它简单而直观。
拉格朗日插值则通过构造一个关于已知数据点的多项式来估计未知点的值，这个多项式经过每一个已知数据点。
牛顿插值和拉格朗日插值类似，也是通过构造一个多项式来估计未知点的值，但是它使用了差商的概念，能够更高效地处理数据点的添加和删除。
不仅仅局限于一维数据点的插值问题，对于二维或者更高维的数据点，我们也可以使用类似的插值方法。
例如，对于二维数据点，我们可以使用双线性插值来估计未知点的值，它利用了四个已知数据点之间的线性关系。
插值问题在实际应用中非常常见。
一个例子是天气预报中的气温插值问题，根据已知的气温观测站的数据点，我们可以估计出其他地点的气温。
另一个例子是图像处理中的像素插值问题，当我们对图像进行放大或者缩小操作时，需要通过已知像素点来估计未知像素点的值。
二、拟合问题拟合是通过一组数据点来逼近一个函数的过程。
在拟合问题中，我们假设已知的数据点是来自于一个未知函数的取值，我们需要找到一个函数或者曲线，使得它能够与已知的数据点尽可能地接近。
常见的拟合方法包括多项式拟合、最小二乘拟合和样条拟合。
多项式拟合是通过一个多项式函数来逼近已知的数据点，它的优点是简单易用，但是对于复杂的函数形态拟合效果可能不好。
最小二乘拟合则是寻找一个函数，使得它与已知数据点之间的误差最小，这个方法在实际应用中非常广泛。
插值与拟合算法分析
插值与拟合算法分析在数学与计算机科学领域，插值与拟合算法是两种常用的数据处理技术。
插值算法通过已知数据点之间的内插来估算未知数据点的值，而拟合算法则通过求取最佳拟合曲线或函数来逼近已知数据点。
本文将对插值与拟合算法进行详细分析，并比较它们在不同应用中的优缺点。
一、插值算法插值算法主要用于通过已知数据点之间的内插来估算未知数据点的值。
常用的插值算法包括拉格朗日插值、牛顿插值、样条插值等。
这些算法根据插值函数的不同特点，适用于不同类型的数据处理。
1. 拉格朗日插值拉格朗日插值是一种基于代数多项式的插值方法。
它通过构造一个全局多项式函数来拟合已知数据点，并推导出未知数据点的估算值。
拉格朗日插值算法具有简单易懂、计算效率高等优点，但在处理大量数据点时可能会出现龙格现象，导致插值结果有一定误差。
2. 牛顿插值牛顿插值是一种基于差商的插值方法。
它通过计算差商的递推关系，构造一个分段多项式函数来拟合已知数据点。
相比于拉格朗日插值，牛顿插值算法具有更高的数值稳定性和精度，并且可以方便地进行动态插值。
3. 样条插值样条插值是一种基于分段函数的插值方法。
它将整个数据区间划分为若干小段，并使用不同的插值函数对每一段进行插值。
样条插值算法通过要求插值函数的高阶导数连续，能够更好地逼近原始数据的曲线特征，因此在光滑性较强的数据处理中常被使用。
二、拟合算法拟合算法主要用于通过最佳拟合曲线或函数来逼近已知数据点。
常用的拟合算法包括最小二乘拟合、多项式拟合、非线性拟合等。
这些算法可以使拟合曲线与已知数据点尽可能地接近，从而进行更精确的数据分析和预测。
1. 最小二乘拟合最小二乘拟合是一种通过最小化残差平方和来求取最佳拟合曲线的方法。
它利用数据点与拟合曲线的差异来评估拟合效果，并通过求取最小残差平方和的参数值来确定拟合曲线的形状。
最小二乘拟合算法广泛应用于线性回归和曲线拟合等领域。
2. 多项式拟合多项式拟合是一种通过多项式函数来逼近已知数据点的方法。
第九讲 数据插值与拟合
最常用的确定待定系数的方法是，曲线拟合的最小二乘法
二、 插值与拟合
1、插值方法 （1）分段线性插值 分段线性插值的提法如下：
（2）分段三次埃尔米特插值
在插值问题中，如果除了插值节点的函数值给定外，还 要求在节点的导数值为给定值，即插值问题变为
