数据插值方法ppt
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插值法(共7张PPT)
( x 1 , y 1 ), ( x 2 , y 2 ), , ( x n , y n ), 有
n
[ y k ( x k )] 2
k 1
n
[ y k ( a 0 a 1 x k )] 2 k 1
f (a 0,a1)
可见 , f ( a 0 , a 1 )的极大值点
即为所待定的常数
(a 0,a1)
由a0,a1) 0 a0
f (a0,a1) 0 a1
2
n
(yk
a0
a1xk )
0
k 1
n
2 ( y k a 0 a 1 x k ) x k 0
k 1
na
0
n
xk
a1
n
yk
k 1
k 1
n k 1
x
k
a
0
n x k 2 a 1 k 1
g(x) f(x)
xx
0
1
x
x
2
第一页，共7页。
x
x
3
4
拟合曲线：从数据中找出的趋势性、规律性曲线。消除了数据 的 局部波动。
y
(xi , yi) , i = 1, 2, …, m
x
这时不是取 P(xi) = yi , 而要使 P(xi) yi 总体上尽可能小。
常见做法：
太复杂
➢ 使 m 1im a|P x(xi)yi |最小 /* mini(max()) problem? */
m
m
2
aj
y x
j i
k
＝
xk
ii
j0
i1
i 1
m
m
记 bk xik , ck yi xik
第五章插值法PPT课件
三、几何意义、
四、多项式插值问题
对于不同的函数族Φ的选择，得到不同的插值问题 – 当Φ为一些三角函数的多项式集合时:三角插值; – 当Φ为一些有理分式集合时：有理插值； – 当Φ为一些多项式集合时：多项式插值（代数插
值）
特别的取 = Pn span 1, x, x2,, xn , 即
Pn (x) (x) a0 a1x a2x2 anxn, ai R, 0 i n
求得 V n(x0,x1, ,xn) (xixj) 0jin
由于假设ij时，xixj，故所有因子xi-xj0，于 是Vn(x0,x1,…,xn)0。由克莱姆(Grammer)法则，
方程组的解存在且唯一，从而插值多项式是存在唯
一的。
证毕
六、插值余项
引理 已知函数f(x)在[a,b]上具有m-1阶连续导函 数，且在（a,b）上存在m阶导数。 若它在该区间 上有m+1个零点，则它的m阶导函数在(a,b)内至
(xi
) n i0
。
若函数族 中的函数(x) 满足条件
(xi ) f (xi ), i 0,1,, n
（1）
则称 ( x)
为
f
(x)
在
中关于节点
xi
n i0
的一个插值函数。
f (x) ——被插值函数； [a, b] ——插值区间；
xi
n i0
——插值节点；
式（1）——插值条件.
求插值函数(x)的问题称为插值问题。
n
n
若记 n1(x) ，(x则x有i)
n1(x，k)从而(xk xi)
i0
lk(x)(xxkn) 1(n'x)1(xk)
i0,ik
3.插值基函数的性质
数值计算方法 5插值法
5.2.3 n次拉格朗日插值
➢问题描述
插值基点：x0，x1，…，xn（n+1个点互异） 插值函数：不超过n次的多项式
插值条件：Ln(xi)=yi, i=0,1,2,…,n
➢基函数
li (x)
(x x0 ) (x xi1 )(x xi1 ) (x xn ) (xi x0 ) (xi xi1 )(xi xi1 ) (xi xn )
定义5-3
设H
是
n
不超过n次的多项式的全体的集合，
0
(
x)
,1
(
x),
,n (x)
是H n中n
1个线性无关的多项式，则0 (x),1 (x),
,
n
(
x)是H
的
n
一组基函数。
注意：基函数是不唯一的；
n
H n中的任一多项式pn (x)均可由基函数唯一表示，即pn (x) kii (x) i0
