三次样条插值、拉格朗日插值、herminte插值
数值分析论文 ――几种插值方法的比较课程论文8(学院+专业+学号)
数值分析论文——几种插值方法的比较1．插值法概述插值法是函数逼近的重要方法之一，有着广泛的应用 。
在生产和实验中，函数或者其表达式不便于计算复杂或者无表达式而只有函数在给定点的函()x f 数值(或其导数值) ，此时我们希望建立一个简单的而便于计算的函数，使()x ϕ其近似的代替，有很多种插值法,其中以拉格朗日(Lagrange)插值和牛顿()x f (Newton)插值为代表的多项式插值最有特点,常用的插值还有Hermite 插值,分段插值和样条插值.这里主要介绍拉格朗日(Lagrange)插值和牛顿(Newton)插值和埃尔米特插值（Hermite 插值）。
2．插值方法的比较2．1拉格朗日插值2.1.1基本原理构造次多项式，这是n ()()()()()x l y x l y x l y x l y x P n n k nk k n +⋅⋅⋅++==∑=11000不超过次的多项式，其中基函数：n()x l k =)...()()...()(()...()()...()(()1110)1110n k k k k k k k n k k x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x ----------+-+-显然满足 =()x l k ()i k x l ⎩⎨⎧≠=)(0)(1k i k i 此时,误差()()x f x P n ≈()()()=-=x P x f x R n n (x))!1()(1)1(+++n n n f ωξ其中∈且依赖于，.ξ()b a ,x ()()()()n n x x x x x x x -⋅⋅⋅--=+101ω很显然，当，插值节点只有两个,时1=n k x 1+k x ()()()x l y x l y x P k k k k i 11+++=其中基函数 = ， =()x l k 11++--k k k x x x x ()x l k 1+kk kx x x x --+12.1.2优缺点可对插值函数选择多种不同的函数类型，由于代数多项式具有简单和一些良好的特性，故常选用代数多项式作为插值函数。
插值的概念和各种基本方法
插值的概念和各种基本方法插值是一种基于已知数据点的函数关系来估计未知数据点的方法。
在实际应用中，由于各种原因，我们经常只能通过有限的数据点来描述一个函数关系，而无法得到函数的精确表达式。
因此，通过插值方法，我们可以根据已知数据点推断出未知数据点的值，从而进行进一步的分析和预测。
插值的基本方法可以分为两类：多项式插值和非多项式插值。
1.多项式插值方法多项式插值是通过已知数据点构造一个多项式函数，使得该函数经过这些数据点，并且在插值区间内的其他位置也能够比较好地拟合实际数据。
常用的多项式插值方法包括拉格朗日插值和牛顿插值。
- 拉格朗日插值：拉格朗日插值是利用拉格朗日多项式来进行插值的方法。
给定 n+1 个已知数据点(x0, y0), (x1, y1), ..., (xn, yn)，拉格朗日插值函数可以表示为：L(x) = Σ(yi * li(x))其中，li(x) = Π(x - xj) / Π(xi - xj)，i ≠ j，函数 L(x)即为插值函数。
-牛顿插值：牛顿插值是通过对已知数据点进行差商运算来构造插值多项式的方法。
牛顿插值多项式可以表示为：N(x) = f[x0] + Σ(f[x0, x1, ..., xi] * (x - x0) * (x - x1)* ... * (x - xi-1))其中，f[x0, x1, ..., xi]表示 x0, x1, ..., xi 对应的差商。
2.非多项式插值方法非多项式插值方法是通过其他函数形式进行插值的方法，常用的非多项式插值方法包括分段线性插值和样条插值。
-分段线性插值：分段线性插值是将插值区间划分为多个小区间，然后在每个小区间内用线性函数来逼近实际数据。
具体地，给定相邻的两个已知数据点(x0,y0)和(x1,y1)，分段线性插值函数可以表示为：L(x)=(y1-y0)/(x1-x0)*(x-x0)+y0-样条插值：样条插值是利用分段多项式函数来进行插值的方法。
几种常用的插值方法
几种常用的插值方法常用的插值方法包括线性插值、多项式插值、样条插值和径向基函数插值等，下面将依次介绍这些方法。