相当于在每一小段上应满足四个条件（方程），可以确 定四个待定参数．三次多项式正好有四个系数，所以可 以考虑用三次多项式函数作为插值函数，这就是分段三 次埃尔米特插值，它与分段线性插值一起都称为分段多 项式插值
x,y,z是已知样本点的坐标，可以是任意分布的。
X0,y0是期望的插值位置，即被插值节点, 可以是单点， 向量或者网格型矩阵
插值方法，除了上面的 方法外，还有一个是4.0版本提供 的一个插值方法，选项为’v4’
四、曲线拟合的matlab实现
1、已知函数原型的 （1）多项式拟合
y a1 x n a n x a n1 假设已知函数原型为
（2）、一般二维分布的数据插值
在实际应用问题中，大部分的数据以实测的多组 （xi,yi,zi）给出，所以不能直接使用interp2（）函数。 Matlab中提供了另一个函数griddata( )，用来专 门解决这类问题。其调用格式如下
Z=griddata(x,y,z,x0,y0,’method’)
（3）一般的曲线拟合
假设已知函数原型是一般的函数，可以是多项式，可以 是线性，也可以是非线性的，一般情况下用这个来求解 非线性情况 Matlab在优化工具箱中提供的求解一般的曲线拟合函 数lsqcurvefit(),其调用格式如下 p=lsqcurvefit(‘Fun’,p0,xdata,ydata)
其中Fun表示函数Fun(p,data)的M函数文件，p0表示 函数的初值.。
插值和拟合
插值和拟合都是函数逼近或者数值逼近的重要组成部分他们的共同点都是通过已知一些离散点集M上的约束，求取一个定义在连续集合S(M包含于S)的未知连续函数，从而达到获取整体规律的目的，即通过"窥几斑"来达到"知全豹"。
简单的讲，所谓拟合是指已知某函数的若干离散函数值{f1,f2,…,fn}，通过调整该函数中若干待定系数f(λ1, λ2,…,λ3), 使得该函数与已知点集的差别(最小二乘意义)最小。
如果待定函数是线性，就叫线性拟合或者线性回归(主要在统计中)，否则叫作非线性拟合或者非线性回归。
表达式也可以是分段函数，这种情况下叫作样条拟合。
而插值是指已知某函数的在若干离散点上的函数值或者导数信息，通过求解该函数中待定形式的插值函数以及待定系数，使得该函数在给定离散点上满足约束。
插值函数又叫作基函数，如果该基函数定义在整个定义域上，叫作全域基，否则叫作分域基。
如果约束条件中只有函数值的约束，叫作Lagrange插值，否则叫作Hermite插值。
从几何意义上将，拟合是给定了空间中的一些点，找到一个已知形式未知参数的连续曲面来最大限度地逼近这些点；而插值是找到一个(或几个分片光滑的)连续曲面来穿过这些点。
一、概念的引入1. 插值与拟合在现实生活中的应用l 机械制造：汽车外观设计l 采样数据的重新建构：电脑游戏中场景的显示，地质勘探，医学领域（CT）2.概念的定义l 插值：基于[a,b]区间上的n个互异点，给定函数f(x)，寻找某个函数去逼近f(x)。
若要求φ(x)在xi处与f(xi)相等，这类的函数逼近问题称为插值问题，xi即是插值点l 逼近：当取值点过多时，构造通过所有点的难度非常大。
此时选择一个次数较低的函数最佳逼近这些点，一般采用最小二乘法l 光顾：曲线的拐点不能太多，条件：①二阶几何连续②不存在多余拐点③曲率变化较小l 拟合：曲线设计过程中用插值或通过逼近方法是生成的曲线光滑(切变量连续)光顾二、插值理论设函数y=f(x)在区间[a,b]上连续，在[a,b]上有互异点x0,x1,…,xn处取值y 0,y1,…,yn。
数学建模精品教材第九章插值与拟合...