➢定理5-1 (插值函数的存在唯一性定理)
由于多项式有其优良的特性，所以通常都是用多项式作为 插值函数。还有其它类型的插值函数，如有理函数插值、 三角函数插值等
➢函数插值涉及的基本问题
插值函数的存在唯一性问题
插值函数的构造问题
截断误差估计与收敛性问题
➢ 代数多项式插值函数的构造方法
拉格朗日插值法 埃尔米特插值法
牛顿插值法
样条函数插值法
拉格朗日插值函数均可表示为一组基函数与函数值的线性组 合，这些基函数与被插函数无关，只需用插值基点有来构造。
5.2.1 拉格朗日线性插值L1(x) ➢线性插值及几何意义
n=1时的n次多项式L1(x) 称为线性插值。此时，有两个互异的 插值基点:x0，x1，插值条件为: L1(x0)=y0, L1(x1)=y1 。
《拉格朗日插值法》课件
确定多项式的阶数
根据已知的插值点和插值函数的性质 ，确定多项式的阶数。
求解插值多项式的系数
求系数
通过已知的插值点和构造的插值多项式，求解出多项式的系数。
验证解的正确性
通过已知的插值点和求解出的系数，验证解的正确性。
04
拉格朗日插值法的应用实例
在数值分析中的应用
数值积分
拉格朗日插值法可用于数值积分，通过插值多项式对被积函数进行近似，进而求得积分的近似值。
全局插值能力较弱
拉格朗日插值法主要适用于局部插值，对于全局插值问题可能不太 适用。
06
拉格朗日插值法的改进与发
展
改进方法
提高精度
通过增加插值基函数的数量， 可以更精确地逼近函数，从而
提高插值的精度。
处理异常值
引入稳健性估计方法，对异常 值进行识别和处理，以提高插 值的稳定性。
优化算法
改进算法以提高计算效率，减 少计算量，使得插值过程更加 快速和高效。
图像处理
在图像处理中，可以使用拉格朗日插值法对图像进行放大、缩小或旋转等变换，保持图 像的清晰度和连贯性。
三维模型重建
在三维模型重建中，可以使用拉格朗日插值法对点云数据进行插值，得到连续光滑的三 维模型表面。
05
拉格朗日插值法的优缺点
优点
01
02
03
简单易行
拉格朗日插值法是一种直 观且易于理解的方法，不 需要复杂的数学工具即可 实现。
工程
用于解决各种实际问题，如机 械振动、流体动力学和电路分 析等。
物理学
用于模拟和预测各种物理现象 ，如力学、电磁学和量子力学 等。
02
拉格朗日插值法的基本概念
拉格朗日插值法的定义
根据已知的插值点和插值函数的性质 ，确定多项式的阶数。
求解插值多项式的系数
求系数
通过已知的插值点和构造的插值多项式，求解出多项式的系数。
验证解的正确性
通过已知的插值点和求解出的系数，验证解的正确性。
04
拉格朗日插值法的应用实例
在数值分析中的应用
数值积分
拉格朗日插值法可用于数值积分，通过插值多项式对被积函数进行近似，进而求得积分的近似值。
全局插值能力较弱
拉格朗日插值法主要适用于局部插值，对于全局插值问题可能不太 适用。
06
拉格朗日插值法的改进与发
展
改进方法
提高精度
通过增加插值基函数的数量， 可以更精确地逼近函数，从而
提高插值的精度。
处理异常值
引入稳健性估计方法，对异常 值进行识别和处理，以提高插 值的稳定性。
优化算法
改进算法以提高计算效率，减 少计算量，使得插值过程更加 快速和高效。
图像处理
在图像处理中，可以使用拉格朗日插值法对图像进行放大、缩小或旋转等变换，保持图 像的清晰度和连贯性。
三维模型重建
在三维模型重建中，可以使用拉格朗日插值法对点云数据进行插值，得到连续光滑的三 维模型表面。
05
拉格朗日插值法的优缺点
优点
01
02
03
简单易行
拉格朗日插值法是一种直 观且易于理解的方法，不 需要复杂的数学工具即可 实现。
工程
用于解决各种实际问题，如机 械振动、流体动力学和电路分 析等。
物理学
用于模拟和预测各种物理现象 ，如力学、电磁学和量子力学 等。
02
拉格朗日插值法的基本概念
拉格朗日插值法的定义
