10990

Spline Interpolation

Лекция

Математика и математический анализ

Spline Interpolation In the previous sections n 1th order polynomials were used to interpolate between n date points. For example for eight points we can derive a perfect seventh order polynomial. This curve would capture all the meanderings at least up to and including seventh derivatives suggested by the points. However there are cases where these functions can lead to erroneous results because of roundoff error and overshoot. An alternative approach is to apply low...

Английский

2013-04-03

87.5 KB

1 чел.

Spline Interpolation

In the previous sections, (n – 1)-thorder polynomials were used to interpolate between n date points. For example, for eight points, we can derive a perfect seventh – order polynomial. This curve would capture all the meanderings (at least up to and including seventh derivatives) suggested by the points. However, there are cases where these functions can lead to erroneous results because of round-off error and overshoot. An alternative approach is to apply lower-order polynomials to a subset of date points. Such connecting polynomials are called spline functions.

A spline function is a function consisting of polynomial pieces joined together with certain smoothness conditions. Suppose we are given the following table that needs to be interpolated with splines.

t

t1

t2

t3

...

tn

f(t)

f1

f2

f3

...

fn

In this case is t1 < t2 < t3 < ... < tn. They need not be uniformly spaced and are called knots.

The linear spline is defined by

(6.13)

where Si(x) = ai (xti) + bi. (6.14)

Since each Si(x) is linear, S(x) is piece-wise linear. Let t1 = a and
tn = b, then the domain of S(x) is [a, b]. Moreover, we require that S(x) is continuous on [a, b]. For extrapolating purpose we assume:

S(x) is defined to be equal to S1(x) when x < a;

S(x) is defined to be equal to Sn-1(x) when x > b.

The constants ai and bi are chosen such that S(x) is continuous on [a, b]:

. (6.15)

To ensure that m-th derivatives are continuous at the knots, a spline at least of (m + 1)-th order must be used. We have decided to first illustrate the concept of spline interpolation using second – order polynomials.

These quadratic splines have continuous first derivatives at the knots. Although quadratic splines do not ensure equal second derivatives at the knots, they serve nicely to demonstrate the general procedure for developing higher – order splines.

The objective in quadratic splines is to derive a second – order polynomial for each interval between date points. The polynomial for each interval can be represented generally as

. (6.16)

For n date points (i = 1, 2, ...n), there are n – 1 intervals and consequently, 3(n – 1) unknown constants (the a's, b's, and c's) to evaluate. Therefore, 3(n – 1) equations or conditions are required to evaluate the unknowns. These are:

1. The function values of adjacent polynomials must be equal at the interior knots. These conditions can be represented as:

  (6.17)

Because only interior knots are used in (6.17), each provides n – 2 for a total of 2n – 4 conditions.

2. The first and last functions must pass through the end points. This adds two additional equations:

(6.18)

3. The first derivatives at the interior knots must be equal. The first derivative of (6.16) is

Therefore, the condition can be represented generally as

, (6.19)

for i = 2 to n – 1. This provides another n – 2 conditions for a total of 2n – 2 + n – 2 = 3n – 4. Because we have 3(n – 1) unknowns, we are one condition short.

4. Assume that the second derivative is zero at the first point. Because the second derivative of (6.16) is 2ai, this condition can be expressed mathematically as

a1 = 0. (6.20)

The visual interpretation of this condition is that the first two points will be connected by a straight line.

5. For extrapolating purpose we assume,

S(x) is defined to be equal to S1(x) when x < a;

 S(x) is defined to be equal to Sn-1(x) when x > b.

Constructing a Quadratic Spline

Let us denote the derivative of S(x) at ti as zi. Consider the quadratic polynomials,

. (6.21)

It is obvious that .

Also,      and,

.

.

Hence S'(x) is continuous at the interior knots. For S(x) to be continuous, we must have, . So,

.

That is,

.

.

.

Hence,  for . (6.22)

Starting with an assumption for z1, generate z2, z3, z4, ... zn. The polynomials are obtained from equation (6.21).

Example 2

Fit the data in the table below with a) first-order splines, b) quadratic splines, c) use the results to estimate the value at x = 3.3, d) compute percent relative errors for the numerical results.

x

0

1

2

3

4

5

f(x)

0

0.5

0.8

0.9

0.941176

0.961538

Note that the values in the table were generated with the function .

