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 (4)
3.4分段线性插值 (5)
3.5三次样条插值 (6)
4.五种插值法的对比研究 (6)
4.1拉格朗日插值与牛顿插值的比较 (6)
4.2多项式插值法与埃尔米特插值的比较 (7)
4.3多项式插值法与分段线性插值的比较 (7)
4.4 分段线性插值与样条插值的比较 (7)
5.插值法在实际生活中的应用 (7)
6.结束语 (7)
致谢 (8)
参考文献 (8)
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 l y 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 ,00
0)()(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[]1
100],[,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'
0000
x f x x f x x f x x ==→为一阶重节点均差; [][])(2
1,,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 ,,,0100000
x 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)(n
x 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(k
k 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 k
h 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 k
k 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。苏晓琴老师以其广博的知识、丰富的经验和清晰的思路，自始至终给我以耐心的指导，使我能够顺利的完成论文写作；她严谨的治学态度和精益求精的工作方式给我留下深刻的印象，令我受益匪浅；故借此论文完成之际，对苏晓琴老师表示深深的感谢。
参考文献
[1]李庆扬,王能超. 数值分析第5版[M].北京:清华大学出版社,2008.22~46.
[2]王仁宏.数值逼近[M].北京:北京高等出版社,1999.
[3]吴才斌.插值法及其应用[J].湖北大学成人教育学院学报,1999,(05):77~80.
[4]彭湘晖.几种常用插值方法比较分析[J].黑龙江水利科技,2008,(01):62~63.
[5]朱正佑,李根国,程昌钧.分数积分的一种数值计算方法及其应用[J]. 应用数学和力学,2003,(04):331~341.
[6]姜琴,周天宏.常见的插值法及其应用[J].郧阳师范高等专科学校学报,2006,(03):77~80.
[7]赵景军,吴勃英.关于《数值分析》教学的几点探讨[J].大学数学,2005,(03):28~30.
Comparative Study of Various Kinds of Interpolation Method
Abstract: Interpolation is a kind of ancient mathematics method, at the same time, an old branch is in numerical calculation. Not only is it based of numerical integration, numerical differentiation, numerical solution and differential equations, but also applies to medical science, communication, precision machining and so on. This article first introduces the background of the interpolation and the basic idea of the five sectors of the method of interpolation, then we combine the
Lagrange interpolation with Newton interpolation, Polynomial interpolation and Hermite interpolation, Polynomial interpolation and Piecewise linear interpolation, Piecewise linear interpolation and Spline function interpolation, are given by the corresponding algorithm with the MATLAB program, then is given by comparing the five interpolation methods and the degree of approximation of the inserted function according to the learned knowledge, and the relation and difference between the different methods are found out. And the end on this basis to further study the practical application of the interpolation method to improve the practicality of the interpolation method, which allows us to see a problem in the future application, we know which method is more suitable for it, and then greatly to improve efficiency quickly.
