几种插值法的对比研究1
五种插值法的对比研究
学号：2013大学毕业论文五种插值法的对比研究A Comparative Study of Five Interpolation Methods学院: 理学院教学系：数学系专业班级: 信息与计算科学专业1301学生:指导教师: 讲师2017年6月7日目录容摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I Abstract．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．II 1 导言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1 1.1 选题背景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 11.2 研究的目的和意义．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 22 五种插值法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 2.1 拉格朗日插值．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3 2.2 牛顿插值．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 2.3 分段线性插值．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 4 2.4 分段三次Hermite插值．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 52.5 样条插值．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 53 五种插值法的对比研究．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 6 3.1 五种插值法的解题分析比较．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 63.2 五种插值法的实际应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．154 结语．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 致．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22容摘要：插值法是数值分析中最基本的方法之一。
几种逐日气温插值方法的比较
几种逐日气温插值方法的比较作者：李萌王秀丽丁媛媛来源：《安徽农业科学》2014年第25期摘要针对高精度逐日气象要素插值的需要，以我国北方15个省市为例，利用ARCGIS10.0软件平台，基于90 m分辨率的DEM数据，根据北方1981～2010的逐日气象资料，选取3月下旬～5月上旬和9月中旬～10月下旬中每旬的第6天为试验日期，计算出日最低温度和平均温度的多年平均值；使用数据资料较全的300个站点进行插值，43个站点进行验证；插值方法选择反距离权重法（IDW）、多元回归+残差订正、气温垂直订正（OK+DEM）3种；使用根据交叉检验法得出的决定系数（R2）、平均绝对误差（MAE）、均方根误差（RMSE）的数值比较插值精度。
结果表明，对于日最低温度和日平均温度的插值的精度检验，均为多元回归+残差订正>OK+DEM>IDW，气象站点所在经纬度的DEM数据与站点原本高程数据的不匹配是导致插值精度降低的原因；考虑到研究需要及方法精度，最后选择气温垂直订正方法作为农业气象逐日要素插值方法。
关键词气温；空间差值；多元回归分析；DEM；OK；IDW中图分类号 S161 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）25-08670-05当观测站点密度比较大的时候插值精度才比较高，对于密度小的大尺度插值，通过引入经度、纬度、海拔等因子进行模拟，可以提高其精度。
地形复杂的小区域插值还应该将地形因子的影响考虑进去。
从国内外的研究来看，现今的研究趋势已从对插值方法本身的研究转移到对传统方法的改良上来，根据研究目的和研究区域的自然地理地形特征来选择合适的插值方法和参数，结合各种方法优点的混合插值法是未来插值方法研究的一个重要方向。
在研究农业气象灾害的时候，常需要通过温度指标来评定灾害等级。
农业气象领域对于气温的插值大多都是使用反距离权重法（IDW），仅仅考虑了地理分布因素。
而作物的种植面积小，又是离散分布的，所以要求使用高精度的插值方法才能够精确地预报、分析气象灾害。
三种点雨量插值方法的比较研究
三种点雨量插值方法的比较研究1戚晓明，陆桂华，吴志勇，金君良（河海大学水问题研究所，江苏 南京 210098）摘 要:对距离反比、普通Kriging 和PRISM 三种常用点雨量插值算法进行了原理、适用范围和优缺点的对比分析。
根据雨量站点的平面三角几何关系，提出了参证插值站点的选择方法，使得参证插值站点的选择更合理。
通过具体实例，指出没有最优的点雨量插值方法，应该根据站点布设、雨量资料、地理位置和服务对象等特点，选择适当的插值算法或算法组合以及参证站选取算法，才会得到较好的插值精度。
关键词:插值, 距离反比, 普通Kriging ,PRISM点雨量插值主要用于雨量缺值估计、内插等值线、数据格网化[1],对流域内雨量站稀少且站点分布不合理的地区，对分析雨量二维分布变化特征、计算面雨量、解决水文尺度中分辨率和雨量站网规划等研究具有重要现实意义[2,3]。
点雨量时空间插值通常有两种：一种是简化，这种方法简化了时空插值问题，变为单纯的空间插值问题。
另一种是扩展，这种方法同时考虑时间维与空间维，将时空插值问题拓展为高维空间插值问题[4]，目前常用的点雨量插值通常属于第一种，主要的插值方法有距离反比加权平均法、修正距离平方反比法、梯度距离平方反比法、降雨高程线性回归法、地理统计法、普通Kriging 和DEM 修正Kriging 法，PRISM 插值方法等[6]。
本文对距离反比、普通Kriging 、PRISM 插值算法在点雨量插值中的应用情况做了对比研究。
1 三种方法插值原理1.1 距离反比插值(IDM)1972年，美国国家天气局开发了距离反比插值算法，是最常用的雨量插值方法之一。
