【数学建模算法】(25)插值与拟合:分段线性插值

1.插值多项式的震荡

用 Lagrange 插值多项式L_{n}(x)近似f(x)(a \leq x \leq b),虽然随着节点个数的增加,L_{n}(x)的次数n变大,多数情况下误差\left|R_{n}(x)\right|会变小。但是n增大时,L_{n}(x)的光滑性变坏,有时会出现很大的振荡。理论上,当n \rightarrow \infty,在[a, b]内并不能保证L_{n}(x)处处收敛于f(x)。Runge给出了一个有名的例子:

f(x)=\frac{1}{1+x^{2}}, \quad x \in[-5,5]

对于较大的|x|,随着n的增大,L_{n}(x)震荡越来越大,事实上可以证明,仅当x \leq 3.63时,才有\lim _{n \rightarrow \infty} L_{n}(x)=f(x),而在此区间外,L_{n}(x)是发散的。

高次插值多项式的这些缺陷,促使人们转而寻求简单的低次多项式插值

2.分段线性插值

简单地说,将每两个相邻的节点用直线连起来,如此形成的一条折线就是分段线性插值函数,记做I_{n}(x),它满足I_{n}\left(x_{i}\right)=y_{i},且I_{n}(x)在每个小区间\left[x_{i}, x_{i+1}\right]是线性函数(i=0,1, \cdots, n)

I_{n}(x)可表示为
I_{n}(x)=\sum_{i=0}^{n} y_{i} l_{i}(x)
l_{i}(x)=\left\{\begin{array}{l}{\frac{x-x_{i-1}}{x_{i}-x_{i-1}}},x \in\left[x_{i-1}, x_{i}\right](i=0时舍去) \\ {\frac{x-x_{i+1}}{x_{i}-x_{i+1}}} ,x \in\left[x_{i}, x_{i+1}\right](i=n时舍去)\\ {0},其他\end{array}\right.

I_{n}(x)有良好的收敛性,即对于x \in[a, b]有,
\lim _{n \rightarrow \infty} I_{n}(x)=f(x)
I_{n}(x)计算x点的插值时,只用到x左右的两个节点,计算量与节点个数n 无关。但n越大,分段越多,插值误差越小。实际上用函数表作插值计算时,分段线性插值就足够了,如数学、物理中用的特殊函数表,数理统计中用的概率分布表等。

3.用Matlab实现分段线性插值

用 Matlab 实现分段线性插值不需要编制函数程序,Matlab 中有现成的一维插值函数 interp1。

y=interp1(x0,y0,x,'method')
method 指定插值的方法,默认为线性插值。其值可为:

method值 功能
'nearest' 最近项插值
'linear' 线性插值
'spline' 逐段3次样条插值
'cubic' 保凹凸性3次插值

所有的插值方法要求 x0 是单调的。
当 x0 为等距时可以用快速插值法,使用快速插值法的格为'*nearest'、'*linear'、
'*spline'、'*cubic'。

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