Keywords: Polynomial interpolation; Spline function interpolation; MATLAB program; Application
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。
几种克里金温度插值的比较 1克里金插值法 克里金法类型分常规克里金插值(常规克里金模型/克里金点模型)和块克里金插值。常规克里金插值，其内插值与原始样本的容量有关，当样本数量较少的情况下，采用简单的常规克里金模型内插的结果图会出现明显的凹凸现象；块克里金插值是通过修改克里金方程以估计子块B内的平均值来克服克里金点模型的缺点，对估算给定面积实验小区的平均值或对给定格网大小的规则格网进行插值比较适用。克里金插值有多种方式，可分为简单克里金插值、普通克里金插值、泛克里金插值等线性插值法，指示克里金插值、析取克里金插值等非线性插值法和概率克里金插值、贝叶斯克里金插值等。克里金法提供了一个在有限区域内对空间变量进行无偏最优估计的方法。 1.1简单克里金插值 图1 未经数值变换的简单克里金插值（作图：曹源飞）
图2 数值变换后的简单克里金插值（作图：曹源飞） 采用简单克里金插值时，由于原温度数据不满足正态分布，故进行数值转换，即在Transformation Type中选择Normal Score，Order of trend removal 中选择Second得到图2. simple kriging很少直接用于估计，因为它假设空间过程的均值依赖于空间位置，并且是已知的，但在实际中均值一般很难得到。它可以用于其它形式的克立格法中例如指示和析取克立格法，在这些方法中数据进行了转换，平均值是已知的。 1.2 普通克里金插值
图3 普通克里金插值（作图：杨敏） Ordinary kriging是单个变量的局部线形最优无偏估计方法，也是最稳健常用的一种方法。普通克里金(Ordinary Kriging)提供了一个在有限区域内对空间变量进行无偏最优估计的方法，是根据样本空间位置不同、样本间相关程度不同，对每个样品赋予了不同的权，进行滑动加权平均，以估计待测点的值。普通克里金法为一种广泛使用的地理统计的插值方法，但一般都只依据经验使用一个变异函数来计算插值结果。 普通克里金插值法要求区域化变量满足二阶平稳假设，但实际应用中这一假设往往无法满足，即存在漂移现象，这时需要采用泛克里金插值。 1.3 泛克里金插值 图4 泛克里金插值（作图：张敏） 泛克里金法，就是在漂移的形式E[Z(x)]=m(x)，和非平稳随机函数Z(x)的协方差函数C(h)或变异函数Y(h)一致的条件下，一种考虑到有漂移的无偏线性统计学方法。 ●普通克里金插值法要求区域化变量满足二阶平稳假设。但实际应用中这一假设往 往无法满足。即存在漂移现象。这时需要采用泛克里金插值。 ●在实施泛克里金法插值法之前需要埘所插值的数据点属性值进行适当的审查和处 理，主要包括特异值的识别、处理和数据点属性值分布的近似转换。 1.4指示克里金插值
空间插值可以有很多种分类方法，插值种类也难以举尽。在网上看到这篇文章，觉得虽然作者没能进行分类，但算法本身介绍地还是不错的。 在科学计算领域中，空间插值是一类常用的重要算法，很多相关软件都内置该算法，其中GodenSoftware 公司的Surfer软件具有很强的代表性，内置有比较全面的空间插值算法，主要包括： Inverse Distance to a Power（反距离加权插值法） Kriging（克里金插值法） Minimum Curvature（最小曲率） Modified Shepard's Method（改进谢别德法） Natural Neighbor（自然邻点插值法） Nearest Neighbor（最近邻点插值法） Polynomial Regression（多元回归法） Radial Basis Function（径向基函数法） Triangulation with Linear Interpolation（线性插值三角网法） Moving Average（移动平均法） Local Polynomial（局部多项式法） 下面简单说明不同算法的特点。 1、距离倒数乘方法 距离倒数乘方格网化方法是一个加权平均插值法，可以进行确切的或者圆滑的方式插值。方次参数控制着权系数如何随着离开一个格网结点距离的增加而下降。对于一个较大的方次，较近的数据点被给定一个较高的权重份额，对于一个较小的方次，权重比较均匀地分配给各数据点。计算一个格网结点时给予一个特定数据点的权值与指定方次的从结点到观测点的该结点被赋予距离倒数成比例。当计算一个格网结点时，配给的权重是一个分数，所有权重的总和等于1.0。当一个观测点与一个格网结点重合时，该观测点被给予一个实际为1.0 的权重，所有其它观测点被给予一个几乎为0.0 的权重。换言之，该结点被赋给与观测点一致的值。这就是一个准确插值。距离倒数法的特征之一是要在格网区域内产生围绕观测点位置的"牛眼"。用距离倒数格网化时可以指定一个圆滑参数。