它认为与未采样点距离最近的若干个参证站对待估点值的贡献最大，其贡献与距离成反比。
可用下式表示：))(1/())(1(11*∑∑===n i p i n i i p i D Z D Z (1) 式中, Z *是估计值, Z i 是第i(i=1,..,n)个样本,D i 是距离,p 是距离的幂,它显著影响内插的结果,它的选择标准是最小平均绝对误差。
各种插值法的对比研究
各种插值法的对比研究插值法是指通过已知数据点来估计两个数据点之间的未知数值。
在实际生活和科学研究中，经常会遇到需要插值的情况，例如气象预测、金融分析、图像处理等。
本文将对比介绍几种常见的插值方法，包括线性插值、多项式插值、样条插值和逆距离加权插值。
1.线性插值：线性插值是最简单的插值方法，假设两个数据点之间的值变化是线性的。
根据已知数据点的坐标和对应的值，通过线性方程推断两个数据点之间的值。
优点是计算简单快速，但缺点是对数据变化较快的情况下估计效果较差。
2.多项式插值：多项式插值假设两个数据点之间的值变化是一个多项式函数。
通过已知数据点的坐标和对应的值，使用多项式拟合方法求解多项式函数的系数，再根据该多项式求解两个数据点之间的值。
多项式插值可以准确拟合已知数据点，但在插值点较多时容易出现振荡现象，且对数据点分布敏感。
3.样条插值：样条插值是一种平滑的插值方法，通过构建分段连续的多项式函数来逼近整个数据集。
根据已知数据点的坐标和对应的值，通过求解一组多项式函数的系数，使得在相邻区间之间函数值连续，导数连续。
样条插值可以减少振荡现象，对于插值点密集的情况能更好地逼近原始数据。
4.逆距离加权插值：逆距离加权插值是一种基于距离的加权插值方法，根据已知数据点与插值点之间的距离，对每个已知数据点进行加权平均得到插值点的值。
该方法认为距离较近的数据点对插值结果的影响更大。
逆距离加权插值简单易用，对数据点的分布不敏感，但对于距离较远的数据点容易受到较大的干扰。
在实际应用中，选择合适的插值方法需要根据数据的特点和要求来决定。
若数据变化较简单、平滑，可以选择线性插值或多项式插值；若数据变化复杂，存在振荡现象，可以选择样条插值；若数据点分布较稀疏，可以选择逆距离加权插值。
此外，还有一些其他的插值方法，如Kriging插值、径向基函数插值等，它们根据不同的假设和模型进行插值，具有一定的特点和适用范围。
综上所述，对于选择合适的插值方法，需要根据具体问题和数据特点来综合考虑，结合不同方法的优缺点进行比较研究，以得到更准确和可靠的插值结果。
各种插值法的对比研究
各种插值法的对比研究插值法是一种利用已知数据点推算缺失数据点的方法，常用于信号处理、图像处理和数据分析等领域。
在实际应用中，选择合适的插值方法非常重要，因为它直接影响到结果的准确性和可靠性。
本文将对常见的插值方法进行对比研究。
线性插值是最简单和最常用的插值方法之一、它假设数据点之间的变化是线性的，根据已知数据点之间的斜率和距离，可以推算出缺失数据点的值。
线性插值的优点是计算简单，适用于等间距的数据点。
然而，线性插值可能会导致插值曲线不光滑，并且在非等间距数据点或缺失数据点较多的情况下效果不佳。
拉格朗日插值是一种基于多项式插值的方法。
它通过构造一个满足已知数据点的多项式函数，然后根据该函数求解出缺失数据点的值。
拉格朗日插值的优点是可以精确地通过所有已知数据点，适用于非等间距和较稀疏的数据。
然而，拉格朗日插值存在“龙格现象”，即在数据点较多或高次插值时，插值函数会出现大幅度振荡。
牛顿插值与拉格朗日插值相似，也是基于多项式插值的方法。
不同之处在于，牛顿插值使用被称为“差商”的系数来构建插值多项式。
牛顿插值的优点是计算简单，可以实时更新插值多项式以适应新的数据点。
然而，牛顿插值也存在“龙格现象”。
样条插值是通过连接已知数据点来构建平滑的插值曲线的方法。
它通过选择适当的插值函数和控制点，保持插值曲线在已知数据点间的连续、光滑性。
样条插值的优点是可以抑制龙格现象，产生更平滑的插值曲线，并且适用于非线性变化的数据。
然而，样条插值的缺点是计算复杂度较高，可能导致过度拟合和过度平滑的问题。
Kriging 插值是一种基于地理空间的插值方法，它利用已知数据点的空间关联性来推算未知数据点的值。
Kriging 插值的优点是可以利用数据点之间的空间自相关性，适用于地理信息系统和地质学等领域的数据插值。
然而，Kriging 插值的缺点是计算复杂度高，并且对数据点的空间分布和空间自相关性的假设要求较高。
总的来说，选择合适的插值方法需要综合考虑数据的特点、插值精度和计算复杂度等因素。
插值方法
点密度分析的工作原理Resource Center»专业库»地理处理»地理处理工具参考»Spatial Analyst 工具箱»密度分析工具集»密度分析工具集概念点密度分析工具用于计算每个输出栅格像元周围的点要素的密度。
从概念上讲，每个栅格像元中心的周围都定义了一个邻域，将邻域内点的数量相加，然后除以邻域面积，即得到点要素的密度。
如果Population 字段设置使用的是NONE 之外的值，则每项的值用于确定点被计数的次数。
例如，值为 3 的项会导致点被算作三个点。
值可以为整型也可以为浮点型。
如果选择的是面积单位，则计算所得的像元密度将乘以相应因子，然后写入到输出栅格。
例如，如果输入地面单位是米，将以米和千米为单位的单位比例因子进行比较，会得到相差1,000,000 (1,000 米x 1,000 米) 倍的值。
该工具可用于查明房屋、野生动物观测值或犯罪事件的密度。
可使用population 字段根据要素的重要程度赋予某些点比其他点更大的权重，该字段还允许使用一个点表示多个观测值。
例如，一个地址可以表示一栋包含六个独立单元的公寓，或者在确定总体犯罪率时可赋予某些罪行比其他罪行更大的权重。
增大半径不会使计算所得的密度值发生很大变化。
因为虽然落入较大邻域内的点会增多，但计算密度时该数值要除以的面积也将更大。
更大半径的主要影响是计算密度时需要考虑更多的点，这些点可能距栅格像元更远。
这样会得到更加概化的输出栅格。
示例下面是一些使用面积单位比例因子更改输出密度单位的示例：∙地图单位是米，所以密度的默认单位是邻域内每平方米的点数。
需要以每公顷（10,000 平方米）的点数为单位来计算密度。
o使用比例因子100（100 × 100 米为一公顷）。
∙地图单位是英尺，需要以每平方英里的点数为单位来计算密度。
o使用比例因子5,280（一英里含的英尺数）。
不同空间插值方法对土壤化学元素空间分布适用性分析
