Пусть на задана непрерывная функция f(x). Введем сетку

и обозначим f i =f(x i ), i=0,1,N .

Сплайном, соответствующим данной функции f(x) и данным узлам , называется функция S(x), удовлетворяющая следующим условиям:

1. На каждом сегменте , i=1,2,N , функция S(x) является многочленом третьей степени;

2. Функция S(x), а также ее первая и вторая производные
непрерывны на ;

Последнее условие называется условием интерполирования , а сплайн, определяемый условиями 1)-3), называется также интерполяционным кубическим сплайном.

Докажем существование и единственность сплайна, определяемого перечисленными условиями. Приведенное ниже доказательство содержит также способ построения сплайна.

В промежутке между парой соседних узлов интерполяционная функция является многочленом 3-ей степени, который удобно записать в виде:

Коэффициенты многочлена определяют из условий в узлах. Он должен принимать табличные значения:

(1)

Число уравнений в два раза меньше числа неизвестных коэффициентов, поэтому для замыкания нужны дополнительные условия. Найдем первую и вторую производные от кубического многочлена:

(2)

Потребуем непрерывности этих производных (т. е. гладкости гибкой линейки) во всех точках, включая узлы. Приравнивая во внутреннем узле х i правые и левые пределы производных получаем:

3)

Недостающие два условия обычно получают из естественного предположения о нулевой кривизне графика на концах:

что соответствует свободно опущенным концам линейки. Но если есть дополнительные сведения об асимптотике функции, то можно записать другие краевые условия.

Уравнения (1-4) образуют систему линейных уравнений для определения 4N неизвестных коэффициентов. Эту систему можно решить методом исключения Гаусса, но выгоднее привести ее к специальному виду.

Уравнение (1) дает сразу все коэффициенты а i . Из уравнений (3) и (4)

(5)

Подставим (5) в (1), одновременно исключая а i = f i -1 , получим:

(6)

Исключая теперь из (3) b i и b i +1 по (6) и d i по (5), получаем систему уравнений для с i:

Матрица этой системы 3-х диагональная. Такие системы экономно решаются методом прогонки.

В силу диагонального преобладания система имеет единственное решение.

После нахождения с i определяются a i , b i и d i и определяется вид кубических многочленов (сплайнов) на каждом отрезке.

Таким образом, доказано, что существует единственный кубический сплайн, определяемый условиями 1)-3) и граничными условиями

Заметим, что можно рассматривать и другие граничные условия.

Можно рассмотреть и более общую задачу интерполяции функции сплайном – многочленом n-ой степени

,

коэффициенты которого кусочно - постоянны, и который в узлах принимает заданные значения и непрерывен вместе со своими (n-1) производными.

На практике наиболее употребительны 2 случая: один при n=3 (кубические многочлены) уже рассмотрен, второй при n-1 (многочлены Ньютона 1-ой степени) соответствует аппроксимации графика ломаной, построенной по узлам; определение коэффициентов при этом очевидно.

ЛЕКЦИЯ №14

ЧИСЛЕННОЕ ИНТЕГРИРОВАНИЕ

ПРОСТЫЕ КВАДРАТУРНЫЕ ФОРМУЛЫ

Общая формула прямоугольников

1. Квадратурная формула левых прямоугольников.

2. Формула правых прямоугольников

3. Квадратурная формула средних прямоугольников

Расчет погрешности формул численного интегрирования.

Пусть h>0 достаточно мало, x 0 =0.

Разложим функцию в ряд Тейлора в окрестности x 0 =0. :

Локальная погрешность для малого отрезка h -

, то есть

Свойство аддитивности

- погрешность на отрезке .

Квадратурные формулы Ньютона-Котеса

Если многочлен n - степени, то

Это квадратурные формулы интерполяционного типа. Здесь С к – коэффициенты Котеса

Безразмерные формулы.

Рассмотрим задачу проведения гладких кривых по заданным граничным точкам, или задачу интерполяции. Поскольку через две точки можно провести сколь угодно много гладких кривых, то для решения этой задачи необходимо ограничить класс функций, которые будут определять искомую кривую. Математическими сплайнами называют функции, используемые для аппроксимации кривых. Важным их свойством является простота вычислений. На практике часто используют сплайны вида полиномов третьей степени. С их помощью довольно удобно проводить кривые, которые интуитивно соответствуют человеческому субъективному понятию гладкости. Термин “сплайн” происходит от английского spline – что означает гибкую полоску стали, которую применяли чертежники для проведения плавных кривых, например, для построения обводов кораблей или самолетов.

Рассмотрим в начале сплайновую функцию для построения графика функции одной переменной. Пусть на плоскости задана последовательность точек , , причем . Определим искомую функцию , причем поставим два условия:

1) Функция должна проходить через все заданные точки: , .

2) Функция должна быть дважды непрерывно дифференцируема, то есть иметь непрерывную вторую производную на всем отрезке .

На каждом из отрезков , будем искать нашу функцию в виде полинома третьей степени:

.

Рис. 40. Сплайновая функция.

Задача построения полинома сводится к нахождению коэффициентов . Поскольку для каждого из отрезков необходимо найти 4 коэффициента , то всего количество искомых коэффициентов будет . Для нахождения всех коэффициентов определим соответствующее количество уравнений. Первые уравнений получаем из условий совпадения значений функции во внутренних узлах , . Следующие уравнений получаем аналогично из условий совпадения значений первых и вторых производных во внутренних узлах. Вместе с первым условием получаем уравнений. Недостающие два уравнения можно получить заданием значений первых производных в концевых точках отрезка . Так могут быть заданы граничные условия.