数学建模精品教材-第九章插值与拟合第九章插值与拟合插值:求过已知有限个数据点的近似函数。
拟合:已知有限个数据点,求近似函数,不要求过已知数据点,只要求在某种意义下它在这些点上的总偏差最小。
插值和拟合都是要根据一组数据构造一个函数作为近似,由于近似的要求不同,二者的数学方法上是完全不同的。
而面对一个实际问题,究竟应该用插值还是拟合,有时容易确定,有时则并不明显。
§1 插值方法下面介绍几种基本的、常用的插值:拉格朗日多项式插值、牛顿插值、分段线性插值、Hermite 插值和三次样条插值。
1.1 拉格朗日多项式插值1.1.1 插值多项式用多项式作为研究插值的工具,称为代数插值。
其基本问题是:已知函数 f x 在区间[a,b]上n +1个不同点x ,x , L,x 处的函数值 y f x i 0,1, L,n,求一个0 1 n i i至多n次多项式nx a +a x + L +a x (1)n 0 1 n使其在给定点处与 f x同值,即满足插值条件 x f x y i 0,1, L,n(2) n i i ix称为插值多项式,x i 0,1, L,n称为插值节点,简称节点,[a,b]称为插值区n i间。
从几何上看,n次多项式插值就是过n +1个点 x , f x i 0,1, L,n,作一条i i多项式曲线 y x近似曲线 y f x。
nn次多项式(1)有n +1个待定系数,由插值条件(2)恰好给出n +1个方程2 na +a x +a x + L +a x y0 1 0 2 0 n 0 02 na +a x +a x + L +a x y0 1 1 2 1 n 1 1(3)L L L L L L L L L L L L2 na +a x +a x + L +a x y0 1 n 2 n n n n 记此方程组的系数矩阵为A,则2 n1 x x L x0 0 02 n1 x x L x1 1 1 detAL L L L L L L2 n1 x x L xn n n是范德蒙特Vandermonde行列式。
插值与拟合
y2=interp1(x0,y0,x); y3=interp1(x0,y0,x,'spline'); pp1=csape(x0,y0); y4=ppval(pp1,x); pp2=csape(x0,y0,'second'); y5=ppval(pp2,x); fprintf('比较一下不同插值方法和边界条件的结果:\n') fprintf('x y1 y2 y3 y4 y5\n') xianshi=[x',y1',y2',y3',y4',y5']; fprintf('%f\t%f\t%f\t%f\t%f\t%f\n',xianshi') subplot(2,2,1), plot(x0,y0,'+',x,y1), title('Lagrange') subplot(2,2,2), plot(x0,y0,'+',x,y2), title('Piecewise linear') subplot(2,2,3), plot(x0,y0,'+',x,y3), title('Spline1') subplot(2,2,4), plot(x0,y0,'+',x,y4), title('Spline2') dyx0=ppval(fnder(pp1),x0(1)) %求x=0处的导数 ytemp=y3(131:151); index=find(ytemp==min(ytemp)); xymin=[x(130+index),ytemp(index)]
插值与拟合的实验报告心得
插值与拟合的实验报告心得1.引言1.1 概述插值与拟合是数值分析和数据处理领域中常见的重要技术方法，通过对已知数据点进行插值计算，得到未知点的数值估计。
插值方法可以帮助我们填补数据间的空缺、平滑曲线和预测未来趋势，因此在科学研究、工程建模和数据分析中具有广泛的应用价值。
本实验报告将对插值的基本概念进行介绍，探讨插值方法的分类和在实际应用中的意义。
同时，我们将总结实验结果，评述插值与拟合的优缺点，并提出对进一步研究的建议，希望通过本报告对插值与拟合的方法和应用有一个全面的了解。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以包括:在本报告中，将包括以下几个部分的内容:1. 引言：介绍插值与拟合的基本概念，以及本实验的目的和意义。
2. 正文：包括插值的基本概念、插值方法的分类以及插值在实际应用中的意义。
我们将深入探讨这些内容，并解释它们在实验中的具体应用。
3. 结论：总结本次实验的结果，分析插值与拟合的优缺点，并提出对进一步研究的建议。
通过以上内容的分析和探讨，我们希望能够全面地了解插值与拟合的理论基础和实际应用，为进一步的研究和实践提供一定的参考和启发。
1.3 目的本实验的目的在于通过对插值和拟合的实验研究，探索和了解这两种数学方法在现实生活中的应用。
通过实验，我们将深入了解插值的基本概念和分类方法，以及插值在实际应用中的意义。
同时，我们还将对插值和拟合的优缺点进行分析，为进一步的研究提供建议和启示。
通过本实验，我们的目的是掌握插值与拟合方法的应用和特点，为实际问题的求解提供更多的数学工具和思路。
2.正文2.1 插值的基本概念插值是指通过已知数据点构建出一个函数，该函数经过这些数据点，并且在每个数据点上都有相应的函数值。
换句话说，插值是一种通过已知离散数据点来推断未知数据点的方法。
在数学上，插值可以用于近似未知函数的值，或者用于填补数据间的空隙。
在插值过程中，我们通常会选择一个合适的插值函数，比如多项式函数、三角函数或者样条函数等，来拟合已知的数据点。
数值分析实验插值与拟合
数值分析实验插值与拟合插值是指根据已知的数据点，通过其中一种数学方法来构造一个函数，使得该函数在已知的数据点上与被插值函数相等。
插值方法可以分为两类：基于多项式的插值和非多项式插值。
基于多项式的插值方法中，最常用的是拉格朗日插值和牛顿插值。
拉格朗日插值方法通过一个n次多项式来逼近被插值函数，该多项式通过n个已知数据点中的所有点。
牛顿插值方法则通过一个n次多项式来逼近被插值函数，该多项式通过n个已知数据点中的前m+1个点。
非多项式插值方法中，最常用的是分段线性插值和样条插值。
分段线性插值方法将插值区间划分为多个小段，在每一段内使用线性函数来逼近被插值函数。
样条插值方法则使用分段低阶多项式来逼近被插值函数，保证了插值函数和原函数在插值区间内的连续性、光滑性。
拟合是指在给定的离散数据点集合上，通过选取一个函数，使得该函数与数据点之间的误差最小化。
拟合方法可以分为两类：线性拟合和非线性拟合。
线性拟合方法中，最简单的是最小二乘法。
最小二乘法拟合是通过最小化观测数据与拟合函数的残差平方和来选择最佳函数参数。
在实验中，最小二乘法常用于线性回归问题，例如估计一个直线或者平面来拟合数据。
非线性拟合方法中，最常用的是非线性最小二乘法和局部加权回归。
非线性最小二乘法通过将非线性拟合问题转化为线性问题，使用最小二乘法来寻找最佳参数。
局部加权回归方法则通过给予不同数据点不同的权重，以更好地逼近数据点。
在数值分析实验中，插值与拟合可以应用于各种实际问题。
例如，在地理信息系统中，通过已知的地理坐标点来插值出未知点的地理信息。
在气象学中，通过已知的气象数据点来插值出未知点的气象信息。
在工程学中，通过已知的测量数据点来拟合出一个最佳的拟合函数来预测未来的测量值。
需要注意的是，插值和拟合的精度在很大程度上取决于数据的分布和拟合函数的选择。
如果数据点过于稀疏或者数据点中存在异常值，可能导致插值和拟合结果不准确。
因此，在进行插值和拟合之前，需要对数据进行预处理，例如去除异常值、平滑数据等。
插值与拟合课程设计
插值与拟合课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解插值与拟合的基本概念，掌握其数学表达和几何意义；2. 学会使用不同插值与拟合方法（如：拉格朗日插值、牛顿插值、最小二乘法等）解决实际问题；3. 掌握分析插值与拟合误差的方法，了解各种方法的优缺点及适用范围。
技能目标：1. 能够运用数学软件（如MATLAB、Python等）进行插值与拟合的计算和分析；2. 培养运用插值与拟合方法处理实际数据的能力，提高数学建模和问题解决技巧；3. 能够通过实例分析，设计合理的插值与拟合方案，并评估其效果。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对数学科学的兴趣，激发他们探索未知、解决问题的热情；2. 增强团队合作意识，培养在团队中沟通、协作解决问题的能力；3. 树立正确的科学态度，认识到数学知识在实际问题中的应用价值。
课程性质：本课程属于数学学科，以高二年级学生为教学对象，结合插值与拟合理论，注重数学在实际问题中的应用。
学生特点：高二年级学生对数学知识有一定的基础，具有一定的逻辑思维能力和问题解决能力，对数学在实际问题中的应用有较强的好奇心。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，强调数学建模能力的培养，提高学生运用数学知识解决实际问题的能力。
在教学过程中，将课程目标分解为具体的学习成果，以便进行有效的教学设计和评估。
二、教学内容1. 插值与拟合基本概念：- 插值的定义与几何意义；- 拟合的定义与几何意义；- 插值与拟合的联系与区别。
2. 插值方法：- 拉格朗日插值；- 牛顿插值；- 分段插值；- 线性插值与二次插值。
3. 拟合方法：- 最小二乘法；- 多项式拟合；- 非线性拟合；- 正交多项式拟合。
4. 插值与拟合的误差分析：- 插值误差估计；- 拟合误差估计；- 各种方法的误差比较。
