Главная » Просмотр файлов » Heath - Scientific Computing

Heath - Scientific Computing (523150), страница 63

Файл №523150 Heath - Scientific Computing (Heath - Scientific Computing) 63 страницаHeath - Scientific Computing (523150) страница 632013-09-15СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 63)

In addition to these undesirable computational properties, the use of high-degree polynomials for interpolation has some undesirabletheoretical consequences as well. Simply put, a high-degree polynomial necessarily has lotsof “wiggles,” which may bear no relation to the data to be fit. Although the polynomialgoes through the required data points, it may oscillate wildly between data points and thusbe useless for many of the purposes for which interpolation is done in the first place.One manifestation of this difficulty is the potential lack of uniform convergence of theinterpolating polynomial to an underlying continuous function as the number of equallyspaced points (and hence the polynomial degree) increases.

This phenomenon is illustratedby Runge’s function, shown graphically in Fig. 7.5, where we see that the interpolatingpolynomials of increasing degree converge nicely to the function in the middle of the interval,but diverge near the endpoints.2.01.51.00.50.0.............

.... .... ..... ..2........................................ ........ ....... ... ... .... ..... ...... .... .... .... ...... .... ...5... .... .. .... .... .................... .10.. ...... ................................................................................................................................................................................................................... .... .... .... ....

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

......................... .... ....... .... ................... ..... ...... ...............f (t) = 1/(1 + 25t )p (t)p (t)−1.0−0.50.00.51.0Figure 7.5: Interpolation of Runge’s function at equally spaced points.7.2.7Placement of Interpolation PointsAs we have just seen, equally spaced interpolation points may give unsatisfactory results,especially near the ends of the interval. If, instead of being equally spaced, the points arebunched near the ends of the interval, more satisfactory results are likely to be obtainedwith polynomial interpolation. One way to accomplish this is to use the Chebyshev points(2k − 1)π, k = 1, . .

. , n,tk = − cos2non the interval [−1, 1], or a suitable transformation of these points to an arbitrary interval.The Chebyshev points are the abscissas of n points in the plane that are equally spacedaround the unit circle but have abscissas appropriately bunched near the ends of the interval[−1, 1], as illustrated in Fig. 7.6. The name comes from the fact that the points tk are thezeros of the nth Chebyshev polynomial of the first kind.232CHAPTER 7. INTERPOLATION1••................................................................................................................. .................................................................

........ ......... ............ ......................................................... ......... ........ ...... .... .................... .............. ................ ............... .... ........ ..••••••0•• •−1•••0•••• ••1Figure 7.6: Chebyshev points for interpolation.Use of the Chebyshev points for polynomial interpolation distributes the error moreevenly and yields convergence throughout the interval for any sufficiently smooth underlyingfunction, as illustrated for Runge’s function in Fig. 7.7. Of course, one may have no choicein placing the interpolation points, either because of existing measured data or because aparticular distribution (such as equally spaced) is required for other reasons.2.0.........................................

.... .... .... ....1.51.00.50.0...............f (t) = 1/(1 + 25t2 )p5 (t)p10 (t)............................. ........................... ............. .... ..... .... ......... .... ...... ...... ... ......... ............ ............ . .... .... .... .... .... .... .... .... ... ............. .... ............. ................. ............................ .... ........

... ............ . ........ ............................ .......... .... ............... ................. ..... .......... ..................... .................... ..................................................... ........ .............................................................................................................................................................................................................................−1.0−0.50.00.51.0Figure 7.7: Interpolation of Runge’s function at the Chebyshev points.7.3Piecewise Polynomial InterpolationAn appropriate choice of basis functions and interpolation points can mitigate some ofthe difficulties associated with interpolation by a polynomial of high degree.

Nevertheless,fitting a single polynomial to a large number of data points is still likely to yield unsatisfactory oscillating behavior in the interpolant. Piecewise polynomial interpolation provides analternative to the practical and theoretical difficulties incurred by high-degree polynomialinterpolation. The main advantage of piecewise polynomial interpolation is that a largenumber of data points can be fit with low-degree polynomials.In piecewise polynomial interpolation of a given set of data points (ti , yi ), a differentpolynomial is used in each subinterval [ti , ti+1 ]. For this reason, the abscissas ti at whichthe interpolant changes from one polynomial to another are called knots, breakpoints, orcontrol points.