Перейдем к более сложному случаю – заданию кривых в трехмерном пространстве. В случае функционального задания кривой возможны многозначности в случае самопересечений и неудобства при значениях производных равных . Ввиду этого будем искать функцию в параметрическом виде. Пусть - независимый параметр, такой что . Кубическим параметрическим сплайном назовем следующую систему уравнений:

Координаты точек на кривой описываются вектором , а три производные задают координаты соответствующего касательного вектора в точке. Например, для координаты :

.

Одним из способов задания параметрического кубического сплайна является указание координат начальной и конечной точек, а также векторов касательных в них. Такой способ задания называется формой Эрмита. Обозначим концевые точки и , а касательные векторы в них и . Индексы выбраны таким образом с учетом дальнейшего изложения.

Будем решать задачу нахождения четверки коэффициентов , так как для оставшихся двух уравнений коэффициенты находятся аналогично. Запишем условие для построения сплайна:

Перепишем выражение для в векторном виде:

.

Обозначим вектор строку и вектор столбец коэффициентов , тогда .

Из (*) следует, что , . Для касательных ,

Отсюда получаем векторно-матричное уравнение:

.

Эта система решается относительно нахождением обратной матрицы размером .

.

Здесь - эрмитова матрица, - геометрический вектор Эрмита. Подставим выражение для нахождения : . Аналогично для остальных координат: , .

Выпишем в явном виде формулы для вычисления координат точек сплайна. Так как , то умножая справа на , получаем:

.

Четыре функции в скобках называются функциями сопряжения.

Форму кривой, заданной в форме Эрмита, легко изменять если учитывать, что направление вектора касательной задает начальное направление, а модуль вектора касательной задает степень вытянутости кривой в направлении этого вектора, как показано на рис. 41.

Рис. 41. Параметрический сплайн в форме Эрмита. Вытянутость кривой вправо обеспечивается тем, что .

Рассмотрим форму Безье, которая отличается от формы Эрмита способом задания граничных условий, а именно, вместо векторов и вводятся точки (и соответствующие им радиус векторы) и , как показано на рис.42, такие что выполняются условия: и .

Рис. 42. Параметрический сплайн в форме Безье.

Переход от формы Эрмита к форме Безье осуществляется преобразованием:

, (*)

где - геометрический вектор Безье. Подставляя это в выражение для , получаем

Полезным свойством сплайнов в форме Безье является то что кривая всегда лежит внутри выпуклой оболочки, образованной четырехугольником . Это свойство можно доказать, пользуясь тем, что в выражении (*) коэффициенты принимают значения от 0 до 1 и их сумма равна единице.

Заметим, что матрица вида

- называется матрицей Безье.

Список литературы

1. Ньюмен, Спрулл, Основы интерактивной машинной графики, М. Мир, 1976.

2. Энджел Й. Практическое введение в машинную графику, Радио и Связь, 1984.

3. А. Вэн-Дэм, Дж. Фоли, Основы интерактивной машинной графики, т.1-2, М. Мир, 1985.

4. Е.В. Жикин, А.В.Боресков, Компьютерная графика. Динамика, реалистические ихображения, М., Диалог-МИФИ, 1995, 1997.

5. Л. Аммерал, Машинная графика на языке С, в 4-х томах, изд-во Сол. Систем, 1992.

6. Компьютер обретает разум. Пер. с англ. Под ред. В.Л.Стефанюка, М. Мир, 1990.

7. Роджерс, алгоритмические основы машинной графики. М. Мир, 1989.

8. Грайс, Графические средства персональных компьютеров, М., Мир, 1980.

9. Роджерс, Адамс, Математические основы машинной графики, М. Машиностроение, 1985.

10. Гилой, Интерактивная машинная графика, М., Мир, 1981.

11. Ф. Препарата, М. Шеймос, Вычислительная геометрия: Введение, М. Мир, 1989.

12. А.Фокс, М. Пратт, Вычислительная геометрия, М., Мир, 1982.

13. А.Б.Боресков, Е.В.Шикина, Г.Е.Шикина, Компьютерная графика: первое знакомство, Под ред. Е.В.Шикина, М., Финансы и статистика, 1996.

14. А.В.Фролов, Г.В.Фролов, Графический интерфейс GDI в MS WINDOWS, Москва, Изд-во Диалог-МИФИ, 1994.

15. Майкл Ласло, Вычислительная геометрия и компьютерная графика на С++, Москва, Бином, 1997.

16. Ю.Тихомиров, Программирование трехмерной графики, С.-Пб.: БХВ‑Санкт-Петербург,1999.

17. А.Хонич, Как самому создать трехмерную игру. М.:МИКРОАРТ, 1996.

18. М.Маров, 3D Studio MAX 2.5: справочник – СПб: «Питер», 1999. – 672 с.

19. А.Ла Мот, Д.Ратклифф и др. Секреты программирования игр/ Перев с англ. – СПб: Питер, 1995. – 720 с.

20. Н. Томпсон, Секреты программирования трехмерной графики для Windows 95. Перев с англ. – СПб: Питер, 1997. – 352 с.

