三次样条插值——三转角方程的算法设计
数值计算方法第四章第四节 三次样条
yi f (xi )(i 0,1,...,n) 以及边界点上的一阶导数值f '(x0 ), f '(xn). 求一个三次样条函数S( x)使之满足
S(xi ) yi
(i 1,2,...,n 1)
S(xj ) yj , S'(xj ) f '(xj ) ( j 0, n) 8－
三弯矩插值法的基本思想 （ 1）yi'' f''(xi )未知，但可设S''(xi)Mi,
上的一个分划 ,:ax0x1 xn1xnb 给定节点上函数值f(xi)，i0,1,2, ,n。 若函数S(x)满足 (1)S(xi ) yi i 0，1， n； (2)S(x)Ck1[a,b]，即在整体上是k-1阶连续的； (3)S(x)在每一个小区间[xi, xi1]是k次多项式
（i 0，1， n1） 则称S(x)为k次样条函数。x1,..., xn1称为内节点, x0, xn称为外节点.
2－
样条是绘图员用于描绘光滑曲线的一种机 械器件,它是一些易弯曲材料制成的窄条或棒条. 或接近图 表上确定的描绘点.“样条函数”这个术语意在 点出这种函数的图象与机械样条画出的曲线很 象.
3－
一.k次样条函数的定义
定义 若函数yf(x)在 [a,b]上连续，对于区间[a,b]
（ 4 ） 再 由 三 弯 矩 方 程 边 界 条 件 （ 补 充 两 个 方 程 ） 封 闭 的 方 程 组 ， 可 求 出 M i,(i 0 ,1 ,2 ,...,n )9－
1、建立三弯矩方程 在[xi，xi1]上，三次样条函数可表示为 Si(x)ai(xxi )3 bi(xxi )2 ci(xxi )di (i 0， 1，，n1)
第5章-3三次样条插值解析
0 x
( x 3)3 ,
解 利用上面的定理(光滑因子)验证．
2( x 1)3 ,
3
x,
所以由定理5.5可知该函数为三次样条函数．
例，设
x3 x 2 0 x 1 S ( x) 3 2 ax bx cx 1 1 x 2
是以0，1，2为节点的三次样条函数，则a= 解：1）由 , b= , c=
p j ( x), x j x x j 1
p j ( x) Pm ( j 0,1,...,n)
pn ( x), xn x
s(x)是m次样条的充要条件应为 p0 ( x) a0 a1x am xm ,
பைடு நூலகம்
p1 ( x) p0 ( x) c1 ( x x1 )m ,
已知 f(x0)=f(xn) 确定的周期函数。
例，已知 f(-1)=1,f(0)=0,f(1)=1,求 f(x)在区间[-1,1]上的
三次自然样条插值多项式。 解：这里n=2区间[-1,1]分成两个子区间，故设
S ( x)
且
s0 ( x) a0 x3 b0 x2 c0 x d0
1）它只在插值区间端点比Lagarnge多项式插值问题多两个
边界条件，但却在内点处有一阶、二阶连续的导函数，从而要比 分段Lagarnge插值更光滑。
2）分段Hermite三次多项式插值问题，只有被插值函数在所有
插值节点处的函数值和导数值都已知时才能使用，而且在内节点处 二阶导函数一般不连续。
下面我们讨论三次样条插值多项式s3(x)的构造。 一般来讲，构造三次样条插值多项式s3(x) ，若用待定系数法， 可写成 S3 ( x) ai x3 bi x2 ci x di x xi , xi1 i 0, 1, , n 1 其中 ai, bi, ci, di 为待定系数，共有4n个。按定义s3(x)应满足： （1）插值条件n+1个： S ( xi ) yi i 0, 1, , n 连续性条件n-1个：S ( xi 0) S ( xi 0) i 0, 1, , n 1 （2）在内节点一阶导数连续性条件n-1个：
三转角样条插值
三转角样条插值摘要:对于插值多项式的次数问题，人们一般认为：插值多项式的次数越高，精度越高。
比如线性插值的误差就比抛物线插值的误差要大。
但是在20世纪初龙格（Runge ）现象说明插值多项式并非次数越高精度越高。
人们利用样条插值来拟合曲线，可以利用足够的的数据点，还有公式简单，运算量节省等好处，其中最常用的样条函数是三次样条。
在课本《现代数字数学与计算》中采用的是三弯矩方法推导得出三次样条插值多项式的计算公式，本文将采用三转角法推出三次样条插值多项式的计算公式，并用其拟合几个函数。
在发现等距节点在拟合不连续函数的结果不让人满意时，使用Chebyshev 插值节点构造不均匀节点来减少其拟合的误差，最后用三转角样条插值函数拟合画出手写字母。
三转角法的理论：对于b t t t a n =<<<=...10，考虑],[2b a C s ∈的三次样条插值函数，使得n i t f f t s i i i ,...,1,0),()(===，且满足第一类边界条件00'0')()(β==t f t s ，n n n t f t s β==)()(''。
