建模方法--插值与拟合专题优秀PPT.ppt
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1、数学建模方法插值与拟合 文理学院数学系:徐艳 xuyan555sina 插值与拟合的关系 在工程中,常有这样的问题:给定一批数据点(它可以是设计师给定,也可能是从测量与采样中得到),需确定满足特定要求的曲线或曲面。对这个问题有两种方法。一种是插值法。要求所求曲线(面)通过所给的全部数据点。另一种方法是数据拟合(曲线拟合与曲面拟合)。人们设法找出某条光滑曲线,它最佳地拟合数据,但不必要经过全部数据点。内容提纲1、插值问题2、用Matlab解插值问题3、数据拟合4、用Matlab解曲线拟合问题5、建模案例:水塔流量估计1、插值问题1.1、一维插值 插值问题的一般提法:已知y=f(x)(该函数未知)
2、在互异的n+1个点x0,x1,x2,xn处的函数值y0,y1,y2,yn,构造一个过n+1个点(xk,yk)k=0,1,2,n的次数不超过n的多项式 y=Ln(x),(称为插值多项式)使其满足Ln(xk)=yk,(称为插值条件)然后用y=Ln(x)作为精确函数y=f(x)的近似值。此方法称为插值法。Theorem:满足插值条件的次数不超过n的多项式是唯一存在的。两点一次两点一次(线性线性)插值多项式插值多项式:三点二次三点二次(抛物抛物)插值多项式插值多项式:1.1.1 Lagrange插值法就是满足插值条件的n次多项式 Lagrange插值多项式上式称为Lagrange插值基函数例例1 1、
3、已知数据表、已知数据表解:解:基函数为基函数为x12f(x)0.950.82写出写出 f(x)的线性插值函数的线性插值函数 ,并求并求 f(1.5)的近似值。的近似值。线性插值函数为线性插值函数为且且 f(1.5)L1(1.5)=0.885。Lagrange插值法的缺点多数状况下,Lagrange插值法效果是不错的,但随着节点数n的增大,Lagrange多项式的次数也会上升,可能造成插值函数的收敛性和稳定性变差。如龙格(Runge)现象。例:在-1,1上用n+1个等距节点作插值多项式Ln(x),使得它在节点处的值与函数y=1/(1+25x2)在对应节点的值相等,当n增大时,插值多项式在区间的中
4、间部分趋于y(x),但对于满足条件0.728|x|1的x,Ln(x)并不趋于y(x)在对应点的值,而是发生突变,产生猛烈震荡,即Runge现象。1.1.2 分段插值法图中看到,随着节点的增加,Lagrange插值函数次数越高,插值函数在两端简洁产生龙格现象,为了改进高次插值的缺陷,就产生了分段插值。分段插值基本思想:将被插函数逐段多项式化。处理过程:将区间a,b 划分:在每个子段 上构造低次多项式,然后将其拼接在一起作为整个区间a,b 上的插值函数,这样构造出的插值函数称为分段多项式,改进了多项式插值整体性太强的缺点,可以进行局部调整而不会影响整体。分段线性插值设插值节点若 :分段线性插值xj
5、xj-1xj+1x0 xn1.1.3 三次样条插值 分段线性插值虽然改善了高次插值的缺陷,但它的光滑性不高(一阶导数一般不存在),这往往不能满足某些工程设计上的要求,如对于飞机的机翼型线以及船体放样型值线等往往要求有二阶光滑度,即有二阶连续导数,这就导致了三次样条插值函数的提出。三次样条插值问题提出设在区间a,b上,已给n+1个互不相同的节点 a=x0 x1xn=b以及函数y=f(x)在这些节点的值f(xi)=yi,i=0,1,n.假如分段函数S(x)满足下列条件:(1)S(x)在子区间xi,xi+1的表达式Si(x)都是次数为3的多项式;(2)S(xi)=yi;(3)S(x)在区间a,b上有