* В этом определении при замене, скажем, оси Oz на ось Ox остальные оси заменяются по правилу циклической перестановки, то есть Oy заменится на Oz, а Ox заменится на Oy. Всего циклических перестановок может быть три: (x,y,z)®(y,z,x)®(z,x,y).

* Более строгое определение однородных координат дается в разделе линейной алгебры «Проективные пространства».

Слово сплайн (английское слово "spline") означает гибкую линейку, используемую для проведения гладких кривых через заданные точки на плоскости. Форма этого универсального лекала на каждом отрезке описывается кубической параболой. Сплайны широко используются в инженерных приложениях, в частности, в компьютерной графике. Итак, на каждом i –м отрезке [x i –1 , x i ], i= 1, 2,…, N, решение будем искать в виде полинома третьей степени:

S i (x )=a i +b i (x–x i )+c i (x –x i ) 2 /2+d i (x–x i ) 3 /6

Неизвестные коэффициенты a i , b i , c i , d i , i= 1, 2,..., N, находим из:

Условий интерполяции: S i (x i )=f i , i= 1, 2,..., N ; S 1 (x 0)=f 0 ,

Непрерывности функции S i (x i– 1 )=S i– 1 (x i –1), i= 2, 3,..., N,

Непрерывности первой и второй производной:

S / i (x i– 1)=S / i– 1 (x i –1), S // i (x i –1)=S // i –1 (x i –1), i= 2, 3,..., N .

Учитывая, что , для определения 4N неизвестных получаем систему 4N –2 уравнений:

a i =f i , i= 1, 2,..., N,

b i h i – c i h i 2 /2 + d i h i 3 /6=f i – f i –1 , i= 1, 2,..., N,

b i – b i–1 = c i h i – d i h i 2 /2, i= 2, 3,..., N,

d i h i = c i – c i– 1 , i= 2, 3,..., N.

где h i =x i – x i– 1. Недостающие два уравнения выводятся из дополнительных условий: S // (a )=S // (b )=0. Можно показать, что при этом . Из системы можно исключить неизвестные b i , d i , получив систему N+ 1 линейных уравнений (СЛАУ) для определения коэффициентов c i :

c 0 = 0, c N = 0,

h i c i –1 + 2(h i +h i +1)c i +h i +1 c i +1 = 6 , i= 1, 2,…, N –1. (1)

После этого вычисляются коэффициенты b i , d i:

, i= 1, 2,..., N. (2)

В случае постоянной сетки h i =h этасистема уравнений упрощается.

Данная CЛАУ имеет трехдиагональную матрицу и решается методом прогонки.

Коэффициенты определяются из формул:

Для вычисления значения S (x ) в произвольной точке отрезка z ∈[a, b ] необходимо решить систему уравнений на коэффициенты c i , i= 1,2,…, N –1, затем найти все коэффициенты b i , d i . Далее, необходимо определить, на какой интервал [x i 0, x i 0–1 ] попадает эта точка, и, зная номер i 0 , вычислить значение сплайна и его производных в точке z

S (z )=a i 0 +b i 0 (z–x i 0)+c i 0 (z–x i 0) 2 /2+d i 0 (z–x i 0) 3 /6

S / (z )=b i 0 +c i 0 (z–x i 0)+d i 0 (z–x i 0) 2 /2, S // (z )=c i 0 +d i 0 (z–x i 0).

Требуется вычислить значения функции в точках 0.25 и 0.8, используя сплайн – интерполяцию.

В нашем случае: h i =1/4, .

Выпишем систему уравнений для определения :

Решая эту систему линейных уравнений, получим: .

Рассмотрим точку 0.25, которая принадлежит первому отрезку, т.е. . Следовательно, получим,

Рассмотрим точку 0.8, которая принадлежит четвертому отрезку, т.е. .

Следовательно,

Глобальная интерполяция

В случае глобальной интерполяции отыскивается единый полином на всем интервале [a, b ], т.е. строится полином, который используется для интерполяции функции f(x) на всем интервале изменения аргумента x. Будем искать интерполирующую функцию в виде полинома (многочлена) m –ой степени P m (x )=a 0 +a 1 x+a 2 x 2 +a 3 x 3 +…+a m x m . Какова должна быть степень многочлена, чтобы удовлетворить всем условиям интерполяции? Допустим, что заданы две точки: (x 0 , f 0) и (x 1 , f 1), т.е. N=1. Через эти точки можно провести единственную прямую, т.е. интерполирующей функцией будет полином первой степени P 1 (x )=a 0 +a 1 x. Через три точки (N=2) можно провести параболу P 2 (x )=a 0 +a 1 x+a 2 x 2 и т.д. Рассуждая таким способом, можно предположить, что искомый полином должен иметь степень N .

Для того, чтобы доказать это, выпишем систему уравнений на коэффициенты. Уравнения системы представляют собой условия интерполяции в при каждом x=x i :

Данная система является линейной относительно искомых коэффициентов a 0 , a 1 , a 2 , …, a N. Известно, что СЛАУ имеет решение, если ее определитель отличен от нуля. Определитель данной системы

носит имя определителя Вандермонда . Из курса математического анализа известно, что он отличен от нуля, если x k ≠ x m (т.е. все узлы интерполяции различные). Таким образом, доказано, что система имеет решение.

