Matlab函数中常见的插值方法

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插值是一种常用的数据处理与分析技术,在对连续函数进行离散化处理时具有重要的应用,在许多科学和工程领域都有广泛的应用。Matlab提供了丰富的插值方法,可以根据需要选择不同的插值方法进行数据处理。

一、线性插值

Matlab函数中常见的插值方法

线性插值是插值方法中最简单的一种,它假设数据在插值区间内的任何两个相邻点A和B之间的函数值在该区间内变化均匀。 因此,当在区间$[a,b]$中找到$A$和$B$并计算出两点直线的方程后,该方程可以跨越该区间中的任何点,我们就可以用这个方程估算该区间中任何一个点的函数值。线性插值函数的形式为:

$$ y=f(x)=frac{f(x_2)-f(x_1)}{x_2-x_1}(x-x_1)+f(x_1) $$

其中x1和x2是插值范围内的两个点,y是函数在x处的估计值。

二、样条插值

样条插值法通过连接足够多的多项式,以及用函数在插值点的洛列尼茨系数来限制插值多项式的光滑性来近似函数。样条插值是通过对数据点之间的一系列分段进行插值,并且要求这些分段段是光滑的,即在插值节点与其相邻节点之间仍然是连续可微的。它在同时拥有高精度和高效性方面表现出色。Matlab中提供的样条插值函数通过选择不同阶数的样条插值函数,以及调节插值参数来实现。

三、三次插值

三次插值法是一种流行的插值方法,它可以克服线性插值带来的不光滑性,并且比高次插值更容易稳定求解。三次插值法假设已知的数据点之间存在一条光滑的函数曲线,并使用连续的三次函数来逼近函数曲线,以确保插值结果的平滑。三次插值的通用公式为:

$$ y=f(x)=a_0+a_1(x-x_i)+a_2(x-x_i)^2+a_3(x-x_i)^3 $$

其中,$x_i<=x<x_{i+1}$,a0,a1,a2和a3是确定方程系数的常数,可以通过等式$f(x_i)=y_i$,$f(x_{i+1})=y_{i+1}$,$f'(x_i)=m_i$,$f'(x_{i+1})=m_{i+1}$和$f”(x_0)=f”(x_n)=0$ 来求解,其中$m_i$是曲线在$x_i$点的一阶导数。

四、拉格朗日插值

拉格朗日插值法是对一些已知的函数点进行插值的一个技术,这些函数点可以有限个也可以是一个无限集,而又可以绘制出这些点的图像,这就是插值曲线。拉格朗日插值法的基本思想是:在一些已知点上求解n次多项式,使得多项式在这些点上与函数值完全匹配。拉格朗日插值具有一般性、易计算和误差控制方便等优点,在数值计算和科学计算中得到广泛应用。拉格朗日插值的通用公式为:

$$ f(x)=sum_{i=0}^nf(x_i)prod_{jneq i}frac{x-x_j}{x_i-x_j} $$

其中$f(x_0),f(x_2),cdots,f(x_n)$为已知结点的函数值,$x_0,x_1,cdots,x_n$为已知结点,$n$为插值多项式的阶数(系数数)。

五、最邻近插值

最邻近插值是利用与给定点最接近的其他数据点的函数值来估计给定点的函数值的插值方法。在最邻近插值中,插值点的函数值被定义为与插入点最近的最近邻数据点的函数值。这种方法是最简单和最快速的插值方法之一,特别是当插入点密集分布时,这种方法非常适用。然而,最邻近插值导致了不可预测的、奇怪的、无法光滑的结果,在高分辨率应用中不建议使用,因为结果随着分辨率的增加而变得变形,尽管没有严格的异常值。

六、双立方插值

双立方插值是基于插入点周围的16个最近邻数据点的函数值,来计算插入点的函数值。与近邻插值相比,双立方插值更能够反映区间的变化趋势,可产生更平稳、更自然的插值结果。双立方插值不仅提供了更高的精度,而且还可以比邻近插值更光滑地处理数据。由于它更准确地描述了数据的特点,因此它是数值计算中最受欢迎的插值技术之一。但是,这种方法也比邻近插值方法要慢一些。双立方插值函数的通用公式为:

$$ f(x,y)=sumlimits_isumlimits_jc_{ij}g(x_i,xni,y_j,y) $$

其中,$g(x_i,x,y_j,y)$可以通过对数据点集进行三次多项式拟合来确定,$c_{ij}$是根据插值数据集计算的16个系数之一。

七、三次样条插值

三次样条插值法是除三次插值法外最常用的插值方法之一。三次样条插值就是在一些已知点上使用三次多项式进行插值,插值多项式的一阶导数在相邻两个插值点之间是连续的,这使得插值曲线在相邻两个插值点之间更平滑。三次样条插值法通常被用于曲线拟合,通过插值曲线可以得到一条较为平滑的曲线,因此它被广泛地应用于数据处理、工程建模和科学计算中。三次样条插值的通用公式为:

$$ S(x)=argmin_{Gin C^2[a,b]}||G(x)-f(x)|| $$

$$ S(x_i)=f(x_i) $$

其中C2是强制使用二阶导数条件,G是在给定结点上定义的分段光滑函数,$||cdot||$是任意范数,$a$和$b$是插值范围的上下限,$S(x)$是细分函数。

总结

在Matlab中,提供了多种插值方法来处理数据和进行函数逼近,这些方法包括线性插值、样条插值、三次插值、拉格朗日插值、最邻近插值和双立方插值以及三次样条插值。选择不同的插值方法取决于数据特性和需求,不同的方法具有不同的优缺点。因此,在选择插值方法时需要根据实际情况进行选择,以确保获得最佳的插值结果。

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