第45卷 第4期华北理工大学学报(自然科学版)V o l .45 N o .42023年10月J o u r n a l o fN o r t hC h i n aU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y (N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n )O c t .2023 收稿日期:2023-04-24 修回日期:2023-09-27基金项目:国家自然科学基金青年科学基金(42101393)㊂ 第一作者:冯郑文,硕士研究生,主要从事地理信息系统理论与应用研究㊂E -m a i l :1094358223@q q .c o m. 通讯作者:刘亚静,教授,博士,主要从事地理信息系统理论与应用研究㊂E -m a i l :l y j 2206@126.c o m. D O I :10.3969/j.i s s n .2095-2716.2023.04.002文章编号:2095-2716(2023)04-0007-12不同空间插值方法对土壤化学元素空间分布适用性分析冯郑文,刘亚静(华北理工大学矿业工程学院,河北唐山063210)关键词:空间插值;适用性;交叉验证;半变异函数摘 要:利用地统计学普通克里金法(O r d i n a r y K r i g i n g ,O K )㊁简单克里金法(S i m p l eK r i g i n g ,S K )㊁泛克里金法(U n i v e r s a lK r i g i n g ,U K )以及经验贝叶斯克里金法(E m p i r i c a lB a y e s i a n K r i g i n g ,E B K )分别对研究区土壤p H ㊁全氮㊁有机质㊁速效钾和有效磷进行空间插值,通过插值结果分析不同土壤化学元素空间分布特征,利用交叉验证法定量分析不同克里金方法插值精度,确定最优空间插值方法以及最适宜半变异函数模型,定量定性分析不同空间插值方法对不同土壤化学元素空间分布特征的适用性㊂以遵化市某典型区土壤化学元素数据为例来验证不同插值方法对土壤化学元素空间分布特征的适用性分析,研究结果表明:普通克里金法插值后数据拟合性最优;不同土壤化学元素的空间分布差异性显著;土壤p H ㊁有机质和速效钾选择简单克里金法插值的效果更好,土壤全氮和有效磷选择经验贝叶斯克里金法插值曲面更加平滑;以土壤有机质为例,选择精度最高的简单克里金法插值时,半变异函数模型选择指数函数空间插值精度最高㊂通过最优空间插值法研究土壤化学元素空间分布特征可以为地方农业健康稳定发展提供更加准确的科学依据㊂中图分类号:P 208.2 文献标识码:A土壤作为一种不可再生的自然资源,是人类生存和发展的物质基础[1],在生态系统中也有着重要的空间地位[2]㊂土壤是由多种因素相互作用而形成的,其属性在空间分布上有一定的差异[3]㊂实现农业养分精确管理和解决全球变化等环境问题的关键在于准确掌握土壤理化性状的空间变异规律[4]㊂获取土壤理化性质的主要手段仍是通过野外采样㊁室内测定[5],但其问题在于,即使是在高密度采样的条件下,土壤样点数量还是有限的,需要借助空间插值方法来建立土壤理化性质的连续性表面[6]㊂空间插值是根据已知的空间数据估计未知空间数据值的数学方法[7],可以通过有限的采样点用来预测整个研究区域的土壤属性空间信息[8]㊂空间插值方法的优选是准确预测区域土壤化学元素含量空间分布特征的关键㊂现有对于土壤属性数据进行空间插值的研究,多是针对传统确定性插值和地统计插值的对比研究㊂张优等[5]采用反距离权重法(I DW )㊁普通克里格插值法(K r i g i n g )㊁径向基函数插值法(R B F )和回归克里格法(R K )等不同方法对龙门山与成都平原过渡地带的绵竹市部分区域的土壤水分进行空间插值,研究发现在众多插值方法中,克里格插值的适用性最好;马宏宏等[1]㊁王大鹏等[9]基于A r c G I S 对土壤元素进行空间插值发现使用克里金法的插值数据相对误差最小,是最佳的估计方法㊂符德龙等[10]对毕节市492个烟地样本点采用反距离权重法㊁样条函数法和普通克里格法进行空间插值利用交叉验证方法得出普通克里格法对耕深㊁犁底层㊁可耕层均具有最好的插值精度的结论㊂李东升等[2]对云南省会泽县者海镇土壤中重金属的含量采用不同方法进行插值比较,在插值数据符合正态分布的前提下,克里金插值效果最好㊂文雯等[8]对黄土丘陵8华北理工大学学报(自然科学版)第45卷羊圈沟小流域的土壤有机碳含量采用不同方法进行空间插值,普通克里格法对刻画区域土壤有机碳的空间分布趋势效果最佳,预测结果的准确性最好㊂石小华等[7]对陕西省周至县北部猕猴桃适生区土壤速效钾采用普通克里格(O K)㊁样条函数(S p l i n e)㊁趋势面拟合(T S A)㊁距离权重反比法(I DW)进行插值,研究发现克里格插值方法明显优于其它方法,其中半变异函数又以球形模型为最佳㊂综上,目前针对土壤理化性质的空间插值最优方法的确定,普遍以克里金法为主㊂因此,不同空间插值方法对土壤化学元素空间分布适用性研究不再考虑确定性插值,直接采用克里金法进行插值㊂克里金法是以区域化变量理论为基础,它既是有结构性又有随机性的变量,适合研究具有空间相关性和依赖性的自然现象[11]㊂克里金插值方法反映总体趋势以及各向异性㊁空间变异性是确定性插值法不能够取代的[12]㊂虽然在算法不断改进的情况下,克里金法衍生出多种不同的克里金插值方法,但针对土壤化学元素空间分布特征的不同克里金插值法适用性问题目前鲜有研究㊂因此,基于A r c G I S软件地统计克里金插值法,通过插值后图像效果和交叉验证结果分析不同克里金法对土壤化学元素的空间插值精度,确定最优插值模型,研究土壤化学元素的空间分布差异性㊂比较不同的插值模型,选取精度较高的方法进行插值分析对研究土壤化学性质的空间分布特征是很有必要的[13]㊂1研究区概况与数据来源遵化市隶属河北省唐山市,属京㊁津㊁唐㊁承㊁秦腹地,总面积约1521k m2㊂遵化市属于燕山南麓的重要农业区,地貌以浅山丘陵为主,土壤类型以风化片麻岩为主,富含农作物生长结果所需的有机质和多种矿质营养,适宜发展特色农业产业㊂该研究以遵化市西部地区面积约628k m2作为研究区,根据土壤耕深和土地复垦原则采集化验0~30c m深度土壤表层化学元素数据,结合G I S技术分析土壤化学元素空间分布特征,确定最优空间插值方法,可以为地方农业健康稳定发展提供科学依据㊂结合研究区地形㊁植被类型等现状,按不同乡镇区域在遵化市西部地区选取60个采样点,按照五点取样法进行取样[14,15],土壤样品采集后带回实验室,将土壤进行风干㊁去除杂质,采用重铬酸钾容量-外加热法测定土壤有机碳含量;选用P