Мы показали, что для нахождения коэффициентов
a 0 , a 1 , a 2 , …, a N надо решить СЛАУ, что является сложной задачей. Но есть другой способ построения полинома N –й степени, который не требует решения такой системы.

Полином Лагранжа

Решение ищем в виде , где l i (z ) – базисные полиномы N –й степени, для которых выполняется условие: . Убедимся в том, что если такие полиномы построены, то L N (x) будет удовлетворять условиям интерполяции:

Каким образом построить базисные полиномы ? Определим

, i= 0, 1,..., N.

Легко понять, что

Функция l i (z ) является полиномом N –й степени от z и для нее выполняются условия "базисности":

0, i≠k;, т.е. k=1,…,i-1 или k=i+1,…,N.

Таким образом, нам удалось решить задачу о построении интерполирующего полинома N– й степени, и для этого не нужно решать СЛАУ. Полином Лагранжа можно записать в виде компактной формулы: . Погрешность этой формулы можно оценить, если исходная функция g (x ) имеет производные до N+ 1 порядка:

.

Из этой формулы следует, что погрешность метода зависит от свойств функции g (x ), а также от расположения узлов интерполяции и точки z. Как показывают расчетные эксперименты, полином Лагранжа имеет малую погрешность при небольших значениях N <20 . При бόльших N погрешность начинает расти, что свидетельствует о том, что метод Лагранжа не сходится (т.е. его погрешность не убывает с ростом N ).

Рассмотрим частные случаи. Пусть N=1, т.е. заданы значения функции только в двух точках. Тогда базовые полиномы имеют вид:

, т.е. получаем формулы кусочно–линейной интерполяции.

Пусть N=2. Тогда:

В результате мы получили формулы так называемой квадратичной или параболической интерполяции.

Пример: Заданы значений некоторой функции:

x				3.5
f	-1	0.2	0.5	0.8

Требуется найти значение функции при z= 1, используя интерполяционный полином Лгранжа. Для этого случая N =3, т.е. полином Лагранжа имеет третий порядок. Вычислим значения базисных полиномов при z =1:

Подбор эмпирических формул

При интерполировании функций мы использовали условие равенства значений интерполяционного полинома и данной функции в узлах интерполяции. Если же исходные данные получены в результате опытных измерений, то требование точного совпадения не нужно, так как данные не получены точно. В этих случаях можно требовать лишь приближенного выполнения условий интерполяции . Это условие означает, что интерполирующая функция F(x) проходит не точно через заданные точки, а в некоторой их окрестности, так, например, как это показано на рис.

Тогда говорят о подборе эмпирических формул . Построение эмпирической формулы состоит из двух этапов6 подбора вида этой формулы , содержащей неизвестные параметры , и определение наилучших в некотором смысле этих параметров. Вид формулы иногда известен из физических соображений (для упругой среды связь между напряжением и деформацией) или выбираются из геометрических соображений: экспериментальные точки наносятся на график и примерно угадывается общий вид зависимости путем сравнения полученной кривой с графиками извесиных функций. Успех здесь в значительной степени определяется опытом и интуицией исследователя.

Для практики важен случай аппроксимации функции многочленами, т.е. .

После того, как выбран вид эмпирической зависимости степень близости к эмпирическим данным определяется, используя минимум суммы квадратов отклонений вычисленных и экспериментальных данных.

Метод наименьших квадратов

Пусть для исходных данных x i , f i , i= 1,…,N (нумерацию лучше начинать с единицы), выбран вид эмпирической зависимости: с неизвестными коэффициентами . Запишем сумму квадратов отклонений между вычисленными по эмпирической формуле и заданными опытными данными:

Параметры будем находить из условия минимума функции . В этом состоит метод наименьших квадратов (МНК).

Известно, что в точке минимума все частные производные от по равны нулю:

(1)

Рассмотрим применение МНК для частного случая, широко используемого на практике. В качестве эмпирической функции рассмотрим полином

Формула (1) для определения суммы квадратов отклонений примет вид:

Вычислим производные:

Приравнивая эти выражения нулю и собирая коэффициенты при неизвестных , получим следующую систему линейных уравнений.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Институт радиоэлектроники и информационных технологий - РТФ

Кафедра Автоматика и информационные технологии

Интерполяция сплайнами

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К лабороторной работе ПО ДИСЦИПЛИНЕ «Численные методы»

Составитель И.А.Селиванова, ст.преподаватель.

ИНТЕРПОЛЯЦИЯ СПЛАЙНАМИ: Методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Численные методы»

Указания предназначены для студентов всех форм обучения направления 230100 – «Информатика и вычислительная техника».

Ó ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», 2011

1. ИНТЕРПОЛЯЦИЯ СПЛАЙНАМИ. 4

1.1. Кубические сплайны. 4

1.2. Специальная форма записи сплайна. 5

1.3. Квадратичные сплайны. 13

1.4. Задание на практику. 18

1.5. Варианты заданий. 19

Список литературы 21

1. Интерполяция сплайнами.

В случаях, когда промежуток [a ,b ], на котором требуется заменить функцию f (x ) велик, можно применить интерполяцию сплайнами.

1.1. Кубические сплайны.

Интерполяционные сплайны 3-го порядка - это функции, состоящие из кусков многочленов 3-го порядка. В узлах сопряжения обеспечивается непрерывность функции, ее первой и второй производных. Аппроксимирующая функция составляется из отдельных многочленов, как правило, одинаково небольшой степени, определенных каждый на своей части отрезка .