《数值分析》第二讲插值法PPT课件
1 xn xn2 xnn Vandermonde行列式
即方程组（2）有唯一解 (a0, a1, , an)
所以插值多项式
P (x ) a 0 a 1 x a 2 x 2 a n x n
存在且唯一
第二章：插值
§2.2 Lagrange插值
y
数值分析
1、线性插值
P 即(x)ykx yk k 1 1 x yk k(xxk)
l k ( x k 1 ) 0 ,l k ( x k ) 1 ,l k ( x k 1 ) 0 l k 1 ( x k 1 ) 0 ,l k 1 ( x k ) 0 ,l k 1 ( x k 1 ) 1
lk1(x)(x(k x 1 x xk k))x x ((k 1x k x 1k )1) lk(x)((xx k x xk k 1 1))((x xkxx k k1)1)
第二章：插值
数值分析
3、Lagrange插值多项式
令 L n ( x ) y 0 l 0 ( x ) y 1 l 1 ( x ) y n l n ( x )
其中，基函数
lk (x ) (x ( k x x x 0 ) 0 ) (( x x k x x k k 1 1 ) )x x k ( ( x x k k 1 ) 1 ) (( x x k x n x )n )
因此 P (x ) lk (x )y k lk 1 (x )y k 1
且
P (x k ) y k P (x k 1 ) y k 1
lk(x), lk1(x) 称为一次插值基函数
数值分析
第二章：插值
2、抛物线插值 令
y (xk , yk )
f (x)
lk1(x)(x(k x 1 x xk k))x x ((k 1x k x 1k )1) p( x) (xk1,yk1)
计算方法课件_插值法
P( x) an x an1 x
n
n1
a1 x a0
满足
P( xi ) f ( xi )
(i 0,1,2,, n)
计 则称P(x)为f(x)的n次插值多项式。这种插值法通常 算 称为代数插值法。其几何意义如下图所示 方 法 课 件 y=p(x)
y=f(x)
2016/12/27
算 l0 ( x0 ) 1, l0 ( x1 ) 0 , l0 ( x2 ) 0 方 法 这个问题容易求解。由上式的后两个条件知 : 课 件 x1 , x 2 是 l0 ( x) 的两个零点。于是
1 再由另一条件 l0 ( x0 ) 1 确定系数 c ( x0 x1 )(x0 x2 ) ( x x1 )(x x2 ) 从而导出 l0 ( x) ( x0 x1 )(jkhh x0 x 2 ) 2016/12/27 14
直接由插值条件决定，
y
计 即 a0 , a1 , a 2 满足下面 y0 算 的代数方程组： 方 O x0 法 课 2 a a x a x 0 1 0 2 0 y0 件 该三元一
y=L2(x) y1 x1 y1 x2 y=f(x) x
2 a a x a x 0 1 1 2 1 y1 2 a a x a x 2 2 y2 0 1 2
(i=0,1,2,…,n )
的便于使用的插值多项式P(x),先考察几种简单情形,
线性插值是代数插值的最简单形式。假设给定了函数 近似地代替f(x)。选
x1 的值， f(x)在两个互异的点 x0 ， y0 f ( x0 ), y1 f ( x1 )
,现要求用线性函数 p( x) ax b 择参数a和b, 使 p( xi ) f ( xi )(i 0,1) P(x) 为f(x)的线性插值函数 2016/12/27 jkhh 。
数值分析 第1章 插值方法讲解
f (n1) ( )
(n 1)!
n k 0
(x
xk ),
ξ [a,b]
第1章 插值方法
例题1: 令x0=0, x1=1. 写出y=f(x)=e-x的一次插值多项式 P1(x), 并估计误差.
解: x0=0, y0=1; x1=1, y1=e-1.