H计法测定土壤酸碱度;速效钾采用N H4O A C浸提火焰光度法;有效磷测定采用0.5m o l/L N a H C O3钼锑抗比色法;全氮采用凯氏定氮仪测定㊂2克里金法概述克里金法是根据非样本点周围位置的样本数据,分析它们之间的空间相关性,并且能够计算出其估计精度的一种插值方法[16]㊂克里金插值也称为空间局部插值或空间局部估计,是建立在变异函数理论和结构分析的基础上,具有坚实的数学基础,能够对区域化变量进行线性无偏最优估计[17]㊂由于研究对象和条件不同,相继产生了各种各样的形式,根据插值原理,指示克里金法建立的是二进制数据模型,析取克里金法㊁概率克里金法不允许出现测量误差,由于土壤化学元素数据不是二进制数据且在数据采集化验过程中存在测量误差,因此,该研究选取普通克里金法㊁简单克里金法㊁泛克里金法以及经验贝叶斯克里金法4种用于研究土壤化学性质空间差异性的克里金插值方法㊂2.1普通克里金法普通克里金法假设模型为:Z(s)=μ+ε(s)(1)其中,μ是一个未知常量㊂作为一种简单的预测方法,普通克里金法具有显著的灵活性㊂普通克里金法可用于带有某种趋势的数据[18],单凭数据无法确定已观测到的模式是否是自相关(μ为常量的情况下,在误差ε(s)之间)或趋势(μ(s)随s变化)所造成的㊂普通克里金法可以使用半变异函数或协方差(用于表达空间自相关的数学形式),使用变换和移除趋势,还允许测量误差[19]㊂2.2 简单克里金法简单克里金法假设模型为:Z (s )=μ+ε(s )(2)其中,μ是已知常量㊂对于简单克里金法,因为假设确切已知μ,那么也确切已知数据位置上的ε(s )㊂对于普通克里金法,如果估算了μ,那么也会估算ε(s )㊂如果已知ε(s ),可以比估算ε(s )时更好地估算自相关㊂通常,已知确切平均值μ的假设是不现实的㊂简单克里金法[20]可以使用半变异函数或协方差和变换,并且允许测量误差㊂2.3 泛克里金法泛克里金法假设模型为: Z (s )=μ(s )+ε(s )(3)其中,μ(s )为某些确定性函数㊂没有假设误差ε(s )是独立的,而是将它们建模为自相关㊂泛克里金法[21]可以使用半变异函数或协方差和变换,并且允许测量误差㊂2.4 经验贝叶斯克里金法经验贝叶斯克里金法可以自动执行构建有效克里金模型过程中的那些最困难的步骤[22],不像其他克里金方法需要手动调整参数,可以使用构造子集和模拟的方法自动计算参数㊂经验贝叶斯克里金法可以通过估计基础半变异函数来说明引入的误差,而不像其他克里金方法通过已知的数据位置来计算半变异函数,因此经验贝叶斯克里金法与其他克里金方法相比,经验贝叶斯克里金法降低了预测的标准误差[23]㊂当待插值数据不符合正态分布规律时,也可使用经验贝叶斯克里金方法,该方法可对数据的趋势进行校正,在处理地质层面高程估计方面具有一定的优越性,但处理速度相对其他克里金法较慢㊂3插值精度评价空间插值的精度及预测值的效果检验一般采用交叉验证法进行[13]㊂通常采用交叉验证法(c r o s s -v a l i d a t i o n )来验证土壤化学性质的空间插值效果,即先移除某一个或多个样点的数据,然后使用周围样点数据预测该点的值,并与实际值进行比较,以评价插值方法预测未知位置值的准确程度㊂比较不同插值方法的插值预测误差中的平均值误差㊁均方根误差㊁标准化平均值误差㊁标准均方根误差和平均标准误差㊂具体的评判标准为:当平均值误差和标准平均值误差越接近0㊁标准均方根误差越接近1㊁平均标准误差和均方根误差数值相差越小,表明插值结果精度越高[23]㊂4研究结果与分析4.1 数据预处理克里金插值一般要求对采集的土壤化学元素数据进行正态分布检验,不符合正态分布的数据需要进行转换后满足正态分布要求㊂该项研究选用的4种插值方法中,除经验贝叶斯克里金插值法不要求数据服从正态分布以外,其他3种方法均需要对研究数据进行正态分析检验㊂采用S P S S P R O 软件中数据描述性分析检验方法﹐对土壤化学性质数据正态分布情况进行核验[24]㊂除经验贝叶斯克里金法之外,其他克里金插值要求待处理的数据大概符合正态分布,或对其进行变换后大概符合正态分布[25]㊂正态Q Q 图是用于反映样点数据与标准正态分布的接近程度[5],样点数据值与正态分布线越接近,则越接近正态分布㊂通过S P S S P R O 软件中数据描述性分析检验土壤5类化学元素的正态9第4期 冯郑文,等:不同空间插值方法对土壤化学元素空间分布适用性分析性,如表1所示㊂表1 土壤化学元素正态校验变量名样本量中位数平均值偏度峰度S -W 检验p H 606.7006.510-0.341-0.6950.964(0.074*)全氮/(g ㊃k g -1)600.1080.1080.304-0.0230.985(0.693)有机质/(g ㊃k g -1)6019.00018.953-0.157-0.1650.99(0.911)有效磷/(m g ㊃k g -1)6057.55061.9970.881-0.0450.911(0.000***)速效钾/(m g ㊃k g -1)60165.000208.9671.1950.3490.842(0.000***)注:***㊁**㊁*分别代表1%㊁5%㊁10%的显著性水平通常正态分布的检验方法有2种,一种是S h a p i r o -W i l k 检验,适用于小样本资料(样本量ɤ5000);另一种是K o l m o g o r o v -S m i r n o v 检验,适用于大样本资料(样本量>5000)㊂若呈现显著性(P <0.05),则说明拒绝原假设(数据符合正态分布),该数据不满足正态分布,反之则说明该数据满足正态分布㊂由表1可知,5类土壤化学元素样本均小于5000,采用S -W 检验㊂p H 显著性P 值为0.074*,水平不呈现显著性,不能拒绝原假设,因此数据满足正态分布㊂全氮显著性P 值为0.693,水平不呈现显著性,不能拒绝原假设,因此数据满足正态分布㊂有机质显著性P 值为0.911,水平不呈现显著性,不能拒绝原假设,因此数据满足正态分布㊂有效磷显著性P 值为0.000***,水平呈现显著性,拒绝原假设,因此数据不满足正态分布,其峰度(-0.045)绝对值小于10并且偏度(0.881)绝对值小于3,结合正态分布Q Q 图进行进一步分析㊂速效钾显著性P 值为0.000***,水平呈现显著性,拒绝原假设,因此数据不满足正态分布㊂其峰度(0.349)绝对值小于10并且偏度(1.195)绝对值小于3,结合正态分布Q Q 图进行进一步分析㊂土壤速效钾和有效磷数据正态Q Q 图如图1所示,明显看出二者数据拟合性均不满足正态分布要求㊂因此,本研究土壤p H ㊁全氮和有机质元素数据可直接进行空间插值,而土壤有效磷和速效钾元素需要对数据进行对数变换之后满足正态分布要求再进行空间插值㊂图1 土壤速效钾㊁有效磷正态Q Q 图4.2 变异系数分析变异系数[26]又称标准差率或离散系数,是统计分析中用来衡量变异程度的一个统计量[27]㊂标准差与平均值的比值称为变异系数[28],值越大,说明研究区土壤化学性质空间分布差异越大㊂5类土壤化学元素的变异系数如表2所示,变异系数值由大到小排列为:有效磷㊁速效钾㊁全氮㊁有机质㊁pH ;有效磷的变异系数为61.1%,其数据空间分布差异性最大;空间分布差异性最小的是土壤p H 元素㊂01 华北理工大学学报(自然科学版) 第45卷表2 土壤化学元素变异系数处理结果土壤化学元素平均值标准差变异系数p H 6.5101.07516.5%全氮/(g ㊃k g -1)0.1080.03027.7%有效磷/(m g ㊃k g -1)61.99737.88561.1%速效钾/(m g ㊃k g -1)208.970115.37055.2%有机质/(g ㊃k g -1)18.9535.01126.4%4.3 块金效应分析块金值与基台值(块金值与偏基台值总和)的比值C 0/(C 0+C )称为块金效应[29,30],当该比值C 0/(C 0+C )ɤ25%时,表明该统计量的空间相关性很强;当比值介于25%~75%之间时,表明该统计量的空间相关性属于中等水平;当比值C 0/(C 0+C )>75%时,则表明该统计量具有较弱的空间相关性㊂土壤5类化学元素的块金效应处理结果如表3所示,5类土壤化学元素均具有空间相关性㊂有效磷的块金效应为20.5%<25%,说明有效磷元素的空间相关性很强;土壤有机质的块金效应为80.7%>75%,表明其具有较弱的空间相关性;土壤p H ㊁全氮㊁速效钾的块金效应值在25%~75%之间,这3类化学元素的空间相关性属于中等水平㊂表3 土壤化学元素块金效应处理结果土壤化学元素块金值偏基台值块金效应p H 0.850450.4930563.3%全氮/(g ㊃k g -1)0.000320.0006433.3%有效磷/(m g ㊃k g -1)0.107550.4160620.5%速效钾/(m g ㊃k g -1)0.159570.0619272.0%有机质/(g ㊃k g-1)22.482475.3642280.7%4.4 土壤化学元素空间分布特征分析通过普通克里金插值法㊁泛克里金插值法㊁简单克里金插值法和经验贝叶斯克里金插值法对研究区土壤p H ㊁全氮㊁有机质㊁速效钾以及有效磷进行空间插值,利用插值结果直观反映并分析土壤化学元素的空间分布特征,并通过插值效果以及插值后的数据拟合度分析土壤化学元素最适用的空间插值方法㊂5类土壤化学元素的4种克里金插值结果如图2~图6所示㊂图2所示为土壤p H 不同克里金插值结果㊂图2 土壤p H 不同克里金插值结果11 第4期 冯郑文,等:不同空间插值方法对土壤化学元素空间分布适用性分析由图2可以看出,4种插值方法显示的土壤p H空间分布特征基本吻合,空间分布层次明显㊂在研究区域内,土壤p H的低值区主要分布在2个地区,一小部分分布在北偏西方向上,另一大面积区域分布在正南方向上;高值区主要分布在区域西部㊁北部的边缘地带㊂普通克里金法和泛克里金法插值效果相似,简单克里金法插值后的曲面最平滑,正西方向部分区域采用经验贝叶斯克里金法插值㊁过度处理后明显区别于另外3种插值结果㊂插值后的p H值数据范围由大到小分别是普通克里金法㊁泛克里金法㊁简单克里金法和经验贝叶斯克里金法,说明对于研究区土壤p H数据,插值普通克里金法的拟合结果最优㊂土壤全氮数据利用4种克里金法空间插值后的结果如图3所示㊂图3土壤全氮不同克里金插值结果简单克里金法插值效果与另外3种克里金法差异明显,整体来看全氮高值区主要分布在研究区的最西和最南方向链接线上,东部地区数据值较低,中间有多核区域也表现为较高的插值结果㊂从插值效果上看,4种克里金法均表现出较好的层次关系,插值后的土壤全氮数据范围由大到小分别是普通克里金法㊁泛克里金法㊁简单克里金法和经验贝叶斯克里金法,说明对于研究区全氮数据插值普通克里金法的拟合结果最优㊂图4土壤有机质不同克里金插值结果21华北理工大学学报(自然科学版)第45卷土壤有机质4种克里金法插值结果如图4所示,普通克里金法和泛克里金法插值效果十分吻合,4种插值结果综合效果相似,研究区有机质空间分布呈现西高东低的趋势㊂就插值效果的平滑程度而言,简单克里金法的插值效果更好㊂插值后的有机质数据范围由大到小分别是普通克里金法㊁泛克里金法㊁经验贝叶斯克里金法和简单克里金法,说明对于研究区土壤有机质数据插值普通克里金法拟合性最好㊂图5 土壤速效钾不同克里金插值结果土壤速效钾的空间插值结果如图5所示,其整体空间分布特征为西部和南部区域为高值区域,中部㊁北部和东部区域为低值区域㊂就插值效果的平滑程度而言,简单克里金法的插值效果更好㊂插值后的速效钾数据范围由大到小分别是普通克里金法㊁泛克里金法㊁经验贝叶斯克里金法和简单克里金法,说明对于研究区土壤速效钾数据,普通克里金法的拟合度最高㊂图6 土壤有效磷不同克里金插值结31 第4期 冯郑文,等:不同空间插值方法对土壤化学元素空间分布适用性分析图6所示为土壤有效磷的4种克里金法空间插值结果,其空间分布高值区主要以南部区域为主,由南到北数值逐渐减小,北部和西部各有小部分区域为次高值区㊂插值后研究区的有效磷数据范围,普通克里金法的覆盖最广㊂综上所述,5类土壤化学元素空间分布差异性明显,土壤p H 的低值区分布在研究区正南方向上;高值区主要分布在区域西部㊁北部的边缘地带㊂全氮高值区主要分布在研究区的最西和最南方向链接线上,东部地区数据值较低,中间有多核区域也表现为较高的插值结果㊂研究区有机质空间分布呈现西高东低的趋势㊂土壤速效钾的整体空间分布特征为西部和南部区域为高值区域,中部㊁北部和东部区域为低值区域㊂土壤有效磷空间分布高值区主要以南部区域为主,由南到北数值逐渐减小,北部和西部各有小部分区域为次高值区㊂普通克里金插值法㊁泛克里金插值法㊁简单克里金插值法和经验贝叶斯克里金插值法对研究区土壤p H ㊁全氮㊁有机质㊁速效钾以及有效磷进行空间插值结果显示,普通克里金法插值后的数据拟合性最优,最大程度保留了原始采样点的数据值;泛克里金法与普通克里金法的插值效果基本类似;其中土壤p H ㊁有机质和速效钾选择简单克里金法插值的效果更好,插值曲面更加平滑㊂4.5 不同插值方法精度评定通过交叉验证方法定量分析4种克里金法分别对5类土壤化学元素空间分布的最优插值方法,交叉验证结果如图7所示㊂图7 土壤5类化学元素空间插值交叉验证结果41 华北理工大学学报(自然科学版) 