大于零的圆滑参数保证，对于一个特定的结点，没有哪个观测点被赋予全部的权值，即使观测点与该结点重合也是如此。圆滑参数通过修匀已被插值的格网来降低"牛眼"影响。 2、克里金法 克里金法是一种在许多领域都很有用的地质统计格网化方法。克里金法试图那样表示隐含在你的数据中的趋势，例如，高点会是沿一个脊连接，而不是被牛眼形等值线所孤立。克里金法中包含了几个因子：变化图模型，漂移类型和矿块效应。 3、最小曲率法 最小曲率法广泛用于地球科学。用最小曲率法生成的插值面类似于一个通过各个数据值的，具有最小弯曲量的长条形薄弹性片。最小曲率法，试图在尽可能严格地尊重数据的同时，生成尽可能圆滑的曲面。使用最小曲率法时要涉及到两个参数：最大残差参数和最大循环次数参数来控制最小曲率的收敛标准。 4、多元回归法 多元回归被用来确定你的数据的大规模的趋势和图案。你可以用几个选项来确定你需要的趋
插值法的应用与比较 信科1302 万贤浩 13271038 1格朗日插值法 在数值分析中，拉格朗日插值法是以法国十八世纪数学家约瑟夫·路易斯·拉格朗日命名的一种多项式插值方法.许多实际问题中都用函数来表示某种内在联系或规律，而不少函数都只能通过实验和观测来了解.如对实践中的某个物理量进行观测，在若干个不同的地方得到相应的观测值，拉格朗日插值法可以找到一个多项式，其恰好在各个观测的点取到观测到的值.这样的多项式称为拉格朗日（插值）多项式.数学上来说，拉格朗日插值法可以给出一个恰好穿过二维平面上若干个已知点的多项式函数.拉格朗日插值法最早被英国数学家爱德华·华林于1779年发现，不久后由莱昂哈德·欧拉再次发现.1795年，拉格朗日在其著作《师范学校数学基础教程》中发表了这个插值方法，从此他的名字就和这个方法联系在一起. 1.1拉格朗日插值多项式 图1 已知平面上四个点：(?9, 5), (?4, 2), (?1, ?2), (7, 9)，拉格朗日多项式：)(x L （黑色）穿过所有点.而每个基本多项式：)(00x l y ,)(11x l y , )(22x l y 以及)(x l y ??各穿过对应的一点，并在其它的三个点的x 值上取零. 对于给定的若1+n 个点),(00y x ,),(11y x ,………),(n n y x ，对应于它们的次数不超过n 的拉格朗日多项式L 只有一个.如果计入次数更高的多项式，则有无穷个，因为所有与L 相差 ))((10x x x x --λ……)(n x x -的多项式都满足条件. 对某个多项式函数，已知有给定的1+k 个取值点： ),(00y x ,……,),(k k y x ,
多种插值法比较与应用 （一）Lagrange 插值 1． Lagrange 插值基函数 n+1个n 次多项式 ∏≠=--= n k j j j k j k x x x x x l 0)( n k ,,1,0ΛΛ= 称为Lagrange 插值基函数 2． Lagrange 插值多项式 设给定n+1个互异点))(,(k k x f x ，n k ,,1,0ΛΛ=，j i x x ≠，j i ≠，满足插值条件 )()(k k n x f x L =，n k ,,1,0ΛΛ= 的n 次多项式 ∏∏ ∏=≠==--==n k n k j j j k j k k n k k n x x x x x f x l x f x L 0 00 ))(()()()( 为Lagrange 插值多项式，称 ∏=+-+=-=n j j x n n x x n f x L x f x E 0 )1()()!1()()()()(ξ 为插值余项，其中),()(b a x x ∈=ξξ （二）Newton 插值 1．差商的定义 )(x f 关于i x 的零阶差商 )(][i i x f x f = )(x f 关于i x ，j x 的一阶差商
i j i j j i x x x f x f x x f --= ][][],[ 依次类推，)(x f 关于i x ，1+i x ，……，k i x +的k 阶差商 i k i k i i k i i k i i i x x x x f x x f x x x f --= +-+++++] ,,[],,[],,,[111ΛΛΛΛΛ 2． Newton 插值多项式 设给定的n+1个互异点))(,(k k x f x ，n k ,,1,0ΛΛ=，j i x x ≠，j i ≠， 称满足条件 )()(k k n x f x N =，n k ,,1,0ΛΛ= 的n 次多项式 )()](,,,[)](,[][)(10100100---++-+=n n n x x x x x x x f x x x x f x f x N ΛΛΛΛΛ 为Newton 插值多项式，称 ],[,)(],,,[)()()(010b a x x x x x x f x N x f x E n j j n n ∈-=-=∏=ΛΛ 为插值余项。 （三）Hermite 插值 设],[)(1b a C x f ∈，已知互异点0x ，1x ，…，],[b a x n ∈及所对应的函数值为0f ，1f ，…，n f ，导数值为'0f ，'1f ，…，'n f ，则满足条件 n i f x H f x H i i n i i n ,,1,0,)(,)(''1212Λ===++ 的12+n 次Hermite 插值多项式为 )()()(0 '12x f x f x H j n j j j n j i n βα∏∏=++= 其中 )())((,)]()(21[)(2 2'x l x x x l x l x x x j j j j j j j j ---=βα
