ORETERVER (Обработка результатов экспериментов и наблюдений), страница 7

опыте;

1. Знак S обозначают сумму величин от i = 1 до i = n, где n

- число равноточных измерений.

1. Интерполирование функций

Известно, что под интерполированием понимают отыскание значений функции, соответствующих промежуточным значениям аргумента, отсутствующим в таблице логарифмов, тригонометрических и др. функций.

В общем смысле можно сказать, что задача интерполирования обратна задаче табулирования функций. При интерполировании по таблице значений функции строится ее аналитическое выражение, т.е. по значениям функции y_o, y₁, ..., y_n при значениях аргумента х_о, х₁, ..., х_n определяется выражение неизвестной функции.

Понятно, что через данные точки ( даже большого числа ) можно провести множество различных кривых. Поэтому существует интерполирование в различных функциях F (х). Чаще всего требуют, чтобы функция F(х) была многочленом степени на единицу меньшей, чем число известных значений.

Таким образом, задачу интерполирования функций можно сформулировать следующим образом.

Для данных значений х º х_о, х₁, ..., х_n и y º y_o, y₁, ..., y_n найти многочлен y = F (х) степени n, удовлетворяющий условиям F (х_о) = y_o, F (х₁) = y₁, ..., F (х_n) = y_n. Точки х_о, х₁, ..., х_n называют узлами интерполяции. Многочлен F (х) - интерполяционным многочленом , а формулы его построения - интерполяционными формулами.

Как видно из описания сущности интерполирования, в отличии от описанных ранее способов получения функций ( графического, метода средних, метода наименьших квадратов ), интерполяционный многочлен опишет кривую, проходящую точно через заданные точки.

1. Параболическое интерполирование

При параболическом интерполировании в качестве интерполяционного многочлена F (х) принимают многочлен n - ой степени вида

F (х) = а_о + а₁х + а₂х² + ... + а_nxⁿ.

Используя свойство прохождения функции F (х) через заданные точки для неизвестных коэффициентов а_i можно составить n + 1 уравнений с n + 1 неизвестным:

а_о + а₁х_о + а₂х_о² + ... + а_nх_оⁿ = y_o;

а_о + а₁х₁ + а₂х₁² + ... + а_nх₁² = y₁;

....................................................

а_о + а₁х_n + а₂х_n² + ... + а_nх_n² = y_n.

Эта система имеет единственное решение, если значения х_i отличны друг от друга. Понятно, что при большом n возникает сложность решения этой системы. Перед рассмотрением общего способа решения, рассмотрим простой пример.

Дано: х_о = 0, х₁ = 1, х₂ = 2, y_о = 1, y₁ = 1, y₂ = 3. Определить многочлен F (х).

Записывая многочлен F (х) в виде

F (х) = а_о + а₁х + а₂х²

составим систему уравнений

или

откуда а_о = 1, а₁ = - 1, а₂ = 1 и интерполирующий многочлен имеет вид

F (х) = 1 - х + х².

Теперь рассмотрим общий подход к отысканию интерполяционного многочлена F (х), не решением системы, а непосредственной записью.

Определим выражение для многочлена, принимающего в точке х = х_о значение y_о = 1, а в точках х = х₁, х₂, ..., х_n - значения y₁ = y₂ = ... = y_n = 0. Очевидно, что многочлен будет иметь вид

.

Здесь при х = х_о числитель и знаменатель равны, а при х = х₁, х₂, ..., х_n - числитель равен нулю.

Теперь построим многочлен F_о (х), принимающий в точке х_о значение y_о и обращающийся в нуль для значений х = х₁, х₂, ..., х_n. Учитывая предыдущее построение можно записать

.

Теперь можно записать многочлен F (х) для произвольного значения х_i ( i = 0, 1, 2, ..., n ) принимающего значения F (х_i) = y_i, а во всех остальных точках х ¹ х_i значение, равное нулю

.

Как видно из записи, числитель не будет содержать выражения (х - х_i), а знаменатель - (х_i - х_i), т.е. выражений, обращающих числитель и знаменатель в нуль.

Искомый многочлен будет равен сумме

,

т.е. снова в каждой точке х_i одно из слагаемых принимает нужное значение y_i, а все остальные обращаются в нуль.

В развернутом виде

=

... + .

Полученная формула называется интерполяционной формулой Лагранжа.

Используя формулу Лагранжа запишем многочлен F (х) для разобранного выше примера.

=

= .

Получили тоже самое выражение, что и ранее.