The simplest example is piecewise linear interpolation, in which successivedata points are connected by straight lines.7.3. PIECEWISE POLYNOMIAL INTERPOLATION233Although piecewise polynomial interpolation eliminates the problems of excessive oscillation and nonconvergence, it appears to sacrifice smoothness of the interpolating function.There are many degrees of freedom in choosing a piecewise polynomial interpolant, however, which can be exploited to obtain a smooth interpolating function despite its piecewisenature.7.3.1Hermite Cubic InterpolationIn Hermite, or osculatory, interpolation, the derivatives as well as the values of the interpolating function are specified at the data points.

Specifying derivative values simplyadds more equations to the linear system that determines the parameters of the interpolating function. To have a well-defined solution, the number of equations and the number ofparameters to be determined must be equal.To provide adequate flexibility while maintaining simplicity and computational efficiency, piecewise cubic polynomials are the most common choice of function for Hermiteinterpolation. A Hermite cubic interpolant is a piecewise cubic polynomial interpolant witha continuous first derivative.

A piecewise cubic polynomial with n knots has 4(n−1) parameters to be determined, since there are n − 1 different cubics and each has four parameters.Interpolating the given data gives 2(n − 1) equations, because each of the n − 1 cubicsmust match the two data points at either end of its subinterval.

Requiring the derivativeto be continuous gives n − 2 additional equations, for at each of the n − 2 interior datapoints the derivatives of the cubics on either side must match. We therefore have a total of3n − 4 equations, which still leaves n free parameters. Thus, a Hermite cubic interpolant isnot unique, and the remaining free parameters can be chosen so that the result is visuallypleasing or satisfies additional constraints, such as monotonicity or convexity.7.3.2Cubic Spline InterpolationIn general, a spline is a piecewise polynomial of degree k that is continuously differentiablek −1 times. For example, a linear spline is a piecewise linear polynomial that has degree oneand is continuous but not differentiable (it could be described as a “broken line”).

A cubicspline is a piecewise cubic polynomial that is twice continuously differentiable. As with aHermite cubic, interpolating the given data and requiring continuity of the first derivativeimposes 3n − 4 constraints on the cubic spline. Requiring a continuous second derivativeimposes n − 2 additional constraints, leaving two remaining free parameters.The final two parameters can be fixed in a number of ways, such as:• Specifying the first derivative at the endpoints t1 and tn , based either on desired boundaryconditions or on estimates of the derivative from the data• Forcing the second derivative to be zero at the endpoints, which gives the so-called naturalspline• Enforcing a “not-a-knot” condition, which effectively forces two consecutive cubic piecesto be the same, at t2 and at tn−1• Forcing the first derivatives as well as the second derivatives to match at the endpointst1 and tn (if the spline is to be periodic)234CHAPTER 7.

INTERPOLATIONExample 7.6 Cubic Spline Interpolation. To illustrate spline interpolation, we willdetermine the natural cubic spline interpolating three data points (ti , yi ), i = 1, 2, 3. Therequired interpolant is a piecewise cubic function defined by separate cubic polynomials ineach of the two intervals [t1 , t2 ] and [t2 , t3 ]. Denote these two polynomials byp1 (t) = α1 + α2 t + α3 t2 + α4 t3 ,p2 (t) = β1 + β2 t + β3 t2 + β4 t3 .Eight parameters are to be determined, and we will therefore need eight equations.

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
1,88 Mb
Тип материала
Учебное заведение
Неизвестно

Список файлов книги

Свежие статьи
Популярно сейчас
Как Вы думаете, сколько людей до Вас делали точно такое же задание? 99% студентов выполняют точно такие же задания, как и их предшественники год назад. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6455
Авторов
на СтудИзбе
305
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее