插值法及其应用【文献综述】

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信息与计算科学

插值法及其应用

插值问题是数值计算中基础而又核心的问题. 在许多实际问题及科学研究中, 因素之间往往存在着函数关系, 然而, 这种关系经常很难有明显的解析表达, 通常只是有观察与测试得到一些离散数值.有时即使给出了解析表达式, 却由于表达过于复杂, 不仅使用不便, 而且不易与进行计算与理论分析. 例如在工程实际问题中, 我们也经常会碰到诸如此类的函数计算问题, 被计算的函数有时不容易直接计算, 如表达式过于复杂或者只希望能用一个“简单函数”逼近被计算函数, 然后用该简单函数的函数值近似代替被计算函数的函数值. 这种方法就叫插值逼近或者插值法. 插值法要求给出函数的一个函数表, 然后选定一种简单)(x f 的函数形式, 比如多项式、分段线性函数及三角多项式等, 通过已知的函数表来确定一个简单的函数作为的近似, 概括地说, 就是用简单函数为离散数组建立连续模型. )(x )(x f 插值方法是一类古老的数学方法, 它来自生产实践. 早在数千多年前, 由于经典的牛顿力学尚未诞生, 因而人们无法用解析式描述日月五星的运行规律. 我们的祖先凭借插值方法, 利用对日月五星运行规律的有限个观测值获得了比较完整的日月五星的运行规律. 在一千多年前的隋唐时期, 中华先贤在制定历法的过程中就已经广泛地运用了插值技术. 公元6世纪, 隋朝刘焊已将等距结点的二次插值应用于天文计算. 但插值的基本理论和结果是在微积分产生以后才逐步完善的, 随后其应用也日益增多, 特别是在电子计算机广泛使用以后, 由于航空、造船、精密机械加工等实际问题的需要,

使插值法在实践上或理论上显得更为重要, 并得到进一步发展.

经典的插值方法以Taylor 插值和Lagrange 插值为代表. Taylor 插值利用函数在定义域内某点处的阶至n 阶导数信息给出复杂函数或未知函数的近似多项式表达式, Lagrange 插0值利用多个离散点的函数信息给出函数的近似多项式的表达式, 进一步根据插值结果对复杂函数或未知函数相关的理论和应用问题做出讨论.因此Taylor 插值和Lagrange 插值有着紧密的联系, Taylor 插值可以看作Lagrange 插值的极限形式；Lagrange 插值则是Taylor 插值的离散化形式.Lagrange 插值的优点是插值多项式特别容易建立, 缺点是增加节点时原有

多项式不能利用, 必须重新建立, 即所有基函数都要重新计算, 这就造成计算量的浪费；Newton插值多项式是代数插值的另一种表现形式, 当增加节点时它具有所谓的“承袭性”. .

在很多实际应用问题中, 为了保证插值函数能更好的密合原来的函数, 不但要求插值函数“过点”, 即插值函数和被插值函数在节点上具有相同的函数值, 而且要求“相切”, 即两者在节点处还具有相同的导数值, 这类插值称作切触插值, 即Hermite插值.由于Taylor 插值利用的是“一点”的各阶导数信息, Lagrange插值利用的“多点”函数信息, 而Hermite插值即利用函数值信息又利用导数信息, 所以Hermite插值是Taylor插值和Lagrange插值的综合和推广.

现在, 插值技术应用越来越广泛了. 当我们尚未认识到某一事物的本质时, 常从其观测点出发, 利用插值技术以加深或拓展对该事物的认识或解决某些特定的问题.

密钥共享即是插值法的应用之一. 在现代密码体制中, 数据的加密算法是公开的, 数据的安全性主要取决于对密钥的保护. 现在基于Lagrange插值多项式也研究出了一种密钥共享方法, 解决了密钥保护问题.

目前实际中使用的也不仅仅局限与上述的插值方法, 很多都是对经典方法的改进, 例如《空间插值法在地阶梯度场中的分析》一文中介绍了4种空间插值法在房产估值中的应用, 4种空间插值方法都各有优缺点, 作者通过对各种方法研究比较, 最后选择克里金插值法作为住宅用地地价梯度场研究的主要方法.根据其研究成果房地产决策者和规划者可以对城市居住用地的土地利用向最有效使用方向调整, 最大限度的实现土地的最高使用价值.

随着计算机的发展以及图像处理的重要性, 插值法在计算机图像处理中也有着重要的作用.图像放大是一种常用的数字图像处理技术, 在航天航天、医学、通讯、多媒体等领域有着广泛的应用, 常用的图像插值算法中, 最临近插值算法的实现最为简单、方便, 但它只是原始像素简单复制到其邻域内, 放大图像会出现明显的方块或锯齿, 即我们平时所说的失真.目前较为好的方法之一即双线性插值算法, 双线性插值算法利用映射点在输入图形的4个邻点的灰度值对映射点进行插值, 即插值点处的数值用待插点最近的4个点的值加权求得. 双线性插值能够较好的消除锯齿, 放大后图像平滑性好.但是其缺点是图像高频信息丢失严重, 即图像细节与轮廓的模糊, 影响了放大图像的清晰度.因此在双线性插值放大技术的基础之上, 加入边缘锐化处理, 增强平滑图像的轮廓, 使放大后的图像有较好的清晰度.

插值法的基本理论和结果是在微积分产生以后才逐步完善的, 其应用也日益增多, 特别是在电子计算机广泛使用以后, 由于航空、造船、精密机械加工等实际问题的需要, 使插

值法在实践上或理论上显得更为重要, 并得到进一步发展.

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