Пусть на отрезке [a , b ] вещественной оси x задана сетка , в узлах которой определены значения
функцииf (x ). Требуется построить на отрезке [a , b ] непрерывную функцию-сплайн S (x ), которая удовлетворяет следующим условиям:

Для построения искомого сплайна требуется найти коэффициенты
многочленов
,i =1,… n , т.е. 4 n неизвестных коэффициента, которые удовлетворяют 4 n -2 уравнениям (1), (2), (3). Чтобы система уравнений имела решение, добавляют еще два дополнительных (краевых) условия. Используется три типа краевых условий:

Условия (1), (2), (3) и одно из условий (4), (5), (6) образуют СЛАУ порядка 4 n . Решение системы можно провести с помощью метода Гаусса. Однако, выбрав специальную форму записи кубического многочлена, можно существенно снизить порядок решаемой системы уравнений.

1.2. Специальная форма записи сплайна.

Рассмотрим отрезок
. Введем следующие обозначения переменных:

Здесь
- длина отрезка
,

,
- вспомогательные переменные,

x – промежуточная точка на отрезке
.

Когда x пробегает все значения на интервале
, переменнаяизменяется от 0 до 1, а
изменяется от 1 до 0.

Пусть кубический многочлен
на отрезке
имеет вид:

Переменные и
определяются применительно к конкретному отрезку интерполяции.

Найдем значение сплайна
на концах отрезка
. Точка
является начальной для отрезка
, поэтому=0,
=1 и в соответствии с (3.8):
.

На конце отрезка
=1,
=0 и
.

Для интервала
точка
является конечной, поэтому=1,
=0 и из формулы (9) получаем:
. Таким образом, выполняется условие непрерывности функцииS (x ) в узлах стыковки кубических многочленов независимо от выбора чисел  i .

Для определения коэффициентов  i , i =0,… n продифференцируем (8) дважды как сложную функцию от x . Тогда

Определим вторые производные сплайна
и
:

Для многочлена
точкаявляется началом отрезка интерполяции и=0,
=1, поэтому

Из (15) и (16) следует, что на отрезке [a ,b ]сплайн-функция, «склеенная» из кусков многочленов 3-го порядка, имеет непрерывную производную 2-го порядка.

Чтобы получить непрерывность первой производной функции S (x ), потребуем во внутренних узлах интерполяции выполнения условия:

Для естественного кубического сплайна
, следовательно, система уравнений будет иметь вид:

и система уравнений (17) будет иметь вид:

Пример .

Исходные данные:

Заменить функцию
интерполяционным кубическим сплайном, значения которого в заданных узловых точках (см. табл.) совпадают со значениями функции в этих же точках. Рассмотреть разные краевые условия.

Рассчитаем значение функции в узловых точках. Для этого подставим в заданную функцию значения из таблицы.

Для разных краевых условий (4), (5), (6) найдем коэффициенты кубических сплайнов.

1. Рассмотрим первые краевые условия.

В нашем случае n =3,
,
,
. Чтобы найти
используем систему уравнений (3.18):

Вычислим и, используя формулы (7) и (11):

Подставим полученные значения в систему уравнений:

.

Решение системы:

С учетом первых краевых условий коэффициенты сплайна:

Рассмотрим определение коэффициентов сплайна с учетом краевых условий (3.5):

Найдем производную функции
:

Вычислим
и
:

Подставим в систему уравнений (21) значения и:

Используя формулу (20) определим  0 и  3:

С учетом конкретных значений:

и вектор коэффициентов:

Рассчитаем значения кубического сплайна S(x) в серединах отрезков интерполяции.

Середины отрезков:

Для вычисления значения кубического сплайна в серединах отрезков интерполяции воспользуемся формулами (7) и (9).

3.1.

Найдем и
:

В формулу (3.9) подставляем коэффициенты

3.2.

Найдем и
:

, для краевых условий (4), (5), (6):

3.3.

Найдем и
:

В формулу (9) подставляем коэффициенты
, для краевых условий (4), (5), (6):

Составим таблицу:

	(1 кр.усл.)	(2 кр.усл.)	(3 кр.усл.)

И уже почти год с того момента, как пришла в голову идея для второй. В силу многих обстоятельств (в первую очередь – лени и забывчивости), эта идея так и не была реализована ранее, но сейчас я собрался, написал весь этот материал и готов представить его вашему вниманию.

Начну с небольшой вводной. Будучи студентом 4-го, на тот момент, курса бакалавриата, я изучал курс «Компьютерная графика». Много там было разных интересных (и не очень) заданий, но одно прямо особо запало мне в душу: интерполяция кубическими сплайнами с заданными первыми производными на концах интервала. Пользователь должен был задавать значения первых производных, а программа - считать и выводить на экран интерполяционную кривую. Особенность и основная сложность задания заключена в том, что задаются именно первые производные, а не вторые, как в классической постановке сплайн-интерполяции.
Как я ее решал, и к чему оно в итоге пришло, я как раз и изложу в этой статье. И да, если по описанию задачи вы не поняли ни в чем ее смысл, ни в чем сложность, не переживайте, все это я также постараюсь раскрыть. Итак, поехали.