6、连续的二阶导数。就称S(x)为f(x)在点x0,x1,xn的三次样条插值函数.即 Si(x)=aix3+bix2+cix+di i=0,1,n xix xi+1(4n个变量)须要4n个方程S(xi)=yi i=0,1,n (n+1个方程)S(xi-0)=S(xi+0)i=1,n-1 在xi连续(n-1个方程)S/(xi-0)=S/(xi+0)i=1,n-1 在xi连续(n-1个方程)S/(xi-0)=S/(xi+0)i=1,n-1 在xi连续(n-1个方程)再加两个条件:可在边界点x0与xn处给出导数的约束条件,称为边界条件。(1)S/(x0)=y0/,S/(xn)=yn/(2)S/(x0)=
7、y0/,S/(xn)=yn/(3)S/(x0)=S/(xn)=0 自然边界条件(2个方程)可以证明:满足上述4n个线性方程组有唯一解。三次样条插值问题分析 xyO O第一种(网格节点):第一种(网格节点):1.2 二维插值 已知已知 m n个节点个节点 其中其中互不相同,不妨设互不相同,不妨设 构造一个二元函数构造一个二元函数通过全部已知节点通过全部已知节点,即即再用再用计算插值,即计算插值,即 yx0 0其次种(散乱节点):其次种(散乱节点):已知已知n个节点个节点其中其中互不相同,互不相同,构造一个二元函数构造一个二元函数通过全部已知节点通过全部已知节点,即即再用再用计算插值,即计算插值,
8、即 留意:最邻近插值一般不连续。具有连续性的最简洁留意:最邻近插值一般不连续。具有连续性的最简洁的插值是分片线性插值。的插值是分片线性插值。x y(x1,y1)(x1,y2)(x2,y1)(x2,y2)O O 二维或高维情形的最邻近插值,与被插值点最邻近的节点的函数值即为所求。1.2.1网格节点插值法网格节点插值法最邻近插最邻近插值值 将四个插值点(矩形的四个顶点)处的函数值依次简记为:xy (xi,yj)(xi,yj+1)(xi+1,yj)(xi+1,yj+1)O Of(xi,yj)=f1,f(xi+1,yj)=f2,f(xi+1,yj+1)=f3,f(xi,yj+1)=f4网格节点插值法网
9、格节点插值法分片线性插值分片线性插值插值函数为:其次片(上三角形区域):(x,y)满足插值函数为:留意:留意:(x,y)当然应当是在插值节点所形成的矩形区当然应当是在插值节点所形成的矩形区域内。明显,分片线性插值函数是连续的;域内。明显,分片线性插值函数是连续的;分两片的函数表达式如下:第一片(下三角形区域):(x,y)满足 双线性插值是一片一片的空间二次曲面构成。双线性插值函数的形式如下:其中有四个待定系数,利用该函数在矩形的四个顶点(插值节点)的函数值,得到四个代数方程,正好确定四个系数。x y(x1,y1)(x1,y2)(x2,y1)(x2,y2)O O网格节点插值法网格节点插值法双线性
10、插值双线性插值1.2.2 散乱数据插值法在T=a,b c,d上散乱分布n个点。一般接受反距离加权平均法。基本思想:在非给定数据的点处,定义其函数值由已知数据按与该点距离的远近作加权平均确定,记则二元函数(曲面)定义为:如此定义的曲面是全局相关的,对曲面的任一点作数据计算都要涉及到全体数据,这在大量数据中是很慢的,但因为这种做法思想简洁,人们对它进行了种种改进。2.1 2.1 一维插值函数一维插值函数yi=interp1(x,y,xi,method)插值方法插值方法被插值点被插值点插值节点插值节点xixi处的插处的插值结果值结果nearest :最邻近插值:最邻近插值linear :线性插值;线
11、性插值;spline :三次样条插三次样条插值;值;cubic :立方插值。立方插值。缺省时:缺省时:分段线性插值。分段线性插值。留意:全部的插值方法都要求留意:全部的插值方法都要求x x是单调的,并且是单调的,并且xixi不不能够超过能够超过x x的范围。的范围。2、用、用MATLAB解插值计算解插值计算解解 在吩咐窗口输入在吩咐窗口输入:例例 1 在一天在一天24h内内,从零点起先每间隔从零点起先每间隔2h测得的环境温度为测得的环境温度为12,9,9,10,18,24,28,27,25,20,18,15,13(单位单位:)推想在每推想在每1s时的温度时的温度.并描绘温度曲线并描绘温度曲线.
