Застосування сплайн-функцій до розв’язування задач інтерполяції

Контрольная работа - Математика и статистика

Другие контрольные работы по предмету Математика и статистика

В-сплайни повинні відповідати умові:

 

 

Зокрема, якщо , то [2].

В-сплайн степеня , побудований на числовій прямій по розбиттю , визначається наступною рекурентною формулою:

 

, (6)

де , . (7)

 

При однаковій відстані між сусідніми вузлами В-сплайни називаються однорідними, в протилежному випадку неоднорідними. Для однорідних B-сплайнів, базисні B-сплайни однакового степеня є зміщеними екземплярами однієї функції [3].

Нерекурсивним визначенням базисних B-сплайнів є

 

, (8)

де , [3]. (9)

 

1.3 Лінійні B-сплайни

 

Лінійні B-сплайни є неперервними, але не диференційованими.

Скориставшись рекурентною формулою (6), отримаємо формулу для лінійного В-сплайна:

 

(10)

 

Підставивши у (10) формулу (5) маємо:

 

(11)

Або у випадку рівномірної сітки з кроком () отримаємо:

 

(11)

 

Нижче на малюнку 1 представлено графік В-сплайна 1-го порядку:

 

Мал. 1 - Графік В-сплайна

 

1.4 Квадратичні B-сплайни

 

Із рекурентної формули (6), отримаємо наступну форму запису квадратичного В-сплайна:

 

(12)

 

Тепер ми можемо, або скористатись лише формулою (11), підставивши її у (12) отримаємо:

(13)

 

А у випадку рівномірної сітки з кроком h матимемо:

 

(13)

 

Або спершу в (12) підставимо (10) і, зробивши відповідні перетворення, отримаємо квадратичний В-сплайн в вигляді:

, (14)

 

а потім в (14) підставимо (5) і отримаємо ту ж саму формулу (13) [4].

Графік В-сплайна 2-го - - степеня представлено на малюнку 2:

 

Мал. 2 - Графік В-сплайна

В-сплайн довільного степеня може бути відмінним від нуля лише на деякому відрізку (визначеному вузлами) [4].

 

 

2 Кубічні B-сплайни

 

2.1 Формули задання кубічних B-сплайнів

 

Зробивши аналогічні дії, що й при квадратичному В-сплайні, ми отримаємо формулу (15) для кубічного В-сплайна:

 

 

Зауваження. Кубічні В-сплайни зручніше нумерувати так, щоб сплайн був відмінний від нуля на відрізку [5]. Запишемо тепер у випадку рівномірної сітки (з кроком ) його:

 

(15)

 

Типічний графік кубічного В-сплайну показано на мал. 3:

 

Мал. 3 - Типічний графік кубічного В-сплайну

 

2.2 Базис у просторі кубічних сплайнів

 

Функція :

а) двічі неперервно диференційовна на відрізку ;

б)відмінна від нуля тільки на чотирьох відрізках

Відрізок називають носієм функції [6].

Доповнимо розбиття допоміжними вузлами:

 

 

,взятими довільно.

За розширеною сіткою:

:можна побудувати сімю з кубічних В-сплайнів:

,

Ця сімя утворює базис в просторі кубічних сплайнів на відрізку . Тим самим довільний кубічний сплайн , побудований по розбиттю із вузла, може бути представлений на цьому відрізку в вигляді лінійної комбінації:

 

 

Умовами задачі коефіцієнти цього розбиття визначаються однозначно [7].

 

2.3 Задачі інтерполяції з граничними умовами першого та другого роду

 

У випадку коли задані значення функції в вузлах сітки і значення і першої похідної функції на кінцях сітки (задача інтерполяції з граничними умовами першого роду), коефіцієнти обчислюються із системи наступного вигляду:

 

, де (16)

 

Після виключення і отримується лінійна система з невідомими і 3-діагональною матрицею, яку можна розвязати, як методом Гауса, так і методом прогонки [8].

При розвязанні задачі інтерполяції другого роду використовують значення похідних другого порядку на кінцях сітки: і . І коефіцієнти вже обчислюються із системи:

(16)

 

таким самим чином, як і під час розвязування задачі інтерполяції першого роду.

 

2.4 Апроксимація кубічними В-сплайнами

 

Нехай задана таблиця чисел і , котрі є значеннями функції і її першої похідної у вузлах i, i =0,1, ..., N. Необхідна апроксимувати функцію W() з допомогою цих даних.

Розглянемо апроксимацію кубічними В-сплайнами. Конструкція нормованого

 

 

кубічного В-сплайна зазвичай задається так:

 

(17)

 

В правій частині (17) стоять многочлени третього степеня виду:

 

(18)

Коефіцієнти ai , bi , ci , di визначаються із системи чотирьох рівнянь, отриманих при умовах: и . В результаті її розвязку можна записати:

 

(19)

, ,

 

При конкретизації виразу (18) використовуються формули (19), що задовольняють умови стику у вузлах i-2, i-1, i , i+1 для сплайнів:

 

(20)

 

Та їх похідних по , позначених штрихом:

 

(21)

 

В роботі Б.Завялова [6] для рівномірної сітки i=0,1, ... , N, задовольняючи наступні умови (20), (21), отримано такий вираз для

 

Тут , а також зясовано, що S0=2/3, S*=1/6, S**=1/2h.

Загальний інтерполяційний вираз, в якому використовуються нормовані кубічні В-сплайни (22), записуються так:

 

, (23)

 

де , а . Коефіцієнти bi+1,bi+2 визначаються із умов, що задовольняють значення функції W(), відомих в деяких вузлах . Зазвичай вибирають , , а задовольняють нерівність: .

Запишемо (23) в розгорнутому вигляді. Для цього, використавши (22) отримаємо всі вирази для . Сплайн отримаємо із четвертої рівності (22), якщо там формально замінити на 1+ . Тоді