1.线性插值：线性插值是最简单的插值方法之一，它假设函数在两个已知点之间的变化是线性的。
对于给定的两个点(x0,y0)和(x1,y1)，线性插值公式为：y=y0+(x-x0)*(y1-y0)/(x1-x0)其中，y是需要插值的点对应的函数值，x是插值点的横坐标。
2.多项式插值：多项式插值方法通过在给定的一组点上构建一个多项式函数来进行插值。
常用的多项式插值方法包括拉格朗日插值和牛顿插值。
- 拉格朗日插值通过构建一个n次多项式来插值n+1个给定的点。
具体来说，对于给定的n+1个点(x0, y0), (x1, y1), ..., (xn, yn)，拉格朗日插值公式为：y = Σ(yk * lk(x))其中，lk(x)是拉格朗日基函数，计算公式为：lk(x) = Π((x - xj) / (xi - xj))，(j ≠ i)- 牛顿插值通过构建一个n次插值多项式来插值n+1个给定的点。
具体来说，对于给定的n+1个点(x0, y0), (x1, y1), ..., (xn, yn)，牛顿插值公式为：y = Σ(Π(x - xj) / Π(xi - xj) * finDiff(yj))其中，finDiff(yj)是每个节点的差商，计算公式为：finDiff(yj) = (ΣΠ(xj - xi) * yj) / ΣΠ(xi - xj)，(i ≠ j) 3.样条插值：样条插值方法通过使用分段函数来逼近给定的一组点。
常用的样条插值方法有线性样条插值和三次样条插值。
-线性样条插值在每两个相邻点之间使用线性函数进行插值，保证了插值函数的一阶导数是连续的。
-三次样条插值在每两个相邻点之间使用三次多项式进行插值，保证了插值函数的一阶和二阶导数都是连续的。
三次样条插值具有良好的平滑性和精度。
4.径向基函数插值：径向基函数插值是一种基于局部函数的插值方法，它假设函数值仅取决于与插值点的距离。
常见的插值方法及其原理
常见的插值方法及其原理1. 拉格朗日插值法（Lagrange Interpolation）拉格朗日插值法是一种基于多项式的插值方法，通过n+1个已知点的函数值来构造一个n次多项式。
具体的计算公式如下：L(x) = Σ[yk * lk(x)], k=0 to n其中yk为已知点（xi, yi）的函数值，lk(x)为拉格朗日基函数，定义为：lk(x) = Π[(x - xj)/(xi - xj)], j=0 to n, j≠k拉格朗日插值法的原理是通过构造一个通过已知点的n次多项式，来代替未知函数的近似值。
利用拉格朗日基函数的性质，可以保证插值多项式通过已知点。
2. 牛顿插值法（Newton Interpolation）牛顿插值法是一种递推的插值方法，通过已知点的函数值和差商来逐步构造插值多项式。
差商的定义如下：f[x0]=y0f[x1]=(f[x1]-f[x0])/(x1-x0)f[x2]=(f[x2]-f[x1])/(x2-x1)...f[xn] = (f[xn] - f[xn-1]) / (xn - xn-1)利用差商的定义，可以得到牛顿插值多项式的表达式：N(x) = f[x0] + f[x0, x1](x-x0) + f[x0, x1, x2](x-x0)(x-x1) + ... + f[x0, x1, ..., xn](x-x0)(x-x1)...(x-xn)牛顿插值法的原理是通过递推计算差商来得到插值多项式。
通过使用差商来处理已知点的函数值差异，可以得到更高次的插值多项式。
3. 样条插值法（Spline Interpolation）样条插值法是一种基于分段低次插值函数的插值方法，常用的是三次样条插值。
样条插值法通过寻找一组分段函数，使得满足原函数的插值条件，并要求函数在每个插值点处的函数值、一阶导数和二阶导数连续。
这样可以保证插值函数在每个插值点处的平滑性。
三次样条插值法的原理是将整个插值区间划分为多个小区间，在每个小区间内使用三次多项式进行插值。
时序预测中的时间序列插值方法分享(五)
时序预测中的时间序列插值方法分享时间序列插值方法在时序预测中扮演着重要的角色。
在实际应用中，由于各种原因，时间序列数据往往会出现缺失值的情况，这就需要我们对时间序列进行插值处理以便进行准确的预测。
本文将分享几种常用的时间序列插值方法，希望能对时序预测的实践有所帮助。
1. 线性插值线性插值是最简单、最直接的插值方法之一。