第45卷由于平均值误差和标准平均值误差越接近0㊁标准均方根误差越接近1㊁平均标准误差和均方根误差越小的插值结果精度越高,所以由图7可以得到,土壤有机质数据在4种插值方法中平均值误差最接近0的是普通克里金法,其次是简单克里金法;标准平均值误差最接近0的是普通克里金法,其次是简单克里金法;标准均方根误差最接近于1的是简单克里金法,其次是经验贝叶斯克里金法;均方根误差最小的是简单克里金法,其次是普通克里金法;平均标准误差最小的是泛克里金法,其次是简单克里金法㊂因此,综合上述5种精度评定指标,简单克里金法对土壤有机质的空间插值精度最高㊂同理,在上述精度评定原则要求下,由图7可得4种空间插值方法中对土壤P H 数据插值最优的是经验贝叶斯克里金法;图中显示简单克里金法对土壤全氮的空间插值精度最高;交叉验证结果显示经验贝叶斯克里金法对土壤速效钾和有效磷的空间插值精度影响均最大㊂4.5.1不同半变异函数模型精度评定通过交叉验证方法定量分析4种克里金法中最优的插值方法,由4.2节对土壤5种化学元素的变异系数和4.3节的块金效应分析得到土壤有机质相较于其它4类化学元素的空间分布差异性较小且具有较弱的空间相关性,因此该研究以土壤有机质元素为例分析最优的克里金插值方法中最适宜半变异函数模型,由4.5节得对土壤有机质空间插值最适用的克里金插值是简单克里金法,由于使用克里金法插值时会使用半变异函数模型,而在A r c G I S 软件的地统计克里金插值模块中匹配的半变异函数模型有三角函数㊁球面函数㊁四球㊁五球㊁指数函数㊁高斯函数㊁有理二次方程式㊁孔洞效应㊁K -B e s s e l ㊁J -B e s s e l ㊁稳定的共11种模型㊂表4所示为对土壤有机质进行简单克里金插值的11种模型交叉验证结果㊂表4 土壤有机质简单克里金插值不同半变异函数模型精度有机质简单克里金平均值均方根标准平均值标准均方根平均标准误差三角函数-0.272904.87532-0.054710.999174.88392球面函数-0.266124.87293-0.053280.997264.89055四球-0.263034.87212-0.052640.996734.89229五球-0.260534.87222-0.052120.996474.89359指数函数-0.225524.87225-0.044910.993284.90924高斯函数-0.269824.85896-0.053770.993674.89461有理二次方程式-0.232454.87617-0.046390.994884.90509孔洞效应-0.332004.87387-0.066921.002674.86476K -B e s s e l -0.264364.85825-0.052630.992884.89775J -B e s s e l -0.351724.88267-0.071291.006724.85237稳定的-0.269824.85896-0.053770.993674.89461由表4可得,对土壤有机质进行简单克里金插值选择不同半变异函数模型时交叉验证结果有明显差异㊂其中,平均值误差最接近0的是指数函数模型,精度最高,平均值误差最大的是J -B e s s e l 模型,精度最差;均方根误差最小的是K -B e s s e l 模型,其次是高斯函数模型和稳定的模型,误差最大的是J -B e s s e l 模型,精度最差;标准平均值误差最接近0的是指数函数模型,精度最好,其次是有理二次方程式模型,标准平均值误差最大的是J -B e s s e l 模型,精度最低;标准均方根误差最接近1的半变异函数模型是三角函数模型,其次是孔洞效应模型,误差最大的是J -B e s s e l 模型,精度最低;11种半变异函数模型中平均标准误差最小的是J -B e s s e l 模型,其次是孔洞效应模型,平均标准误差值最大的是有理二次方程式模型,精度最低㊂因此,综合交叉验证分析的5类精度评定指标得出,土壤有机质进行简单克里金插值时半变异函数模型选用指数函数模型时空间插值精度最高,选择J -B e s s e l 模型时空间插值精度最低㊂综上,本研究的土壤有机质数据空间插值的半变异函数模型选择的是指数函数模型,此时空间插值结果最优㊂4.5.2不同半变异函数模型空间插值结果分析由4.5.1节的分析结果选择空间插值精度最高的指数函数模型㊁空间插值精度最低的J -B e s s e l 模型㊁插51 第4期 冯郑文,等:不同空间插值方法对土壤化学元素空间分布适用性分析。
各种插值法的对比研究
各种插值法的对比研究目录1.引言 (1)2.插值法的历史背景 (1)3.五种插值法的基本思想 (2)3.1拉格朗日插值 (2)3.2牛顿插值 (3)3.3埃尔米特插值 (3)3.4分段线性插值 (4)3.5三次样条插值 (5)4.五种插值法的对比研究 (5)4.1拉格朗日插值与牛顿插值的比较 (5)4.2多项式插值法与埃尔米特插值的比较 (6)4.3多项式插值法与分段线性插值的比较 (6)4.4 分段线性插值与样条插值的比较 (6)5.插值法在实际生活中的应用 (6)6.结束语 (6)致谢 (7)参考文献 (7)各种插值法的对比研究摘要：插值法是一种古老的数学方法,也是数值计算中的一个算法.插值法不仅是微分方程、数值积分、数值微分等计算方法的基础,而且在医学、通讯、精密机械加工等领域都涉及到了它.本文首先介绍了插值的背景以及常用的五种插值法的基本思想,然后通过拉格朗日插值与牛顿插值、多项式插值与埃尔米特插值、多项式插值与分段线性插值、分段线性插值和样条函数插值给出相应的算法与MATLAB 程序,根据已学的知识对五种插值方法与被插函数的逼近程度进行对比研究,找出不同方法间的联系与区别,分析出它们的优缺点,最后在此基础上进一步研究插值法的实际应用,以提高插值法的实用性,从而能让我们在以后的应用中看到一个问题,就知道哪种方法更适合于它,然后大大地快速的提高效率.关键词：多项式插值;样条函数插值;MATLAB 程序;应用1.引言在很多解题以及应用生活中,常常需要用数量关系来反映问题,但是有时没有办法通过数学语言准确地表达出来.已知有些变量之间存在一种函数关系,但没法用函数的表达式表示出来.比如,)(x f 在某个区间上[]b a ,是存在某种数量关系的,但是根据观察和测量或者实验只能得到有限个函数值,我们可以利用这几点来确定函数表达式.或者有一些函数表达式是已经知道的,但是它们的计算是十分繁琐复杂的,不容易发现它的本质,而且它的使用方法也比较局限.函数是表达数与数之间的联系,为了能很好地用数学语言表达出函数的关系,一般通过给定的数据构造一个函数)(x P ,这样既能反映函数)(x f 的特点,又方便计算,用)(x P 近似)(x f .