5. 实际应用案例：- 数据插值与拟合在物理、化学、生物等领域的应用；- 数学软件在插值与拟合中的应用；- 结合实际问题设计插值与拟合方案。
插值与拟合实验总结
插值与拟合实验总结《插值与拟合实验总结》哎呀！说起这个插值与拟合实验，那可真是让我大开眼界呀！实验一开始，老师就像个神奇的魔法师，给我们展示了各种奇妙的数据和图形。
我瞪大眼睛，心里直犯嘀咕：“这都是些啥呀？” 旁边的同桌小明也皱着眉头，小声跟我说：“这可难倒我啦，你能明白不？” 我摇摇头，感觉脑袋都要变成浆糊啦。
老师先给我们讲了插值的概念，这就好比我们要在一些分散的点之间，找到那些“失踪”的点，把它们连起来，形成一条光滑的曲线。
这难道不像我们玩拼图游戏，要把那些缺失的部分找出来，拼出完整的图案吗？我心里想着，这也太有趣了吧！接着我们就开始动手操作啦。
我紧紧握着笔，眼睛盯着屏幕，手忙脚乱地计算着。
哎呀，这数字怎么就不听我使唤呢？我急得直跺脚。
“别着急，慢慢来！”后桌的小红安慰我道。
在做拟合实验的时候，那感觉就像是要给一群调皮的孩子找到一个合适的队伍，让他们排得整整齐齐。
我们尝试着用不同的方法，去找到那个最能代表这些数据的曲线。
这过程可不轻松，一会儿这个方法不行，一会儿那个又出错。
我都快被这些数据绕晕啦！“这到底怎么才能做好呀？”我忍不住抱怨起来。
“别灰心，我们再试试别的办法。
”小组里的小刚鼓励着大家。
经过一次次的尝试和失败，我们终于有了一些成果。
当看到那漂亮的曲线完美地贴合了数据点，我高兴得差点跳起来！那种成就感，就像在沙漠里走了好久好久，终于找到了一片绿洲。
你说，这插值与拟合实验是不是像一场刺激的冒险？我们在数据的海洋里探索，有时候迷失方向，有时候又柳暗花明。
通过这次实验，我明白了做事情不能着急，要有耐心，要不断尝试。
就像我们在实验里，一次不行就再来一次，总会找到解决办法的。
而且团队合作也特别重要，大家一起出主意，互相鼓励，才能取得好结果。
所以呀，这次实验虽然充满了挑战，但真的让我学到了好多好多！。
数值分析中的插值与拟合
数值分析中的插值与拟合插值和拟合是数值分析中常用的技术，用于估计或预测数据集中缺失或未知部分的数值。
在本文中，我们将讨论插值和拟合的概念、方法和应用。
一、插值插值是通过已知数据点之间的连续函数来估计中间数据点的数值。
插值方法可以根据不同的数据和需求选择合适的插值函数，常用的插值方法包括拉格朗日插值、牛顿插值和埃尔米特插值。
1.1 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。
通过已知的n个数据点，可以构建一个n-1次的插值多项式。
这个多项式通过已知数据点上的函数值来准确地经过每一个点。
1.2 牛顿插值牛顿插值方法也是一种多项式插值方法，通过差商的概念来构建插值多项式。
差商是一个递归定义的系数，通过已知数据点的函数值计算得出。
牛顿插值可以通过递推的方式计算出插值多项式。
1.3 埃尔米特插值埃尔米特插值是一种插值方法，适用于已知数据点和导数值的情况。
它基于拉格朗日插值的思想，通过引入导数信息来逼近数据的真实分布。
埃尔米特插值可以更准确地估计数据点之间的值，并且可以保持导数的连续性。
二、拟合拟合是通过一个模型函数来逼近已知数据点的数值。
拟合方法旨在找到最适合数据集的函数形式，并通过最小化误差来确定函数的参数。
常见的拟合方法包括最小二乘法、多项式拟合和曲线拟合。
2.1 最小二乘法最小二乘法是一种常用的拟合方法，通过最小化数据点到拟合函数的误差平方和来确定最佳拟合曲线或曲面。
最小二乘法适用于线性和非线性拟合问题，可以用于拟合各种类型的非线性函数。
2.2 多项式拟合多项式拟合是一种基于多项式函数的拟合方法。
通过多项式的线性组合来近似已知数据集的数值。
多项式拟合可以通过最小二乘法或其他优化算法来确定拟合函数的系数。
2.3 曲线拟合曲线拟合是一种用曲线函数来逼近已知数据点的拟合方法。
曲线函数可以是非线性的，并且可以根据数据的特点进行选择。
曲线拟合可以通过优化算法来确定拟合函数的参数。
三、应用插值和拟合在数值分析中有广泛的应用。
插值与拟合方法
插值与拟合方法插值和拟合是数学中常用的方法，用于根据已知数据点的信息，推断出未知数据点的数值或函数的形式。
插值和拟合方法是经典的数学问题，应用广泛，特别是在数据分析、函数逼近和图像处理等领域。
1.插值方法：插值方法是通过已知数据点的信息，推断出两个已知数据点之间的未知数据点的数值。
插值方法的目的是保证插值函数在已知数据点处与实际数据值一致，并且两个已知数据点之间的连续性良好。
最常用的插值方法是拉格朗日插值法和牛顿插值法。
拉格朗日插值法根据已知数据点的横纵坐标，构造一个多项式函数，满足通过这些数据点。
拉格朗日插值法可以用于任意次数的插值。
牛顿插值法是使用差商的概念进行插值。
差商是指一个多项式在两个数据点之间的斜率。
牛顿插值法通过迭代计算得到与已知数据点一致的多项式。