验证在区间n i t t i i ,...,2,1],,[1=-上满足)()()()()(11t v t u t q f t p f t s i i i i i i i i i ββ+++=--其中1--=i i i t t h ，)](2[)()(132--+-=i i ii i t t h ht t t p ， )](2[)()(321i i ii i t t h h t t t q ---=- ，212)()()(ii i i h t t t t t u ---=， 221)()()(ii i i h t t t t t v --=- ，而 i β可由递推公式)(3)11(31)11(21212112121111ii i i i ii i i i i ii ih f h f h h f h h h h -++++++--+-=+++βββ所确定。
详细讲解三次样条插值法及其实现方法
样条函数的定义 定义4.1 设区间[a,b]上给定一个节点划分
a=x0<x1<……<xn-1<xn=b 如果存在正整数k使得[a,b]上的分段函数s(x)满足 如下两条： (1)在[a,b]上有直到k-1阶连续导数。 (2)在每个小区间[xi,xi+1]上是次数不大于k的多项式。 则称分段函数s(x)是以(2.6)为节点集的k次样条函数。
x xi i i 1 hi
) mi1hi
( ) xi1x
1 hi
x [xi , xi1], hi xi1 xi , i 0,1,, n 1
(x) (2x 1)( x 1)2,1(x) x(x 1)2 13
对Si (x)求二阶导数 ,并整理后得
Si( x)
6( xi
xi 1 hi3
2x)
因为分段三次Hermite插值多项式已经至少是一阶连续 可导了，为了让它成为三次样条函数只需确定节点处 的一阶导数使这些节点处的二阶导数连续即可！
S(xi 0) S(xi 0), i 1,, n 1
S(x)
y ( xxi i 0 hi
)
y ( ) m h ( xi1x i1 0 hi
( yn
yn 1 )
2 hn1
(mn1
2mn )
立即可得下式：
21
其中：
nm1 nmn1 2mn gn
n
h0
h0 hn1
, n
hn1 h0 hn1
1 n
gn
3 n
y1 y0 h0
n
yn
yn1 hn1
联合基本方程得一个广义三对角或周期三对角方程组：
2 1
1
1
2
三次样条插值
再积分,得
S ( x)
( x j 1 x)3 6h j
Mj
( x x j )3 6h j
M j 1 c1 x c2 , (2.48) x [ x j , x j 1 ]
S ( x)
S ( x)
( x j 1 x) 2h j
6h j
2
Mj
(x x j ) 2h j
, ,
(2.53) (2.54)
h j 1 6
hj 6
M j 1
h j 1 3
Mj
y j y j 1
参数
插值函数， 因为S j ( x)是三次样条
所以, S [ x j , x j 1 ]上是一次函数,由两点拉格朗日插值可表示为 j ( x)在 x j 1 x x xj S ( x) Mj M j 1 , x [ x j , x j 1 ], hj x j 1 x j hj hj (2.46) 对上式积分,得 ( x j 1 x)2 ( x x j )2 S ( x) Mj M j 1 c1 , (2.47) 2h j 2h j
在力学上解释为细梁
在 xi 处的弯矩，并且得到的弯矩与相邻两个弯矩
有关，故称用 M 表示 S ( x ) 的算法为三弯矩算法。
i
第二章 插值与拟合
令 S( x) S j ( x), x [ x j , x j 1 ], hj x j 1 x j ,
令 S( x j ) M j，（j 0,1,2,, n)
注：一般不取一端是一阶导数而另一端是二阶导数。
第二章 插值与拟合
这样，由以上给定的任一种边界条件加上插值条件和连 接条件，就能得出4n个方程，可以惟一确定4n个系数。从而 得到三次样条插值函数S(x)在各个子区间xi , xi+1上的表达 式S(xi）(i=1,2,…,)。但是，这种做法当n较大时，计算工 作很大，不便于实际应用。因此我们希望找到一种简单的构 造方法。 定理2.8（3 次样条插值函数存在唯一） (1)如果 f ( x ) 是定义在[a , b] 上函数且已知 y f ( x ) 函数表 ( xi , f ( xi )),(i 0,1,, n)且 a x0 x1 xn b ; ，则 f ( x ) 于 [a , b] 存在 ) b）或（ c）） (2)给定边界条件 (a（或（
上海交大数值分析课件数值分析2-6(三次样条插值)
S ( x ) f , S ( x ) f 0 0 n n
2°已知两端的二阶导数值，即：
S ( x ) f , S ( x ) f 0 0 n n
3°当 f(x) 是以 xn-x0 为周期的周期函数时，则要 求S(x)也是周期函数，即
2
3
... ... ... ... ...