Контрольные вопросы

1. Назначение графического метода обработки результатов;

2. Сущность графического метода обработки результатов;

3. Понятие и назначение функциональной шкалы;

4. Выбор масштаба функциональной шкалы;

5. Сущность аппроксимации методом средних;

6. Сущность аппроксимации методом наименьших квадратов;

7. Принципиальное отличие метода интерполирования от метода наименьших квадратов.

4.ОСНОВЫ НОМОГРАФИИ

Номография - слово греческое. Номос - закон, графо - пишу, черчу. В буквальном переводе это слово означает ²черчение закона².

Своей задачей номография ставит построение специальных графиков - номограмм, служащих для решения различных уравнений. Номограммы дают возможность компактно представлять функции многих переменных и таблицы с несколькими входами. На номограммах можно решать некоторые трансцендентные уравнения и системы таких уравнений. Номограммы можно применять не только для вычислительных целей, но и для исследования положенных в их основу функциональных зависимостей.

Наглядность представления различных закономерностей и простота использования номограмм при достаточно высокой точности результата обеспечивают широкое использование номограмм в различных областях техники.

В основе номограмм лежит понятие функциональной шкалы ( см. выше ). На основе функциональных шкал создаются не только номограммы, но и различные вычислительные средства: универсальные вычислительные номограммы, логарифмические линейки и т.п.

В данной главе излагается один из возможных видов номограмм - номограммы в декартовой системе координат, имеющие достаточно широкое использование в машиностроении.

1. Номограммы в декартовой системе координат

В разделах 3.1., 3.2. описана процедура построения графиков для функции одного переменного. При этом на графике получается одна линия ( прямая или кривая ).

Если же изучаемая функция зависит от двух переменных

Z = ¦ (х, y),

то придавая в этом уравнении, например, параметру y ряд частных ( постоянных ) значений y₁, y₂, ..., y_n можно, как и для функции одного переменного, построить зависимости

Z = ¦ (х, y₁);

Z = ¦ (х, y₂);

...................

Z = ¦ (х, y_n).

Получим систему кривых ( в частном случае прямых ), называемых номограммой из ²помеченных² линий, т.к. каждая линия помечается соответствующим значением y_i.

Пример. При исследовании процесса фрезерования было установлено, что наиболее целесообразно величину радиального биения смежных зубьев фрезы назначать по условию обеспечения участия в процессе резания всех зубьев фрезы. Аналитически это условие выражается уравнением

,

где S_z - расчетная величина подачи на зуб, мм/зуб;

k = - параметр операции;

D - диаметр фрезы, мм;

t - глубина резания, мм;

D - величина биения смежных зубьев фрезы, мм.

Как видно, S_z = ¦ (k, D) является функцией двух параметров. Здесь можно отметить, что, фактически S_z = ¦ (D, t, D), т.е. функцией трех параметров, но два параметра (D, t) заменены одним - k = , легко определяемым и уменьшающим количество переменных. Данный прием широко используется в номографии.

Теперь необходимо определиться с осями и помеченным параметром. В качестве оси ординат, в соответствии с функциональной зависимостью, рационально принять S_z. В качестве же оси абсцисс можно принять либо k, либо D. Если в качестве оси ординат принять k ( а помеченным параметром D_i ), то зависимость

S_z = ¦ (k, D_i)

будет получаться криволинейной, в соответствии с закономерностью . Проще строить и использовать прямолинейные графики при равномерных шкалах. Поэтому стараются номограммы строить на основе прямых линий. Поэтому лучше будет строить номограмму из помеченных линий вида

S_z = ¦ (D, K_i),

где .

Теперь выбираем масштаб построения и диапазоны изменения переменных. С учетом условий процесса фрезерования принимаем D £ 0,08 мм; S_z £ 0,20 мм/зуб. Параметр k изменяем дискретно k = 2; 5; 10; 20; 30; 40; 50. Так как зависимость S_z = ¦ (D, K_i) является прямой линией, проходящей через начало координат, то для построения графиков достаточно вычислить только одно значение S_z при каком - либо значении D. Например, для k = 2, при D = 0,06 мм имеем

^{( мм/зуб ).}

Теперь через точки ( 0; 0 ) и ( 0,06; 0,06 ) можно провести прямую линию и пометить ее параметр k = 2. Аналогично проводятся и другие линии ( рис. 13 ). На номограмме наносится линия, показывающая порядок ее использования.

Рис. 13. Номограмма определения допустимой величины

радиального биения смежных зубьев фрезы.

4.2. Составные номограммы с помеченными линиями