P1(x) y0l0 (x) y1l1(x)
0, j k lk (x j ) 1, j k
lk (x)
n j 0
x xj xk x j
jk
插值基函数
Pn (x)
n k 0
yklk (x)
n k 0
n
yk (
j0
x xj ) xk x j
jk
第1章 插值方法
§3 插值余项
1.拉格朗日余项定理
l0 (x)
(x ( x0
x1)(x x2 ) x1)(x0 x2 )( x1
x0 )(x x2 ) x0 )(x1 x2 )
;
l2 (x)
(x ( x2
x0 )(x x1) x0 )(x2 x1)
.
插值基函数
第1章 插值方法
3.一般情形 问题的解(插值公式):
第1章 插值方法
f (x) Pn (x)
f
'
' (
2
)
(
x
x0
)(x
x1
)
1 e- (x 0)(x 1), ξ [0,1] 2
max
0 x1
f (x) Pn (x)
1 max e- 2 0x1
用MATLAB进行数据插值课件
用Matlab进行数据插值课件
目录
• Matlab数据插值简介 • 一维数据插值 • 二维数据插值 • 插值结果的评估与可视化 • 实际应用案例
01
Matlab数据插值简介
Chapter
插值的概念
插值是一种数学方法，通过已知的离散数据点，估算出 未知点的数值。 它基于已知数据点建立一个数学模型，然后利用这个模 型预测新的数据点。
用二维多项式插值处理地理信息数据
总结词
二维多项式插值适用于处理平面上的多变量 插值问题，如地理信息数据。
详细描述
二维多项式插值通过已知的离散数据点，使 用多项式函数进行插值，计算出平面内未知 点的值。在处理地理信息数据时，可以使用 二维多项式插值来预测某个地理位置的气候 、土壤类型等信息。
用样条插值处理股票价格数据
插值可用于数据平滑、预测、图像处理等领域。
插值的应用场景
01
02
03
数据平滑
在处理包含噪声的数据时 ，插值可以帮助消除噪声 ，使数据更平滑。
数据预测
在时间序列分析、金融建 模等领域，插值可用于预 测未来的数据点。
图像处理
在图像处理中，插值可用 于放大图像、修复图像等 任务。
Matlab中的插值函数
布和趋势。
折线图
将原始数据和插值结果绘制成折线 图，便于观察数据的连续性和变化 趋势。
误差图
将原始数据、插值结果和误差绘制 在同一图表中，便于比较和分析。
Matlab中的数据可视化工具箱介绍
01
Matlab自带的数据可视化工具箱提供了丰富的绘图函数和工具，如plot、 scatter、bar等，可用于绘制各种类型的图表。
Chapter
插值结果的评估方法
目录
• Matlab数据插值简介 • 一维数据插值 • 二维数据插值 • 插值结果的评估与可视化 • 实际应用案例
01
Matlab数据插值简介
Chapter
插值的概念
插值是一种数学方法，通过已知的离散数据点，估算出 未知点的数值。 它基于已知数据点建立一个数学模型，然后利用这个模 型预测新的数据点。
用二维多项式插值处理地理信息数据
总结词
二维多项式插值适用于处理平面上的多变量 插值问题，如地理信息数据。
详细描述
二维多项式插值通过已知的离散数据点，使 用多项式函数进行插值，计算出平面内未知 点的值。在处理地理信息数据时，可以使用 二维多项式插值来预测某个地理位置的气候 、土壤类型等信息。
用样条插值处理股票价格数据
插值可用于数据平滑、预测、图像处理等领域。
插值的应用场景
01
02
03
数据平滑
在处理包含噪声的数据时 ，插值可以帮助消除噪声 ，使数据更平滑。
数据预测
在时间序列分析、金融建 模等领域，插值可用于预 测未来的数据点。
图像处理
在图像处理中，插值可用 于放大图像、修复图像等 任务。
Matlab中的插值函数
布和趋势。
折线图
将原始数据和插值结果绘制成折线 图，便于观察数据的连续性和变化 趋势。
误差图
将原始数据、插值结果和误差绘制 在同一图表中，便于比较和分析。
Matlab中的数据可视化工具箱介绍
01
Matlab自带的数据可视化工具箱提供了丰富的绘图函数和工具，如plot、 scatter、bar等，可用于绘制各种类型的图表。
Chapter
插值结果的评估方法
第二章分段插值ppt课件
f(x)1215x2 定义在区间[-1，1]上，这是一个光滑函数， 它的任意阶导数都存在，对它在[-1，1]上作等距节点插值时， 插值多项式情况，见图:
1 0.5Leabharlann 0 -0.5-1-1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00
从图中，可见，
f(x)
n=8
在靠近-1或1时，
n=4
余项会随n值增
大而增大，如
分段线性插值的余项：
定理：设f(x)在[a,b]上有二阶连续导数f″(x) ，且| f″(x)| ≤m2, 记： h = max |xi+1-xi|,就有估计：
|f(x)- (x) |=|R(x)| ≤m2h2/8， x∈[a, b]。 注意到h随分段增多而减少，因此用分段法提高精度是很好的途径. 证明：由Lagrange 余项公式，当x∈[xi, xi+1]时
•(1)将[-1，1] 10 等份，用分段线性插值近似计算f(-0.96)。
•(2)将[-1，1] n 等份，用分段线性插值近似计算,问如何选择 步长h可使近似计算误差R<10-4?