通常选一个简单的函数)(x P ,而且=)(i x P )(i x f ()n i ,...,2,1,0=成立,这个时候的)(x P ,从要表达的函数规律来看,就是我们需要的插值函数[1].所用方法就是插值法,由于所选用的)(x P 的多样化,得到不同的插值法.2.插值法的历史背景插值法的历史源远流长,在很早的时候就涉及到了它.它是数值计算中一个古老的分支,它来源于生产实践.因为牛顿力学的物理理论知识在一千年前没有出现,所以我们的祖先没有办法用很准确的数学解析式来表达日月五星的运行规律.后来,古代的人们有着聪慧的头脑,想出了插值方法,然后发现了日月五星的运行规律.例如唐朝数学家张遂提出了插值法的概念以及不等距节点的插值,并将其应用在天文历法观测中.现代工业革命以后欧洲著名的数学家拉格朗日给出了拉格朗日插值法的概念以及应用.微积分产生后,插值法的基本理论和结果进一步得到改善.3.五种插值法的基本思想如果一个函数)(x f y =在区间[]b a ,上有定义,且已知在点b x x x a n ≤<<<≤...10上的值0y ,1y ,2y , ,n y ,若存在一简单函数)(x P ,使得成立,)(x P 为插值函数,点0x ,1x ,2x , ,n x 称为插值节点,插值节点的区间[]b a ,称为插值区间,求插值函数)(x P 的方法称为插值法.若)(x P 的多项式次数不超过n ,即有)(x P n n x a x a x a a ++++= (2210)3.1拉格朗日插值拉格朗日插值是n 次多项式插值,它是用构造插值基函数的办法来解决n 次多项式插值的问题.拉格朗日插值多项式可以表示为=)(x L n ∑=n k k k x ly 0)(,)(x l k 为插值基函数,表达式为=)(x l k ))...()()...(())...()()...((110110n 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 --------+-+-,n k ,,1,0 = 截断误差为)()()(x L x f x R n n -=,也是插值余项.关于插值余项,估计有以下定理[2]:设)(x f n 在[]b a ,上连续,)(1x f n +在()b a ,内存在,节点b x x x x a n≤<<<<≤ 210,)(x L n 是满足条件(1.4)的插值多项式,则对任何[]b a x ,∈,插值余项)()!1()()()()(1)1(x n f x L x f x R n n n n +++=-=ωξ 余项表达式的应用有它的局限性,一般只适合于)(x f 高阶导数存在的情况下.若设1)1()(max ++≤≤=n n b x a M x f ,则误差为)()!1()(11x w n M x R n n n +++≤.3.2牛顿插值牛顿插值的基本思想是对n 次插值多项式)(x P n 进行逐次生成,然后用插值条件求出)(x P n 系数[3].因此,提出了均差（即差商）的概念.设 称有函数)(x f ,1x ,2x ,3x , ,n x 是一系列不相等的点,则[]=k x x f ,000)()(x x x f x f k k --为函数)(x f 关于点0x ,2x 的一阶均差; []=k x x x f ,,10[]1100],[,x x x x f x x f k k -- 称为)(x f 的二阶均差; []=k x x x f ,...,,10[][]1110210,...,,,,...,,-----k k k k k x x x x x f x x x x f 为)(x f )的k 阶均差. 我们先求出1次多项式,2次多项式,然后类推出n 次多项式,构造出n 次代数插值多项式的另外一种表达形式—牛顿插值多项式=)(x P n +)(0x f []10,x x f +-)(0x x []210,,x x x f )(0x x -+-)(1x x … []n x x x x f ,...,,,210+)(0x x -))...((11---n x x x x ,=)(x R n []n x x x x x f ,...,,,,210)(0x x -))...((1n x x x x --, =)(x f +)(x P n )(x R n . )(x P n 为牛顿插值多项式,)(x R n 为余项.3.3埃尔米特插值有的时候解决函数)(x f 的问题,不仅要在某些点上知道函数值,而且已知在一些点上的导数值.那么这时插值函数)(x P ,它在某些点处的导数值和函数值与原表达式的值相等的.那么我们从几何这个方面来思考这个问题,求出插值多项式的曲线,不但通过已知点组,而且在这些点处与原曲线＂相切＂[4].(一)、泰勒插值定义 [][])(,lim ,0'0000x f x x f x x f x x ==→为一阶重节点均差;[][])(21,,lim ,,0''2100000201x f x x x f x x x f x x x x ==→→为二阶重节点均差; 则n 阶重节点均差为[][])(!1,,,lim ,,,0100000x f n x x x f x x x f n n x x i ==→ . 当0x x i →时,牛顿插值公式的极限为=)(x P n +)(0x f )(0'x f +-)(0x x ...！n x f n )(0)(nx x )(0-. 称为泰勒插值多项式.它满足条件=)(0)(x P k n )(0)(x f k ,),...,2,1,0(n k =（二）、两点三次埃尔米特插值若)(x f 在k x ,1+k x 的函数值为k y ,1+k y ,k k m x f =)(',11')(++=k k m x f ,我们可以构造出一个次数不超过3的多项式,)(3x H 为插值函数.设=)(3x H +k k y x a )(+++11)(k k y x a +k k m x )(β11)(++k k m x β,k a ,1+k a ,k β,1+k β为插值基函数.可得结果 =)(3x H 2111))(21(+++----+k k k k k k x x x x x x x x k y 2111))(21(kk k k k k x x x x x x x x ----+++++++1k y )(k x x -+--++k k k k m x x x x 211)(121)(++--k k k k m x x x x , =)(3x R 2124)())((41+--k k x x x x f ξ！