插值方法的优点是可以精确地经过已知数据点，但是在两个已知数据点之间的插值部分可能会出现震荡现象，从而导致插值结果不准确。
2.拟合方法：拟合方法是通过已知数据点的信息，找出一个函数或曲线，使其能够最好地拟合已知数据点。
拟合方法的目标是寻找一个函数或曲线，尽可能地逼近已知数据点，并且能够在未知数据点处进行预测。
最常用的拟合方法是最小二乘法。
最小二乘法是通过求解最小化残差平方和的问题来进行拟合。
残差是指已知数据点与拟合函数的差异。
最小二乘法的目标是找到一个函数，使得所有数据点的残差平方和最小。
拟合方法的优点是可以得到一个光滑的函数或曲线，从而可以预测未知数据点的数值。
但是拟合方法可能会导致过拟合问题，即过度拟合数据点，导致在未知数据点处的预测结果不准确。
除了最小二乘法，还有其他的拟合方法，如局部加权回归和样条插值等。
局部加权回归是一种基于最小二乘法的拟合方法，它通过赋予不同的数据点不同的权重，来实现对未知数据点的预测。
样条插值是一种基于多项式插值的拟合方法，它将整个数据集分段拟合，并且在分段部分保持连续性和光滑性。
总结：插值和拟合方法是数学中的经典方法，用于根据已知数据点的信息，推断出未知数据点的数值或函数的形式。
数学建模～插值与拟合概要
%程序一：插值并作海底曲面图
x =[129.0 140.0 103.5 88.0 185.5 195.0 105.5 157.5 107.5 77.0 81.0 162.0 162.0 117.5 ]; y =[ 7.5 141.5 23.0 147.0 22.5 137.5 85.5 -6.5 -81 3.0 56.5 -66பைடு நூலகம்5 84.0 -33.5 ]; z =[ 4 8 6 8 6 8 8 9 9 8 8 9 4 9 ];
数据拟合在很多赛题中有应用，与图形 处理有关的问题很多与插值和拟合有关系， 例如98年美国赛A题，生物组织切片的三维插 值处理，94年A题逢山开路，山体海拔高度的 插值计算，2003年吵的沸沸扬扬的“非典” 问题也要用到数据拟合算法，观察数据的走 向进行处理， 2005年的雨量预报的评价的插 值计算。2001年的公交车调度拟合问题， 2003年的饮酒驾车拟合问题。
▪试给出这个平面区域内地形的模型以便选择公路修建的 位置。
▪二维插值利用Matlab插值程序。 ▪输入已知信息： (xi, yj, zij) ▪>>x=0:4:20; %给出X轴的坐标 ▪>>y=0:4:20; %给出Y轴的坐标
▪>>z=[37 51 65 74 83 88; 47 62 76 88 98 106; … ; 69 87 105 128 142 150];
▪ %给出（xi，yj）点的高程 zij： ▪>>[X，Y]=meshgrid(0:1:20,0:1:20); ▪ % 给出加密的插值坐标网格
>>Z=interp2(x,y,z,X,Y,’spline’); %在坐标上进行样条插值 画图： >>clf;%清空图形坐标系中的内容 >>mesh(X,Y,Z) %在网格上画出插值的结果 >>hold on %打开在同一坐标系中画图的功能 >>contour(X,Y,Z) %画平面等高线 >>con3=contour3(X,Y,Z) %画三维等高线 >>clabel(con3) %标高程 >>hold off %结束作图
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-104-第九章 插值与拟合插值：求过已知有限个数据点的近似函数。
拟合：已知有限个数据点，求近似函数，不要求过已知数据点，只要求在某种意义下它在这些点上的总偏差最小。
插值和拟合都是要根据一组数据构造一个函数作为近似，由于近似的要求不同，二者的数学方法上是完全不同的。
而面对一个实际问题，究竟应该用插值还是拟合，有时容易确定，有时则并不明显。
§1 插值方法下面介绍几种基本的、常用的插值：拉格朗日多项式插值、牛顿插值、分段线性插值、Hermite 插值和三次样条插值。
1.1 拉格朗日多项式插值 1.1.1 插值多项式用多项式作为研究插值的工具，称为代数插值。
其基本问题是：已知函数)(x f 在区间],[b a 上1+n 个不同点n x x x ,,,10 处的函数值)(i i x f y =),,1,0(n i =，求一个至多n 次多项式nn n x a x a a x +++= 10)(ϕ （1）使其在给定点处与)(x f 同值，即满足插值条件),,1,0()()(n i y x f x ii i n ===ϕ （2）)(x n ϕ称为插值多项式，),,1,0(n i x i =称为插值节点，简称节点，],[b a 称为插值区间。
从几何上看，n 次多项式插值就是过1+n 个点))(,(i i x f x ),,1,0(n i =，作一条多项式曲线)(x y n ϕ=近似曲线)(x f y =。