解：(1)插值节点为xi=-1+ i/5 (i=0,1,…,10),h=1/5
因为 -0.96∈[-1,-0.8],取此区间为线性插值区间，其上的插值 函数为
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的多项式;
则称(x)是f(x)在[a ,b]上的分段m次插值多项式。
m=1称为分段线性插值 m=2称为分段抛物线插值
分段线性插值的构造：
由定义， (x)在每个子区间[xi , xi+1](i=0,1,2,,n-1)上是一次插值多 项式;
1 0.5Leabharlann 0 -0.5-1-1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00
从图中，可见，
f(x)
n=8
在靠近-1或1时，
n=4
余项会随n值增
大而增大，如
分段线性插值的余项：
定理：设f(x)在[a,b]上有二阶连续导数f″(x) ，且| f″(x)| ≤m2, 记： h = max |xi+1-xi|,就有估计：
|f(x)- (x) |=|R(x)| ≤m2h2/8， x∈[a, b]。 注意到h随分段增多而减少，因此用分段法提高精度是很好的途径. 证明：由Lagrange 余项公式，当x∈[xi, xi+1]时
•(1)将[-1，1] 10 等份，用分段线性插值近似计算f(-0.96)。
•(2)将[-1，1] n 等份，用分段线性插值近似计算,问如何选择 步长h可使近似计算误差R<10-4?
解：(1)插值节点为xi=-1+ i/5 (i=0,1,…,10),h=1/5
因为 -0.96∈[-1,-0.8],取此区间为线性插值区间，其上的插值 函数为
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的多项式;
则称(x)是f(x)在[a ,b]上的分段m次插值多项式。
m=1称为分段线性插值 m=2称为分段抛物线插值
分段线性插值的构造：
由定义， (x)在每个子区间[xi , xi+1](i=0,1,2,,n-1)上是一次插值多 项式;
《插值方法基本思想》课件
量大、精度降低。
牛顿插值法
总结词
牛顿插值法是一种利用差商来构造插值多项式的方法，具有计算简便、精度高 等优点。
详细描述
牛顿插值法基于差商的性质，通过差商构造出一个插值多项式，该多项式在已 知数据点上与实际值相等，从而实现对未知点的估计。该方法计算简便、精度 高，适用于大规模数据的插值处理。
样条插值法
05
插值方法的发展趋势和未来展望
改进插值算法的稳定性
算法鲁棒性
提高算法对异常值和噪声的鲁棒性，使其 在复杂数据中仍能保持稳定。
适应性调整
根据数据分布特点，自适应地调整插值算 法的参数，以提高稳定性。
多方法融合
结合多种插ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ方法，取长补短，提高整体 稳定性。
探索更高效的计算方法
并行计算
利用多核处理器或多线程技术，实现插值算法的并行 化，提高计算效率。
插值方法基本思想
CONTENTS
• 插值方法的定义和分类 • 插值方法的数学原理 • 插值方法的应用场景 • 插值方法的优缺点 • 插值方法的发展趋势和未来展
望
01
插值方法的定义和分类
线性插值
总结词
线性插值是一种简单的插值方法，通过 连接两个已知数据点的直线来估计中间 的值。
VS
详细描述
线性插值基于两点之间的直线关系，通过 已知的两个数据点，计算出它们之间的线 性方程，然后利用该方程来估计中间的值 。线性插值的公式为(y = y_1 + (x - x_1) * (y_2 - y_1) / (x_2 - x_1))，其中(x_1)和 (y_1)是第一个已知数据点，(x_2)和(y_2) 是第二个已知数据点。
优化算法
简化算法步骤，减少不必要的计算量，提高计算速度 。
牛顿插值法
总结词
牛顿插值法是一种利用差商来构造插值多项式的方法，具有计算简便、精度高 等优点。