12、t=0:2:24T=12 9 9 10 18 24 28 27 25 20 18 15 13plot(t,T,*)ti=0:1/3600:24T1i=interp1(t,T,ti)plot(t,T,*,ti,T1i,r-)T2i=interp1(t,T,ti,spline)plot(t,T,*,ti,T1i,r-,ti,T2i,g-)例例 2 在飞机的机翼加工时在飞机的机翼加工时,由于机翼尺寸很大由于机翼尺寸很大,通常在图通常在图纸上只能标出部分关键点的数据纸上只能标出部分关键点的数据.某型号飞机的机翼上缘某型号飞机的机翼上缘轮廓线的部分数据如下轮廓线的部分数据如下:x 0 4.74 9.05
13、 19 38 57 76 95 114 133y 0 5.23 8.1 11.97 16.15 17.1 16.34 14.63 12.16 6.69x 152 171 190y 7.03 3.99 0 x=0 4.74 9.05 19 38 57 76 95 114 133 152 171 190y=0 5.23 8.1 11.97 16.15 17.1 16.34 14.63 12.16 9.69 7.03 3.99 0 xi=0:0.001:190yi=interp1(x,y,xi,spline)plot(xi,yi)要求要求x0,y0 x0,y0单调;单调;x x,y y可取可取为矩阵
14、,或为矩阵,或x x取取行向量,行向量,y y取为列向量,取为列向量,x,yx,y的值分别不能超出的值分别不能超出x0,y0 x0,y0的范围。的范围。z=interp2(x0,y0,z0,x,y,method)被插值点插值方法插值节点被插值点的函数值nearest nearest 最邻近插值最邻近插值linear linear 双线性插值双线性插值cubic cubic 双三次插值双三次插值缺省时缺省时,双线性插值双线性插值2.2 2.2 用用MATLABMATLAB作网格节点数据的插作网格节点数据的插值值 插值函数插值函数griddata格式为格式为:cz=griddata(x,y,z,c
15、x,cy,method)要求要求cxcx取行向量,取行向量,cycy取为列向量取为列向量。被插值点插值方法插值节点被插值点的函数值nearest nearest 最邻近插值最邻近插值linear linear 双线性插值双线性插值cubic cubic 双三次插值双三次插值缺省时缺省时,双线性插值双线性插值2.3 2.3 用用MATLABMATLAB作散点数据的插值计算作散点数据的插值计算例3 山区地形地貌图已知某处山区地形选点测量坐标数据为:x=0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5y=0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6海拔高度
16、数据为:z=89 90 87 85 92 91 96 93 90 87 82 92 96 98 99 95 91 89 86 84 82 84 96 98 95 92 90 88 85 84 83 81 85 80 81 82 89 95 96 93 92 89 86 86 82 85 87 98 99 96 97 88 85 82 83 82 85 89 94 95 93 92 91 86 84 88 88 92 93 94 95 89 87 86 83 81 92 92 96 97 98 96 93 95 84 82 81 84 85 85 81 82 80 80 81 85 90 93
17、95 84 86 81 98 99 98 97 96 95 84 87 80 81 85 82 83 84 87 90 95 86 88 80 82 81 84 85 86 83 82 81 80 82 87 88 89 98 99 97 96 98 94 92 87山区地形地貌图 程序原始地貌图程序:x=0:.5:5;y=0:.5:6;xx,yy=meshgrid(x,y);z=89 90 87 85 92 91 96 93 90 87 82 92 96 98 99 95 91 89 86 84 82 84 96 98 95 92 90 88 85 84 83 81 85 80 81 82
18、89 95 96 93 92 89 86 86 82 85 87 98 99 96 97 88 85 82 83 82 85 89 94 95 93 92 91 86 84 88 88 92 93 94 95 89 87 86 83 81 92 92 96 97 98 96 93 95 84 82 81 84 85 85 81 82 80 80 81 85 90 93 95 84 86 81 98 99 98 97 96 95 84 87 80 81 85 82 83 84 87 90 95 86 88 80 82 81 84 85 86 83 82 81 80 82 87 88 89 98
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