А, нет, погодите один момент. Вот вам два числовых ряда:
a) 2, 4, 6, 8, ?
b) 1, 3, ? , 7, 9

Какие числа должны стоять на месте вопросов и почему? Вы действительно уверены в своем ответе?

Интерполяция

Интерполяция, интерполирование (от лат. inter-polis – «разглаженный, подновлённый, обновлённый; преобразованный») – в вычислительной математике способ нахождения промежуточных значений величины по имеющемуся дискретному набору известных значений. (с) Википедия

Поясню на примерах. Существуют задачи, когда нам требуется узнать, условно, «закон распределения» (взял в кавычки, так как это, вообще говоря, термин из другой области математики) некого параметра по нескольким известным его значениям. Чаще всего речь идет об изменении некого параметра во времени: координаты движущегося тела, температуры объекта, колебания курса валюты, etc. При этом в силу каких-либо обстоятельств у нас не было возможности наблюдать за этим параметром непрерывно, мы могли узнавать его значения лишь в какие-то отдельные моменты времени. Исходными данными в таком случае у нас является множество точек вида value(time) , а целью задачи – восстановить кривую, проходящую через эти точки и непрерывно описывающую изменение этого параметра.

Следует понимать, что невозможность постоянного наблюдения за соответствующим параметром – это обычно какого-либо рода технологическое ограничение. С развитием техники таких ситуаций становится все меньше и меньше. Из современных задач такого плана – траектория движения, например, марсохода. Поддерживать непрерывный сеанс связи (пока что) все еще не представляется возможным, а контролировать его перемещение и рисовать красивые траектории хочется. Получается, что конкретные координаты можно узнать только в те моменты, когда связь все-таки налажена, а траекторию целиком приходится восстанавливать по полученным таким образом время от времени точкам.
Другой вариант применения интерполяции. Некоторые современные телевизоры показывают изображение с частотой обновления картинки до >=1000Гц (хотя это все еще запредельные значения). Большинство телевизоров так не умеет, но даже так многие отображают картинку на частоте 100Гц - такая величина уже вполне себе классика. А если верить википедии, то в кинематографе «частота 24 кадра в секунду является общемировым стандартом». Для того, чтобы превратить 24 кадра в секунду исходного видеопотока в 100 кадров в секунду результата, телевизор использует интерполяцию. А именно какие-нибудь алгоритмы в стиле «взять два соседних кадра 1 и 2, посчитать разницу между ними и сформировать из нее 3 дополнительных кадра, которые надо впихнуть между теми двумя изначальными» -> получаются кадры 1, 1_1 , 1_2 , 1_3 , 2

Для дальнейших рассуждений возьмем более простой пример. Представим себе, например, лабораторную работу по географии в каком-нибудь 6-ом классе (кстати, у меня когда-то и правда была такая). Необходимо каждые 3 часа измерять температуру воздуха и записывать данные, а потом сдать учителю график изменения температуры от времени суток. Допустим, по результатам измерений у нас получилась вот такая табличка (данные придуманы случайным образом и никак не претендуют на какую-либо правдоподобность):

Отобразим полученные данные на графике:

Собственно, данные записаны и отражены на графике. Мы вплотную подошли к задаче интерполяции – как по имеющимся точкам восстановить плавную кривую?

Количество условий и степень интерполирующего полинома

Можем ли мы вообще гарантировать, что такая функция, которая соединяет все заданные точки, вообще существует?

Да, такая функция гарантированно существует, и более того, таких функций будет бесконечно много. Для любого набора точек можно будет придумать сколько угодно много функций, которые через них будут проходить. И вот несколько примеров того, как две точки можно соединить разными способами:

Однако есть и способ задать интерполяционную кривую однозначно. В самом классическом случае, в качестве интерполяционной кривой берут полином:

Для того, чтобы провести через имеющиеся точки такой полином единственным образом, необходимо и достаточно, чтобы степень полинома была на 1 меньше, чем количество условий (я специально выделил это слово, потому что в конце этого раздела я вернусь к этой формулировке). Пока что, простоты ради, условием будут являться координаты точки. Говоря человеческим языком, через 2 точки однозначным образом можно провести прямую (полином 1-ой степени), через 3 точки – параболу (полином 2-ой степени) и т.д.

Возвращаясь к нашей задаче с температурой – в ней мы определили 6 точек, значит, для того, чтобы провести полином единственным образом, он должен быть 5-ой степени

Интерполирующий полином тогда будет выглядеть так:

$inline$-\frac{x^5}{14580}+\frac{13x^4}{1944}-\frac{41x^3}{162}+\frac{983x^2}{216}-\frac{2273x}{60}+117$inline$

А сейчас следует сделать важное замечание и пояснить, что я имел ввиду под «условием» . Полином можно задать не только координатами точек, через которые он проходит, условиями могут быть любые параметры этого полинома. В простейшем случае это действительно координаты точек. Но в качестве условия можно взять, например, первую производную этого полинома в какой-либо из точек. Вторую производную. Третью производную. В общем, любую возможную производную в любой из точек, в которой этот полином существует. Поясню на примере:
Прямую можно задать однозначно, как я уже говорил, двумя точками:

Ту же прямую, с другой стороны, можно определить координатой одной точки и углом наклона альфа к горизонтали:

С полиномами более высоких степеней можно использовать и более сложные условия (вторая производная, третья производная, etc.), и каждый такой параметр будет идти в общий счет количества условий, которые однозначным образом определят этот полином. Чтобы не быть голословным, вот еще пример:

Пусть нам заданы такие три условия:

Условий три, значит, мы хотим получить полином второй степени:

Подставляем

Считаем первую производную и считаем

Считаем вторую производную и считаем

Отсюда получаем, что наш полином выглядит так:

Интерполяция кубическими сплайнами

Вот, по тиху, мы и подбираемся к моей задаче. Полиномиальная интерполяция – не единственно возможный способ интерполяции. Среди всех прочих методов существует метод интерполяции кубическими сплайнами.