详细描述
牛顿插值法基于差商的性质，通过差商构造出一个插值多项式，该多项式在已 知数据点上与实际值相等，从而实现对未知点的估计。该方法计算简便、精度 高，适用于大规模数据的插值处理。
样条插值法
05
插值方法的发展趋势和未来展望
改进插值算法的稳定性
算法鲁棒性
提高算法对异常值和噪声的鲁棒性，使其 在复杂数据中仍能保持稳定。
适应性调整
根据数据分布特点，自适应地调整插值算 法的参数，以提高稳定性。
多方法融合
结合多种插ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ方法，取长补短，提高整体 稳定性。
探索更高效的计算方法
并行计算
利用多核处理器或多线程技术，实现插值算法的并行 化，提高计算效率。
插值方法基本思想
CONTENTS
• 插值方法的定义和分类 • 插值方法的数学原理 • 插值方法的应用场景 • 插值方法的优缺点 • 插值方法的发展趋势和未来展
望
01
插值方法的定义和分类
线性插值
总结词
线性插值是一种简单的插值方法，通过 连接两个已知数据点的直线来估计中间 的值。
VS
详细描述
线性插值基于两点之间的直线关系，通过 已知的两个数据点，计算出它们之间的线 性方程，然后利用该方程来估计中间的值 。线性插值的公式为(y = y_1 + (x - x_1) * (y_2 - y_1) / (x_2 - x_1))，其中(x_1)和 (y_1)是第一个已知数据点，(x_2)和(y_2) 是第二个已知数据点。
优化算法
简化算法步骤，减少不必要的计算量，提高计算速度 。
数据插值方法ppt
54.859 55.439 // 57.602 57.766 51.891 36.464
先用 MATLAB 画出水流速散点图。
2024/1/2
差值方法
t=[0 0.921 1.843 2.949 3.871 4.978 5.9 7.006 7.982 8.967 10.954 12.032 12.954 13.875 14.982 15.903 16.826 17.931 19.037 19.959 20.839 22.958 23.88 24.986 25.908]; r=[54.516 42.320 38.085 41.679 33.297 37.814 30.748 38.455 32.122 41.718 73.686 76.434 71.686 60.19 68.333 59.217 52.011 56.626 63.023 54.859 55.439 57.602 57.766 51.891 36.464];
2024/1/2
差值方法
例 1、已知欧洲一个国家的地图，为了算出它的国土 面积，对地图作了如下测量：以由西向东方向为 x 轴，由南向北方向为 y 轴，选择方便的原点，并将 从最西边界点到最东边界点在 x 轴上的区间适当的 分为若干段，在每个分点的 y 方向测出南边界点和北 边界点的 y 坐标 y1 和 y2，这样就得到下表的数据（单 位：mm）。
3、样条插值
这是最常用的插值方法。数学上所说的样条，实质上
是指分段多项式的光滑连接。设有
a x0 x1 xn b
称分段函数 S(x) 为 k 次样条函数,若它满足
(1) S(x) 在每个小区间上是次数不超过 k 次的多项式;
(2) S(x) 在[a,b] 上具有直到 k 1阶的连续导数。 用样条函数作出的插值称为样条插值。工程上广泛采用三
线性插值与二次插值公式ppt课件
存在C(x)，令
Rn(x) ＝f(x) – Ln(x)= C(x) n+1(x)
取定 x∈(a, b), 设 t∈( a, b ). 构造函数
F (t ) f (t ) Ln (t ) Cn1(t )
显然, F(x) = 0, F(xj) = 0, ( j = 0,1,···,n )
)
L( n 1) n
(t)
C
(n1) n1
(t
)
f (n1) ( ) C(n 1)! 0
f (n1) ( )
C (n 1)!