n 次多项式（1）有1+n 个待定系数，由插值条件（2）恰好给出1+n 个方程⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=++++=++++=++++nnn n n n nn nn y x a x a x a a y x a x a x a a y x a x a x a a 22101121211000202010（3）记此方程组的系数矩阵为A ，则nnnnnnx x x x x x x x x A212110200111)det(=是范德蒙特(Vandermonde)行列式。
当n x x x ,,,10 互不相同时，此行列式值不为零。
因此方程组（3）有唯一解。
这表明，只要1+n 个节点互不相同，满足插值要求（2）的插值多项式（1）是唯一的。
插值多项式与被插函数之间的差)()()(x x f x R n n ϕ-=-105-称为截断误差，又称为插值余项。
当)(x f 充分光滑时，),(),()!1()()()()(1)1(b a x n fx L x f x R n n n n ∈+=-=++ξωξ其中∏=+-=nj j n x x x 01)()(ω。
1.1.2 拉格朗日插值多项式实际上比较方便的作法不是解方程（3）求待定系数，而是先构造一组基函数)())(()()())(()()(110110n i i i i i i n i i i x x x x x x x x x x x x x x x x x l --------=+-+-n),0,1,(i , 0 =--=∏≠=nij j ji j xx x x)(x l i 是n 次多项式，满足⎩⎨⎧=≠=ij i j x l j i 1)(令∑∑∏==≠=⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--==ni ni n i j j j i j i i i n x x x x y x l y x L 00)()( （4） 上式称为n 次Lagrange 插值多项式，由方程（3）解的唯一性，1+n 个节点的n 次Lagrange 插值多项式存在唯一。
1.1.3 用Matlab 作Lagrange 插值Matlab 中没有现成的Lagrange 插值函数，必须编写一个M 文件实现Lagrange 插值。
设n 个节点数据以数组0,0y x 输入（注意Matlat 的数组下标从1开始），m 个插值点以数组x 输入，输出数组y 为m 个插值。
编写一个名为lagrange.m 的M 文件： function y=lagrange(x0,y0,x); n=length(x0);m=length(x); for i=1:m z=x(i); s=0.0; for k=1:n p=1.0; for j=1:n if j~=kp=p*(z-x0(j))/(x0(k)-x0(j)); end ends=p*y0(k)+s; endy(i)=s; end-106-1.2 牛顿（Newton ）插值在导出Newton 公式前，先介绍公式表示中所需要用到的差商、差分的概念及性质。
1.2.1 差商定义 设有函数 ,,,),(210x x x x f 为一系列互不相等的点，称ji j i xx x f x f --)()()(j i ≠为)(x f 关于点j i x x ,一阶差商（也称均差）记为],[j i x x f ，即ji j i j i xx x f x f x x f --=)()(],[称一阶差商的差商ki k j j i x x x x f x x f --],[],[为)(x f 关于点k j i x x x ,,的二阶差商，记为],,[k j i x x x f 。
一般地，称kk k x x x x x f x x x f ---021110],,,[],,,[为)(x f 关于点k x x x ,,,10 的k 阶差商，记为 kk k k x x x x x f x x x f x x x f --=-02111010],,,[],,,[],,,[容易证明，差商具有下述性质： ],[],[i j j i x x f x x f =],,[],,[],,[k i j j k i k j i x x x f x x x f x x x f == 1.2.2 Newton 插值公式 线性插值公式可表成],[)()()(10001x x f x x x f x -+=ϕ称为一次Newton 插值多项式。