Принципиальное отличие идеи сплайн-интерполяции от интерполяции полиномом состоит в том, что полином один, а сплайн состоит из нескольких полиномов, а именно их количество равно количеству инервалов, внутри которых мы производим интерполяцию. В примере с нашей температурой воздуха, в которой у нас определено 6 точек, у нас будет 5 интервалов – соответственно, у нас будут 5 полиномов, каждый на своем интервале.

Каждый из этих полиномов – это полином третьей степени (строго говоря, степени не выше третьей, так как на каком-то из интервалов интерполирующая кривая может становиться квадратичной параболой или даже линейной функцией, но в общем случае это все-таки полином именно третьей степени). Записывая вышесказанное формульно, получим что все наши точки будут соединены некоей кривой , где каждый – это полином третьей степени, а именно:

Возвращаясь к рассказанному в предыдущем пункте, для того, чтобы однозначно задать один полином 3-ей степени, необходимо 4 условия. В этой задаче у нас 5 полиномов, то есть, чтобы задать их все, нам нужно суммарно 5∙4=20 условий. И вот как они получаются:

1) Первый полином определен на первой и второй точках – это два условия. Второй полином определен на второй и третьей точках – еще два условия. Третий полином, четвертый, пятый – каждый из них определен на 2-х точках – суммарно это дает 10 условий.

2) Для каждой промежуточной точки из множества (а это 4 точки с временами 12:00, 15:00, 18:00, 21:00) должно выполняться условие, что первые и вторые производные для левого и правого полиномов должны совпадать. Формульно:

По два таких условия на каждую из промежуточных точек дает еще 8 условий. Следует добавить, что мы задаем только сам факт равенства, а какое конкретно значение они при этом принимают – это совершенно иная задача и считается она довольно сложно.

3) Остаются два условия, которые пока еще не определены. Это так называемые «граничные условия», от задания которых и зависит, какой именно сплайн получится. Обычно задают вторые производные на концах интервала равными 0:

Если сделать так, то мы получим так называемый «естественный сплайн». Для вычисления таких сплайнов написано уже огромное количество библиотек, бери и используй любую.

Отличие моего задания от классической постановки задачи, мои размышления над заданием и само решение

И вот мы подошли к условию моей задачи. Преподаватель придумал такое задание, что задаваться должны первые производные и на левом и правом концах интервала, а программа должна считать интерполирующую кривую. А для такого требования готовых алгоритмов я не нашел…
Я, разумеется, не стану описывать весь твой «творческий» путь от момента, когда я услышал задание, до того, как я его сдал. Расскажу лишь саму идею и покажу ее реализацию.

Сложность задания состоит в том, что, задавая первые производные на концах интервала, да, мы задаем этот сплайн. Теоретически. А вот посчитать его на практике – задача довольно сложная и совершенно неочевидная (желающие могут посмотреть код нахождения естественного сплайна на Вики – ru.wikipedia.org/wiki/Кубический_сплайн – и попробовать его понять хотя бы). Разумеется, я совершенно не хотел провести кучу времени, закопавшись в матан и пытаясь вывести нужные мне формулы. Я хотел более простое и элегантное решение. И я его нашел.
Рассмотрим наш сплайн и возьмем первый из его интервалов. На этом интервале уже заданы 3 условия:

Задается пользователем

Для того, чтобы однозначно задать кубический полином на этом интервале, нам не хватает еще лишь одного условия. Но мы можем его просто придумать! Возьмем вторую производную и положим ее равной, например, 0:

Ничем не обоснованное предположение

Таким образом, зная эти 4 условия, мы полностью определяем этот полином. Зная все параметры этого полинома, мы можем вычислить значения первой и второй производных на второй точке, и поскольку они совпадают со значениями первой и второй производной для полинома на втором интервале, это приводит к тому, что мы также определяем и второй полином:

Вычисляется из

Вычисляется из

Аналогично мы считаем третий полином, четвертый, пятый и так далее, сколько бы их ни было. То есть, по факту, воссоздаем весь сплайн. Но поскольку мы взяли совершенно случайным образом, это приведет к тому, что производная , заданная пользователем на правом конце сплайна, не будет совпадать с производной , которая получилась у нас в ходе таких вычислений. Но получается, что значение производной на правом конце сплайна – это функция, зависящая от значения второй производной на левом конце:

А поскольку такой сплайн, который бы удовлетворял заданным условиям, гарантированно существует, и существует в единственном экземпляре, это значит, что мы можем рассмотреть разность:

И попытаться найти такое значение , при котором обращалась бы в 0 – и это будет тем самым правильным значением , которое строит искомый пользователем сплайн:

Самое замечательное в моей идее то, что эта зависимость оказалась линейной (вне зависимости от количества точек, через которые мы проводим сплайн. Этот факт доказан теоретическими подсчетами), а значит можно случайным образом взять любые два начальные значения и , посчитать и , и сразу же посчитать то самое верное значение, которое построит нам искомый сплайн:

Итого, мы гарантированно находим искомый сплайн за 3 прогонки таких вычислений.