Rn ( x)
f ( x) Ln ( x)
f (
(n
n
1) (
1)!
)
n1
(
x
)
22
如果 M max f (n1)( x) 存在，则
Ln(x)=a0 + a1x +……+ anxn 存在而且是唯一的。
证明 由插值条件
L(x0)= y0 L(x1)=y1 ·············· L(xn)=yn
a0 a1 x0 a0 a1 x1
an x0n an x1n
y0 y1
a0 a1 xn an xnn yn
a xb
|
Rn ( x)
|
M (n 1)!
n1( x)
23
24
25
ji
17
18
Lagrange插值的误差余项
两点线性插值
L1( x)
x x0 x1 x0
y1
x1 x x1 x0
y0
定义误差余项:
Rn(x) ＝f(x) – Ln(x)= C(x) n+1(x)
取定 x∈(a, b), 设 t∈( a, b ). 构造函数
F (t ) f (t ) Ln (t ) Cn1(t )
显然, F(x) = 0, F(xj) = 0, ( j = 0,1,···,n )
)
L( n 1) n
(t)
C
(n1) n1
(t
)
f (n1) ( ) C(n 1)! 0
f (n1) ( )
C (n 1)!
Rn ( x)
f ( x) Ln ( x)
f (
(n
n
1) (
1)!
)
n1
(
x
)
22
如果 M max f (n1)( x) 存在，则
Ln(x)=a0 + a1x +……+ anxn 存在而且是唯一的。
证明 由插值条件
L(x0)= y0 L(x1)=y1 ·············· L(xn)=yn
a0 a1 x0 a0 a1 x1
an x0n an x1n
y0 y1
a0 a1 xn an xnn yn
a xb
|
Rn ( x)
|
M (n 1)!
n1( x)
23
24
25
ji
17
18
Lagrange插值的误差余项
两点线性插值
L1( x)
x x0 x1 x0
y1
x1 x x1 x0
y0
定义误差余项:
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2020/5/10
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例 1、已知欧洲一个国家的地图，为了算出它的国土 面积，对地图作了如下测量：以由西向东方向为 x 轴，由南向北方向为 y 轴，选择方便的原点，并将 从最西边界点到最东边界点在 x 轴上的区间适当的 分为若干段，在每个分点的 y 方向测出南边界点和北 边界点的 y 坐标 y1 和 y2，这样就得到下表的数据（单 位：mm）。
2020/5/10
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凸轮高度的数据（单位：mm）
i 0 和 18
yi 502.8
i
6
yi 92.2
i
12
yi 236.0
1 525.0
7 59.6 13 280.5
2 514.3
8 62.2 14 324.9
可以证明当 m n 且 x0 x1 xn 时，这样的多项式 存在且唯一。若要求得到函数表达式，可直接解上 面方程组。
2020/5/10
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若只要求得函数在插值点处数值，可用下列
Lagrange 插值公式
Pn (x)
n i0
n
yi (
j0, ji
x xj ) xi x j
多项式插值光滑但不具有收敛性，一般不宜采用高
146.0 150.0 157.0 158.0];
y1=[44 45 47 50 50 38 30 30 34 36 34 41 45 46 43 37 33 28 32
65 55 54 52 50 66 66 68];
y2=[44 59 70 72 93 100 110 110 110 117 118 116 118 118 121
次多项式（如 m>7）插值。
2020/5/10
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例 2、在万能拉拨机中有一个园柱形凸轮，其底园半 径 R=300mm，凸轮的上端面不在同一平面上，而要 根据动杆位移变化的需要进行设计制造。按设计要 求，将底园周 18 等分，旋转一周。第 i 个分点对应柱 高 yi (i 0,1,2, ,18) ，数据见下表。为了数控加工，需要 计算出园周上任一点的柱高。