它的原理是根据已知的两个点，通过线性函数来估计缺失值点的取值。
假设已知的两个点为$(x_0, y_0)$和$(x_1, y_1)$，那么在$x_0$和$x_1$之间的任意一点$x$处的估计值$y$可以通过以下公式计算得到：$$y = y_0 + \frac{(x - x_0)(y_1 - y_0)}{x_1 - x_0}$$线性插值方法简单易行，但在实际应用中往往效果一般，因为它假设了被插值的数据点之间是线性关系，忽略了时间序列数据的趋势和周期性。
2. 拉格朗日插值拉格朗日插值是一种基于拉格朗日多项式的插值方法。
它的原理是通过已知的$n$个点$(x_0, y_0), (x_1, y_1), ..., (x_n, y_n)$构造一个$n-1$次的插值多项式$P_n(x)$，然后利用该多项式来估计缺失值点的取值。
假设要估计的点为$x$，则$P_n(x)$可以通过以下公式计算得到：$$P_n(x) = \sum_{i=0}^{n} y_i \prod_{j \neq i} \frac{x - x_j}{x_i- x_j}$$拉格朗日插值方法在理论上是一种精确的插值方法，它可以通过已知的点完全确定一个插值多项式，并且能够保证通过已知点时的取值与真实值完全一致。
但是在实际应用中，由于插值多项式的次数往往较高，容易出现龙格现象，导致插值结果的不稳定性。
3. 样条插值样条插值是一种基于样条函数的插值方法。
它的原理是将整个插值区间分成若干小段，每一小段内插值函数为一个低次多项式，然后通过对相邻小段的插值函数做一定的连接条件来得到一个整体的插值函数。
第2章-插值法(Hermite插值,样条插值)
2.5 埃尔米特插值法
Newton插值和Lagrange插值虽然构造比较简单，但都存 在插值曲线在节点处有尖点，不光滑，插值多项式在节 点处不可导等缺点
问题的提出： 不少实际问题不但要求在节点上函数值相等，而且还要 求它的导数值也相等（即要求在节点上具有一阶光滑度）， 甚至要求高阶导数也相等，满足这种要求的插值多项式就是 埃尔米特（Hermite）插值多项式。下面只讨论函数值与导数 值个数相等的情况。
由 j ( x j ) 1 ，可得
Cj
1 ( x j x0 ) 2 ( x j x1 ) 2 ( x j x j 1 ) 2 ( x j x j 1 ) 2 ( x j xn ) 2
故
j ( x) ( x x j )
( x x0 ) 2 ( x x1 ) 2 ( x x j 1 ) 2 ( x x j 1 ) 2 ( x xn ) 2 ( x j x0 ) 2 ( x j x1 ) 2 ( x j x j 1 ) 2 ( x j x j 1 ) 2 ( x j xn ) 2
( x x j )l j 2 ( x)
2016/8/14 6
（ii）由条件(1)可知，x0 , x1,, x j 1, x j 1,, xn都是 j ( x)的二重根，令
j ( x) C j (ax b)( x x0 ) 2 ( x x1 ) 2 ( x x j 1 ) 2 ( x x j 1 ) 2 ( x xn ) 2
17
即
x x1 x x0 2 0 ( x) (1 2l1 ( x)) l0 ( x) 1 2 x x x0 x1 1 0
Hermite插值多项式
( xi1
4
xi )2
因此
|
Ri ( x) |
(
x i
+1
8
xi )2
max |
xi x xi1
f ( x) |
于是在[a,b]上，| R( x) ||
f
( x)
L1( x) |
h2 8
M2
优点：计算简单； 适用于光滑性要求不高的插值问题。
缺点：分段插值函数只能保证连续性， 失去了原函数的光滑性。
(1) L1(x) 在每个子区间[xi , xi+1](i=0,1,2,,n-1)上是
线性插值多项式;
(2) L1(xi ) yi , i=0,1,2,…,n (3) L1(x) 在区间[a , b]上连续; 则称 L1(x)是f(x)在[a ,b]上的分段线性插值函数。
2.分段线性插值函数的表达式
2
两点三次Hermit插值（续1）
5
直接设 H3 (x) ax3 bx2 cx d
待定系数法求出，但不易推广到高次。
3
基函数法:
令H3(x) y00 (x) y11(x) y00 (x) y11(x)
为使H3(x)是一个次数3的多项式且满足插值条件