Solution.

a) The slopes for all intervals can be computed (see Table 6.2), and the resulting first-order splines are:

b) Now fit quadratic splines to the same data using formulas:

;

Select , then:

Hence,

  1.  The correct value of the function at x = 3.3 is f(x) = 0.915896.
  2.  The result of first-order splines at x = 3.3 is f(x) = 0.93. The percent relative error is εt = 1.5%. The result of quadratic splines at x = 3.3 is f(x) = 1.029706. The percent relative error is
    εt = 12.4%.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28202. Влияние идей И.М.Сеченова и И.П.Павлова на становление отечественной психологии 40.5 KB
  Иван Петрович Павлов 18491936 создатель материалистического учения о высшей нервной деятельности животных и человека. Учение Павлова о высшей нервной деятельности сложилось под влиянием материалистических традиций русской философии и развивало идеи И. В начале своей научной деятельности Павлов занимался преимущественно изучением сердца и кровеносных сосудов. Так было заложено начало павловского учения о трофической нервной системе особых нервных волокнах регулирующих процессы питания в тканях обмен веществ в них и тем самым...
28203. Вклад В.М. Бехтерева в развитие российской психологии 35.5 KB
  Бехтерева в развитие российской психологии. Бехтерев Владимир Михайлович 18571927 русский невропатолог психиатр физиолог психолог. Психологическое творчество Бехтерева можно условно разделить на два этапа. Бехтерев говорил о равноправном существовании двух психологий: субъективной основным методом которой должна быть интроспекция и объективной.
28204. Психофизическая проблема (законы Вебера-Фехнера и Стивенса). Виды порогов и чувствительность 40 KB
  Виды порогов и чувствительность. Для того чтобы измерить уровень абсолютной и дифференциальной чувствительности вводится понятие порогов ощущений или сенсорных порогов. Основной вопрос психофизики это вопрос о порогах. Виды порогов: абсолютный порог верхний и нижний дифференциальный порог оперативный порог.
28205. Особая роль осязания в структуре сенсорной организации человека и его значение в процессах познания и труда (Ананьев, Веккер, Ломов, Ярмоленко) 37.5 KB
  Особая роль осязания в структуре сенсорной организации человека и его значение в процессах познания и труда Ананьев Веккер Ломов Ярмоленко. Базовая роль осязания в процессе чувственной репрезентации Веккер. Восприятие предметов внешней среды с помощью осязания позволяет оценивать их форму размеры свойства поверхности консистенцию температуру сухость или влажность положение и перемещение в пространстве. Связь осязания с основными жизненными функциями и трудом придает ему важное жизненное значение.
28206. Сфера вторичных образов: эмпирические характеристики образа представления 58 KB
  Сфера вторичных образов: эмпирические характеристики образа представления. оно отражает то что когдато отражалось и следы этого образа остались в сознании человека. В отличие от перцептивного образа существенной особенностью которого является выделение фигуры из фона не допускающее однако их взаимного отделения в представлении фигура может не соотноситься с определенной координатой пространственного фона а фон может быть отделен от фигуры пустое пространство . Оно выражается в схематизации образа.
28207. Константность восприятия и ее приспособительное значение 32.5 KB
  Константность восприятия и ее приспособительное значение. Константность это свойство перцептивного образа оставаться относительно неизменным при изменении условий восприятия. Константность относительное постоянство адекватного отражения свойств и качеств объектов в изменяющихся условиях среды; константность всегда предметна. Впервые константность восприятия была поставлена в центр экспериментального исследования в 1889 г.
28208. Целостность восприятия и законы Гештальта: влияние целого на элементы и факторы объединения отдельного в целое 42.5 KB
  Целостность восприятия и законы Гештальта: влияние целого на элементы и факторы объединения отдельного в целое. ЦЕЛОСТНОСТЬ ВОСПРИЯТИЯ свойство восприятия состоящее в том что всякий объект воспринимается как целое даже если некоторые части этого целого в данный момент не могут быть наблюдаемы например тыльная часть вещи. Каждая часть входящая в образ восприятия приобретает значение лишь при соотнесении ее с целым и определяется им. Сам образ восприятия также зависит от особенностей составляющих его частей.
28209. Культурно-историческая психология (Л.С.Выготский, А.Н.Леонтьев) 50 KB
  Важнейшее отличие деятельности человека от поведения животных заключается в использовании человеком орудий труда для преобразования мира и сохранении этих орудий. Центральный момент возникновение символической деятельности овладение словесным знаком. Процесс формирования высшей психической функции отнюдь не мгновенен он растянут на десятилетие зарождаясь в речевом общении и завершаясь в полноценной символической деятельности. Общение со взрослым овладение способами интеллектуальной деятельности под его руководством как бы задают...
28210. Гуманистическая психология (А.Маслоу, К.Роджерс и др.) 46 KB
  По мнению Маслоу психоанализ обедняет представление о человеке сосредоточившись на больных людях и болезненных проявлениях личности. А где же собственно человеческое в человеке Именно это и призывал изучать Маслоу. Абрахам Маслоу 1908 1970 американский психолог один из основателей гуманистич. Согласно Маслоу эти особенности существуя в виде врожденных потенций актуализируются под влиянием социальных условий.