124 121 121 121 122 116 83 81 82 86 85 68];
newx=7:0.1:158;
newy1=interp1(x,y1,newx,’linear’);
newy2=interp1(x,y2,newx,’linear’);
Area=sum((newy2- newy1)*0.1/18^2*1600)
最后计算的面积约为 42414 平方公里。
2020/5/10
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2、多项式插值
设有 m 次多项式
P(x) a0 x m a1x m1 am1x am
通过所有 n 1个点 (x0 , y0 ), (x1, y1), , (xn , yn ) ，那么就有
a0 xi m a1xi m1 am1xi am yi , i 0,1, , n
第十章 插值与拟合 方法建模
2020/5/10
-
在生产实际中，常常要处理由实验或 测量所得到的一批离散数据，插值与拟合 方法就是要通过这些数据去确定某一类已 经函数的参数，或寻求某个近似函数使之 与已知数据有较高的拟合精度。插值与拟 合的方法很多，这里主要介绍线性插值方 法、多项式插值方法和样条插值方法，以 及最小二乘拟合方法在实际问题中的应用。 相应的理论和算法是数值分析的内容，这 里不作详细介绍，请参阅有关的书籍。
2020/5/10
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x 7.0 10.5 13.0 17.5 34.0 40.5 44.5 48.0 56.0 y1 44 45 47 50 50 38 30 30 34 y2 44 59 70 72 93 100 110 110 110 x 61.0 68.5 76.5 80.5 91.0 96.0 101.0 104.0 106.5 y1 36 34 41 45 46 43 37 33 28 y2 117 118 116 118 118 121 124 121 121 x 111.5 118.0 123.5 136.5 142.0 146.0 150.0 157.0 158.0 y1 32 65 55 54 52 50 66 66 68 y2 121 122 116 83 81 82 86 85 68
1、分段线性插值
这是最通俗的一种方法，直观上就是将各数据
点用折线连接起来。如果
a x0 x1 xn b
那么分段线性插值公式为
P(x)
x xi xi1 xi
yi1
x xi1பைடு நூலகம்xi xi1
yi
, xi1
x
xi
, i 1,2,
,n
可以证明，当分点足够细时，分段线性插值是收敛
的。其缺点是不能形成一条光滑曲线。
2020/5/10
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§1 数据插值方法及应用
在生产实践和科学研究中，常常有这样的问题： 由实验或测量得到变量间的一批离散样点，要求由此 建立变量之间的函数关系或得到样点之外的数据。与 此有关的一类问题是当原始数据 (x0 , y0 ), (x1, y1), , (xn , yn ) 精度较高，要求确定一个初等函数 y P(x) （一般用多 项式或分段多项式函数）通过已知各数据点（节点）， 即 yi P(xi ) , i 0,1, , n ，或要求得函数在另外一些点 （插202值0/5/1点0 ）处的数值，这便- 是插值问题。
n
S
lim
n
[
i 1
f 2 (i )
f1 (i )]xi
式中，i [xi1, xi ] 。
这里2020/线5/10性插值和面积计算源- 程序如下：
clear all
x=[7.0 10.5 13.0 17.5 34.0 40.5 44.5 48.0 56.0 61.0 68.5 76.5
80.5 91.0 96.0 101.0 104.0 106.5 111.5 118.0 123.5 136.5 142.0
2020/5/10
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根据地图的比例，18 mm 相当于 40 km。
根据测量数据，利用 MATLAB 软件对上下边界
进行线性多项式插值，分别求出上边界函数 f2 (x) ，
下边界函数 f1(x) ，利用求平面图形面积的数值积分 方法—将该面积近似分成若干个小长方形，分别求
出这些长方形的面积后相加即为该面积的近似解。