,),(1+∈k k x x ξ. 3.4分段线性插值分段线性插值:一般描述,如给定[]上b a ,1+n 个节点b x x x x a n =<<<<= 210和相应的函数值)(i f f i =),...,2,1,0(n i =,记k k k x x h -=+1,k kh h max =. 构造)(x I h 满足:(1)[]b a C x I h ,)(∈;(2)k k h f x I =)(),,2,1,0(n k =;(3))(x I h 在每个小区间[]1,+k k x x 上是线性函数.由以上条件直接可得)(x I h 在小区间[]1,+k k x x 上的表达式为=)(x I h +--++k k k k f x x x x 1111++--k kk k f x x x x , )1,,2,1,0(-=n k 误差估计 -)(x f =)(x I h ))((!2)(1)(''+--k k k x x x x x f ξ))((max 2121+≤≤--≤+k k x x x x x x x M k k . 当∞→h 时,0)()()(→-=x I x f x R h ,)(x I h 在[]b a ,上一致收敛到)(x f .3.5三次样条插值三次样条插值（Spline 插值）的具体要求是:函数[]b a C x S ,)(2∈,并在每个小区间[]1,+j j x x 上是一个三次多项式,其中b x x x x a n =<<<<=...210是给定节点,如果对给定的节点函数值有j y )(j x f =),...,2,1,0(n j =,并且=)(j x S j y ,),...,2,1,0(n j =成立,这时我们就把)(x S 称为三次样条插值函数.4.五种插值法的对比研究通过讨论插值法的相关内容,可以让我们更好的了解插值法.现在我们先从插值多项式的形式上、用途上、计算方法上、精确度上等进行对比研究,比较各自优缺点,然后再通过实例验证之.4.1拉格朗日插值与牛顿插值的比较（一）拉格朗日插值多项式步骤衔接紧密,条理清晰,在理论中十分重要.但是计算比较复杂,因为每添加一个点,所以的公式都要重新计算,这样计算步骤较多会导致计算量变大,反而会导致出现误差与原来的目的背道而驰.（二）牛顿插值多项式的计算量小,步骤简洁.当添加一个节点时,它仍然可以使用,即具有“承袭性”也叫“继承”,所以此类方法应用灵活.但是我们根据正常的想象和观察插值余项,我们一般局部地总是认为当原函数给出的点是越来越多时,我们借助的辅助函数的次数越高,它就和原函数越来越近,误差越来越小.然而事实并非如此,当遇到插值节点等距分布的情况时,只要求函数点值相等不能够充分反映插值函数的性质[5].4.2多项式插值法与埃尔米特插值的比较多项式插值要求在插值节点上函数值相等,计算简单,条件不怎么苛刻.但是如果有的时候一方面要在节点处函数值相等,另一方面要导数值相等,这时多项式插值否则不满足此类情况.埃尔米特插值不仅算法简单而且它具有强烈收敛性.但是它的光滑度不高,而且它的使用条件,也有局限性.在一些特定的限制条件下,有时函数的导数值在这点是完全没有必要知道的.因此,知道节点处的导数的插值函数成为能否运用Hermite插值的一个重要因素[6].4.3多项式插值法与分段线性插值的比较多项式插计算简单,比较方便,但是节点增加的同时就会出现龙格现象,图形波动较大[7].分段线性插值能够克服龙格现象,有收敛性,但是在区间内有转折点,光滑性不好.4.4 分段线性插值与样条插值的比较样条插值的插值函数算法稳定,而且插值函数光滑,收敛性强,误差小.但是它不能局部确定,常常需要解线性方程组.5.插值法在实际生活中的应用插值法是数值逼近中一个非常重要的部分,其次它在实际生活中起着不容小觑的作用,比如天文学以及数学.6.结束语插值法在解决实际问题中有很大的应用.插值方法是各种各样的,它包含拉格朗日插值法、牛顿插值法、Hermite插值法、分段线性插值法以及三次样条插值法等.我们不论使用哪个插值法,它的原理都是一样的.本课题首先介绍了插值的背景以及各类方法的基本思想;然后通过解题、画图、一道题用几种不同方法来解答,让我们哪种方法适合解答哪种类型的题,再然后进行对比,探讨出它们的优缺点,最后文章举个例子来说明插值法有很大的作用,它和我们是相连的,同时利用MATLAB给出了模拟图,通过这种数与形的结合,更好地了解各类插值法的应用于特征.致谢本论文在苏晓琴老师的悉心指导下完成的，同样也是我第一次写这样的文章。
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几种插值法的对比研究1
插值法是一种常用的数据处理方法，特别在数字信号处理和数值计算中广泛应用。
在
实际应用中，选择合适的插值方法对数据的良好处理有着重要的作用。
本文将对几种常用
的插值方法进行对比研究。
1. 线性插值法
线性插值法是最简单也是最常用的插值方法。
它假设函数在两个已知点之间是一条直线，根据该直线与自变量的位置，即可得到插值的函数值。
线性插值法的计算简便，适
用于各种连续变化的函数，但是对曲率较大的函数，有时可能会出现较大的误差。
2. 多项式插值法
多项式插值法是一种高效的插值方法。
它通过已知的数据点和插值点，构造一个多项
式函数。
这个多项式函数与所需求函数一样，在插值点处取相同的函数值。
多项式插值法插值精度较高，但对于高次多项式的构造和计算，不仅容易出现数值不
稳定的问题，而且计算量也比较大，往往在实际应用中给计算机带来较大的负担。
样条插值法是一种优秀的插值方法。
样条插值法将整个插值区间划分为若干小区间，
每个小区间内部通过一个样条函数连接在一起。
样条函数既可以满足插值的要求，又可以
保持函数在区间内的连续性。
这样可以产生较好的插值效果。
相对于线性插值和多项式插值，样条插值法的误差一般较小，满足一定的平滑性要求，而且计算相对简单。
在实际应用中广泛使用。
4. 径向基函数插值法
径向基函数插值法是一种数值稳定性较高的方法。
它利用径向基函数的性质，即可以
逼近各种连续的函数，将一个函数表示为各个径向基函数的线性组合，建立待插值函数与
径向基函数之间的关系。
当插值点趋近于数据点时，径向基函数插值法可以达到较高的精度。
径向基函数插值法的计算方法较为复杂，需要选取合适的径向基函数和其它参数，定
位问题更加困难，但是计算结果却更为准确。
综合各种插值方法的优缺点，我们可以根据不同的实际需求选择不同的插值方法。
在
插值研究中，需要注意插值方法的数值稳定性、计算效率、精度和平滑性等各个方面的综
合考虑，以达到最优的插值效果。