一般地，由各阶差商的定义，依次可得],[)()()(000x x f x x x f x f -+=],,[)(],[],[101100x x x f x x x x f x x f -+=],,,[)(],,[],,[210221010x x x x f x x x x x f x x x f -+=],,,[)(],,,[],,,[01010n n n n x x x f x x x x x f x x x f -+=-将以上各式分别乘以,),)((),(,1100 x x x x x x ---)())((110----n x x x x x x ，然后相加并消去两边相等的部分，即得],,,,[)())(( ],,,[)())(( ],[)()()(1010101101000n n n n x x x x f x x x x x x x x x f x x x x x x x x f x x x f x f---+---++-+=-记-107-],,,,[)( ],,,,[)())(()(],,,[)())(( ],[)()()(1011010101101000n n n n n n n n x x x x f x x x x x f x x x x x x x R x x x f x x x x x x x x f x x x f x N+-=---=---++-+=ω显然，)(x N n 是至多n 次的多项式，且满足插值条件，因而它是)(x f 的n 次插值多项式。
这种形式的插值多项式称为Newton 插值多项式。
)(x R n 称为Newton 插值余项。
Newton 插值的优点是：每增加一个节点，插值多项式只增加一项，即],,,[)()()()(11001++--+=n n n n x x x f x x x x x N x N因而便于递推运算。
而且Newton 插值的计算量小于Lagrange 插值。
由插值多项式的唯一性可知，Newton 插值余项与Lagrange 余项也是相等的，即),()()!1()(],,,,[)()(1)1(101b a x n fx x x x f x x R n n n n n ∈+==+++ξωξω由此可得差商与导数的关系!)(],,,[)(10n fx x x f n n ξ=其中}{max },{min ),,(00i ni i ni x x ≤≤≤≤==∈βαβαξ。
1.2.3 差分当节点等距时，即相邻两个节点之差（称为步长）为常数，Newton 插值公式的形式会更简单。
此时关于节点间函数的平均变化率（差商）可用函数值之差（差分）来表示。
定义 设有等距节点),,1,0(0n k kh x x k =+=，步长h 为常数，)(k k x f f =。
称相邻两个节点1,+k k x x 处的函数值的增量)1,,1,0(1-=-+n k f f k k 为函数)(x f 在点k x 处以h 为步长的一阶差分，记为k f ∆，即),,1,0(1n k f f f k k k =-=∆+类似地，定义差分的差分为高阶差分。
如二阶差分为)2,,1,0(12-=∆-∆=∆+n k f f f kk k一般地，m 阶差分为 ),3,2(111=∆-∆=∆-+-k f f f km k m k m，上面定义的各阶差分又称为向前差分。
常用的差分还有两种： 1--=∇k k k f f f称为)(x f 在k x 处以h 为步长的向后差分； ⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎭⎫ ⎝⎛+=22h x f h x f f k k k δ 称为)(x f 在k x 处以h 为步长的中心差分。
一般地，m 阶向后差分与m 阶中心差分公式为-108-111---∇-∇=∇k m k m k m f f f211211--+--=k m k m k mfff δδδ差分具有以下性质：（i ）各阶差分均可表成函数值的线性组合，例如 j m k mj j k mf j m f -+=∑⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=∆ )1(0 j k mj j k m f jm f -=∑⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=∇)1(0 （ii ）各种差分之间可以互化。
向后差分与中心差分化成向前差分的公式如下： m k mk m f f -∆=∇2m m mk mff -∆=δ1.2.4 等距节点插值公式如果插值节点是等距的，则插值公式可用差分表示。
设已知节点kh x x k +=0),,2,1,0(n k =，则有)())((!)( )())(](,,,[)](,[)()(1100000110100100-----∆++-∆+=---++-+=n n nn n n x x x x x x hn f x x h f f x x x x x x x x x f x x x x f x f x N若令th x x +=0，则上式又可变形为0000!)1()1()(f n n t t t f t f th x N nn ∆+--++∆+=+上式称为Newton 向前插值公式。