Немного кода и скриншотов программы

class CPoint { public int X { get; } public int Y { get; } public double Df { get; set; } public double Ddf { get; set; } public CPoint(int x, int y) { X = x; Y = y; } }

Class CSplineSubinterval { public double A { get; } public double B { get; } public double C { get; } public double D { get; } private readonly CPoint _p1; private readonly CPoint _p2; public CSplineSubinterval(CPoint p1, CPoint p2, double df, double ddf) { _p1 = p1; _p2 = p2; B = ddf; C = df; D = p1.Y; A = (_p2.Y - B * Math.Pow(_p2.X - _p1.X, 2) - C * (_p2.X - _p1.X) - D) / Math.Pow(_p2.X - _p1.X, 3); } public double F(int x) { return A * Math.Pow(x - _p1.X, 3) + B * Math.Pow(x - _p1.X, 2) + C * (x - _p1.X) + D; } public double Df(int x) { return 3 * A * Math.Pow(x - _p1.X, 2) + 2 * B * (x - _p1.X) + C; } public double Ddf(int x) { return 6 * A * (x - _p1.X) + 2 * B; } }

Class CSpline { private readonly CPoint _points; private readonly CSplineSubinterval _splines; public double Df1 { get { return _points.Df; } set { _points.Df = value; } } public double Ddf1 { get { return _points.Ddf; } set { _points.Ddf = value; } } public double Dfn { get { return _points[_points.Length - 1].Df; } set { _points[_points.Length - 1].Df = value; } } public double Ddfn { get { return _points[_points.Length - 1].Ddf; } set { _points[_points.Length - 1].Ddf = value; } } public CSpline(CPoint points) { _points = points; _splines = new CSplineSubinterval; } public void GenerateSplines() { const double x1 = 0; var y1 = BuildSplines(x1); const double x2 = 10; var y2 = BuildSplines(x2); _points.Ddf = -y1 * (x2 - x1) / (y2 - y1); BuildSplines(_points.Ddf); _points[_points.Length - 1].Ddf = _splines[_splines.Length - 1].Ddf(_points[_points.Length - 1].X); } private double BuildSplines(double ddf1) { double df = _points.Df, ddf = ddf1; for (var i = 0; i < _splines.Length; i++) { _splines[i] = new CSplineSubinterval(_points[i], _points, df, ddf); df = _splines[i].Df(_points.X); ddf = _splines[i].Ddf(_points.X); if (i < _splines.Length - 1) { _points.Df = df; _points.Ddf = ddf; } } return df - Dfn; } }

Синие отрезки - это первые производные сплайна в соответствующих его точках. Добавил такой вот графический элемент для большей наглядности.

Достоинства и недостатки алгоритма

Признаюсь честно, я не проводил сколь-либо серьезного анализа. По-хорошему стоило бы написать тесты, проверить, как оно работает в разных условиях (мало/много точек интерполяции, равное/произвольное между точками, линейные/квадратные/кубические/тригонометрические/etc. функции и так далее), но я этого не сделал, простите:)

Навскидку можно сказать, что сложность алгоритма - O(N), так как, как я уже говорил, вне зависимости от количества точек, достаточно двух прогонов вычислений, чтобы получить правильное значение второй производной на левом конце интервала, и еще одного, чтобы построить сплайн.

Впрочем, если кому-то захочется покопаться в коде и провести какой-нибудь более подробный анализ этого алгоритма, я буду только рад. Напишите мне разве что о результатах, мне было бы интересно.

Так а в чем провинились тесты IQ?

В самом начале статьи я написал два числовых ряда и попросил их продолжить. Это довольно частый вопрос во всяких IQ тестах. В принципе, вопрос как вопрос, но если копнуть чуть глубже, окажется, что он довольно бредовый, потому что при некотором желании можно доказать, что «правильного» ответа на него не имеется.

Рассмотрим для начала ряд «2, 4, 6, 8, ?»
Представим себе этот числовой ряд как множество пар значений :

Где в качестве мы берем само число, а в качестве – порядковый номер этого числа. Какое значение должно быть на месте ?

Мысль, к которой я стараюсь плавно подвести – это то, что мы можем подставить абсолютно любое значение. Ведь что по факту проверяют такие задачи? Способность человека найти некое правило, которое связывает все имеющиеся числа, и по этому правилу вывести следующее число в последовательности. Говоря научным языком, здесь стоит задача экстраполяции (задача интерполяции состоит в том, чтобы найти кривую, проходящую через все точки внутри некоторого интервала, а задача экстраполяции – продолжить эту кривую за пределы интервала, «предсказав» таким образом поведение кривой в дальнейшем). Так вот, экстраполяция не имеет однозначного решения. Вообще. Никогда. Если бы было иначе, люди давным-давно бы предсказали прогноз погоды на всю историю человечества вперед, а скачки курса рубля никогда не были бы неожиданностью.

Разумеется, предполагается, что верный ответ в этой задаче все-таки есть и он равен 10, и тогда «закон», связывающий все эти числа, – это

для начинающих

Добавить метки