... 0 0
1
2 ... 0 0 g g g
n 2 n 1 2 3 1
n 2
n 2
0
n 1
2
m m m m n m n
1 2 3
2 1
~ H ( x ) H ( x ) 3 2 3 2
求解过程具体如下：
1.条件 设在[a,b]上给出插值条件：
xj
f(xj)
f (xj )m j
x0
f0
m
0
x1
f1
m
1
x2
f2
m
2
…
…
xn
fn
m
n
求三次样条插值函数 S(x)
设法求出
2.求解 mj 的思路
由内部节点上的二阶导数连续求出 考虑S(x)在[xj , xj+1]上的表达式
1.三次样条的定义
若函数 S(x)∈C2[a,b], 且在每个小区间 [xj,xj+1]上是三次多项式，其中
a =x0＜x1 ＜… ＜xn=b
是 给 定 节 点 ， 则 称 S(x) 是 节 点 x0 ， x1， … ，xn上的三次样条函数。 即： a.S(x)∈C2[a,b] b.S(x)在[xj,xj+1]上是三次多项式
三次样条插值的求解
三次样条插值的求解摘要：分段低次插值虽然解决了高次插值的振荡现象和数值不稳定现象，使得插值多项式具有一致收敛性，保证了插值函数整体的连续性，但在函数插值节点处不能很好地保证光滑性要求，这在某些要求光滑性的工程应用中是不能接受的。
如飞机的机翼一般要求使用流线形设计，以减少空气阻力，还有船体放样等的型值线，往往要求有二阶光滑度（即有二阶连续导数）。
因此，在分段插值的基础上，引进了一种新的插值方法，在保证原方法的收敛性和稳定性的同时，又使得函数具有较高的光滑性的样条插值。
关键字:三转角方程 三弯矩阵方程0. 引言1，三次样条函数定义1：若函数2()[,]S x a b C ∈,且在每个小区间上1,j j x x +⎡⎤⎦⎣上是三次多项式，其中01n a x x x b ⋯=<<<= 是给定节点，则称()s x 是节点01,,,n x x x ⋯上的三次样条函数。
若节点j x 上 给定函数值()j j y f x =(0,1,)j n ⋯= ,且()j j s x y = (0,1,)j n ⋯= （1.1）成立，则称 ()s x 为三次样条差值函数。
从定义知，要求出()s x ，在每个应小区间1[,]j j x x + 上确定4个待定系数，共有 n 个小区间，故应确定4n 个参数，根据()s x 在[,]a b 上二阶导数连续，在节点()1,2,3,,1j x j n ⋯=-处应满足连续性条件(0)(0),j j s x s x -=+ ''(0)(0),j j s x s x -=+''''(0)(0)j j s x s x -=+ （1.2） 共有 3n-3个条件，再加上()s x 满足插值条件（1.1），共有4n-2个条件，因此还需要2个条件才能确定()s x 。
通常可在区间[,]a b 端点0,n a x b x ==上各加一个条件（称边界条件），边界条件可根据实际的问题要求给定。
三次样条插值
2012-2013（1）专业课程实践论文三次样条插值樊旭，0818180212，R数学08-2班当插值节点很多时，插值多项式的次数就会很高，这不仅增大了计算量，还会影响结果的精确度。
虽然可以采用原始的插值法，但是主要缺点就是分段接头处不光滑，导数不连续。
因此构想了这样的函数，既能分段的低次插值，又能保证接头处光滑，就产生了三次样条插值。
三次样条插值应该满足的条件：1：满足定义2：S(f x -0)=S(f x +0), S '(f x -0)= S '(f x +0),S ''( f x -0)= S ''(f x +0) 3：边界条件：(1) S '(n x )=0f 'S '(n x )=n f '(2) S ''(0x )=0f 'S ''(n x )=n f '(3) S ''(0x )=S ''(n x )=04：周期函数时：S(0x +0)=S(n x -0),S '(0x +0)=S '(n x -0),S ''(0x +0)=S ''(n x -0),计算方程：1：三转角方程：S(x)=[][][][]11221112212233)()()(2)()(2)(++++++--+--+-+-+-+-j j j j j j j j j j j j j j j j j j m h x x x x m h x x x x y h x x h x x y h x x h x x2：三弯矩方程：S(x)=()j j j j i j j j j i j j J j j j h x x h M y h x x h M y h x x M h x x M -⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-+-+++++666)(6221113131 以1为例用VC++程序编程就求解NN输入n,xi,yi,和待估点xx ，边界条件。
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三次样条插值——三转角方程的算法设计
三次样条插值是一种插值方法，用于通过一组离散点的数据生成连续的曲线。
三次样条插值算法可以通过三转角方程来实现。
三转角方程是指在每个节点处，曲线的一阶导数和二阶导数与相邻插值段的一阶导数和二阶导数相等。
该方程可以用来计算插值段的系数，从而得到连续的曲线。
三次样条插值的算法设计包括以下步骤：
1. 确定插值节点，即给定一组数据点{x_i, y_i}。
2. 计算相邻插值段的一阶导数和二阶导数。
3. 根据三转角方程，计算每个节点的插值段系数。
4. 通过插值段系数，得到连续的三次样条曲线。
三次样条插值算法的优点是可以减少插值误差，同时保持曲线的平滑性。
该算法在数值分析、计算机图形学和工程设计等领域得到广泛应用。
在实现三次样条插值算法时，需要注意以下问题：
1. 插值节点的选择会影响插值曲线的精度和平滑性。
2. 计算导数时需要使用数值差分或解析方法。
3. 三转角方程的求解可能存在线性方程组求解的问题。
总之，三次样条插值算法是一种重要的插值方法，可以用来生成平滑的曲线，具有广泛的应用前景。