H3 (xi ) yi , H3(xi ) yi i 0,1
并在每个 xi , xi子1区间上构造插值多项式，然后把 它们装配在一起，作为整个区间 上a,的b插值函数。
二、分段线性插值
1.问题的提法
定义 设f(x)是定义在[a,b]上的函数，在节点 a= x0< x1<x2<…<xn-1<xn=b,
的函数值为 y0 , y1 ,y2 ,…yn-1 ,yn ,若函数 L1(x)满足条件
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插值算法学习视频：⽼师讲得很详细，很受⽤！！！作⽤数模⽐赛中，常常需要根据已知的函数点进⾏数据、模型的处理和分析，⽽有时候现有的数据是极少的，不⾜以⽀撑分析的进⾏，这时就需要使⽤⼀些数学的⽅法，“模拟产⽣”⼀些新的但⼜⽐较靠谱的值来满⾜需求，这就是插值的作⽤，另⼀个不常见的作⽤就是短期预测。
⼀维插值问题定义⽅法分类本⽂重点介绍数学建模常⽤的两种⽅法：三次样条插值和分段三次埃尔⽶特插值插值多项式原理拉格朗⽇插值法⽅法主要有拉格朗⽇插值法，具体不介绍，它会出现龙波现象（在两端处波动极⼤,产⽣明显的震荡）。
但觉得可以出⼀个ACM题。
分段线性插值插值多项式次数⾼精度未必显著提⾼插值多项式次数越⾼摄⼊误差可能显著增⼤如何提⾼插值精度呢采⽤分段低次插值是⼀种办法概念⽜顿插值法评价与拉格朗⽇插值法相⽐，⽜顿插 值法的计算过程具有继承性。
（⽜顿插值法每次插值只和前n项 的值有关，这样每次只要在原来 的函数上添加新的项，就能够产 ⽣新的函数） 但是⽜顿插值也存在龙格现象的 问题。
致命缺点上⾯讲的两种插值仅仅要求插值多项式在插值节点处与被插函数有相等的函数值，⽽这种插值多项式却不能全⾯反映被插值函数的性态。
然⽽在许多实际问题中，不仅要求插值函数与被插值函数在所有节点处有相同的函数值，它也需要在⼀个或全部节点上插值多项式与被插函数有相同的低阶甚⾄⾼阶的导数值。
对于这些情况，拉格朗⽇插值和⽜顿插值都不能满⾜埃尔⽶特(Hermite)插值概念保持播值曲线在节点处有切线（光滑），使插值函数和被插函数的密和程度更好。
不但要求在节点上的函数值相等，⽽且还要求对应的导数值也相等,甚⾄要求 ⾼阶导数也相等，满⾜这种要求的插值多项式就是埃尔⽶特插值多项式。
缺点与改进直接使⽤Hermite插值得到的多项式次数较⾼，也存在着龙格现象， 因此在实际应⽤中，往往使⽤分段三次Hermite插值多项式(PCHIP)。
Matlab有内置的函数（实现过程已经帮我们封装好了，会调⽤就⾏了）： p = pchip(x,y,new_x)x是已知的样本点的横坐标;y是已知的样本点的纵坐标;new_x是要插⼊处对应的横坐标三次样条插值Matlab有内置的函数： p = spline(x,y,new_x)x是已知的样本点的横坐标;y是已知的样本点的纵坐标;new_x是要插⼊处对应的横坐标代码% 分段三次埃尔⽶特插值x = -pi:pi; y = sin(x);new_x = -pi:0.1:pi;p = pchip(x,y,new_x);figure(1); % 在同⼀个脚本⽂件⾥⾯，要想画多个图，需要给每个图编号，否则只会显⽰最后⼀个图哦~plot(x, y, 'o', new_x, p, 'r-')% plot函数⽤法:% plot(x1,y1,x2,y2)% 线⽅式： - 实线 :点线 -. 虚点线 - - 波折线% 点⽅式： . 圆点 +加号 * 星号 x x形 o ⼩圆% 颜⾊： y黄； r红； g绿； b蓝； w⽩； k⿊； m紫； c青% 三次样条插值和分段三次埃尔⽶特插值的对⽐x = -pi:pi;y = sin(x);new_x = -pi:0.1:pi;p1 = pchip(x,y,new_x); %分段三次埃尔⽶特插值p2 = spline(x,y,new_x); %三次样条插值figure(2);plot(x,y,'o',new_x,p1,'r-',new_x,p2,'b-')legend('样本点','三次埃尔⽶特插值','三次样条插值','Location','SouthEast') %标注显⽰在东南⽅向% 说明：% LEGEND(string1,string2,string3, …)% 分别将字符串1、字符串2、字符串3……标注到图中，每个字符串对应的图标为画图时的图标。