各种插值方法比较 插值是一种常见的数据处理技术，用于估计缺失数据或填充数据空缺。在数据分析、统计学和机器学习等领域中，插值可以帮助我们处理缺失数 据或者对连续数据进行平滑处理。常见的插值方法包括线性插值、多项式 插值、样条插值、Kriging插值等。 1.线性插值： 线性插值是一种简单但广泛使用的插值方法，基于原始数据中的两个 点之间的直线来估计缺失点的值。这种方法适用于数据分布较为均匀的情况，但对于非线性的数据，可能会导致估计值与实际值之间的较大误差。2.多项式插值： 多项式插值是通过使用多项式函数来拟合原始数据，从而估计缺失点 的值。多项式插值方法具有较高的灵活性，可以在不同的数据点之间产生 平滑曲线，但在数据点较多时，可能会导致过拟合问题。 3.样条插值： 样条插值是一种常见的插值方法，它通过使用分段多项式函数来拟合 数据，从而在数据点之间产生平滑曲线。样条插值方法克服了多项式插值 的一些问题，同时在数据点较少的情况下也能有效地估计缺失点的值。 4. Kriging插值： Kriging插值是一种基于统计学和地理学原理的插值方法，它考虑了 数据点之间的空间关系，并使用半变异函数来估计缺失点的值。Kriging 插值方法适用于具有空间相关性的数据，例如地理信息系统中的地形数据 或环境监测数据。
除了上述常见的插值方法之外，还有一些其他的插值方法，如逆距离加权插值、最近邻插值、高阶插值等。 5.逆距离加权插值： 逆距离加权插值方法假设距离越近的数据点对估计值的贡献越大，它根据数据点之间的距离来计算权重，并将其与对应数据点的值进行加权平均来估计缺失点的值。逆距离加权插值方法适用于数据点密集、分布不均匀的情况，但对于噪声较大或异常值较多的数据，可能会导致估计值的不准确。 6.最近邻插值： 最近邻插值方法简单和直观，它假设与缺失点距离最近的已知点的值与缺失点的值相同。这种方法适用于数据点之间的空间相关性较强，但在数据点分布不均匀或者缺失点周围的数据点值变化较大的情况下，可能会导致估计值的不准确。 7.高阶插值： 高阶插值方法通过使用高阶多项式函数来拟合原始数据，从而克服了低阶插值方法可能出现的过拟合问题。高阶插值方法适用于数据分布非常复杂或不规则的情况，但在数据点较少时可能导致算法复杂度较高。 总体而言，不同的插值方法适用于不同的数据分布和应用场景。在实际应用中，选择适当的插值方法需要考虑数据的特征、插值的准确性要求以及计算性能等因素。此外，在进行插值处理时，还需要对估计结果进行合理的验证和评估，以确保其准确性和可靠性。
拉格朗日插值法与牛顿插值法的比较 [摘 要]在生产和科研中出现的函数是多样的。对于一些函数很难找出其解析表达式。即使在某些情况下，可以写出函数的解析表达式，但由于解析表达式的结构相当复杂，使用起来很不方便。插值法即是解决此类问题的一种古老的、然而却是目前常用的方法，它不仅直接广泛地应用于生产实际和科学研究中，而且也是进一步学习数值计算方法的基础。拉格朗日插值法和牛顿插值法则是二种常用的简便的插值法。本文即是讨论拉格朗日插值法和牛顿插值法的理论及二者的比较。 [关键词] 拉格朗日插值 牛顿插值 插值多项式 比较 一、 背景 在工程和科学研究中出现的函数是多种多样的。常常会遇到这样的情况：在某个实际问题中，虽然可以断定所考虑的函数)(x f 在区间],[b a 上存在且连续，但却难以找到它的解析表达式，只能通过实验和观测得到在有限个点上的函数值（即一张函数表）。显然，要利用这张函数表来分析函数)(x f 的性态，甚至直接求出其他一些点上的函数值可能是非常困难的。面对这些情况，总希望根据所得函数表（或结构复杂的解析表达式），构造某个简单函数)(x P 作为)(x f 的近似。这样就有了插值法，插值法是解决此类问题目前常用的方法。 如设函数)(x f y =在区间],[b a 上连续，且在1+n 个不同的点b x x x a n ≤≤,,,10 上分别取值n y y y ,,,10 。 插值的目的就是要在一个性质优良、便于计算的函数类Φ中，求一简单函数)(x P ，使 ),,1,0()(n i y x P i i == 而在其他点i x x ≠上，作为)(x f 的近似。 通常，称区间],[b a 为插值区间，称点n x x x ,,,10 为插值节点，称式i i y x P =)(为插值条件，称函数类Φ为插值函数类，称)(x P 为函数)(x f 在节点n x x x ,,,10 处的插值函数。求插值函数)(x P 的方法称为插值法。 插值函数类Φ的取法不同，所求得的插值函数)(x P 逼近)(x f 的效果就不同。它的选择取决于使用上的需要，常用的有代数多项式、三角多项式和有理函数等。当选用代数多项式作为插值函数时，相应的插值问题就称为多项式插值。本文讨论的拉格朗日插值法与牛顿插值法就是这类插值问题。 在多项式插值中，最常见、最基本的问题是：求一次数不超过n 的代数多项式 n n x a x a a x P +++= 10)(
两种空间插值方法的比较研究 摘要：距离倒数加权法算法简单，容易实现，适合分布较均匀的采样点集，但容易出现“牛眼”现象；克里金法是一种无偏最优估计法，精度较高，适合空间自相关程度高的数据，但其算法复杂，实现较难。这两种 方法各有其适用情形，本文比较了这两种方法的优劣并提出算法优化的思路。 关键字：距离倒数加权，克里金，优化 1引言 空间插值是根据一组已知的离散数据或分区数据，按照某种假设推求出其他未知点或未知区域的数据的过程，简单的说就是由已知空间特性推求未知空间特性。它是地学研究中的基本问题，也是GIS 数据处理的重要内容。在利用GIS 处理空间数据的过程中，需要进行空间插值的场合很多，如采样密度不够、采样分布不合理、采样存在空白区、等值线的自动绘制、数字高程模型的建立、区域边界分析、曲线光滑处理、空间趋势预测、采样结果的2.5维可视化等[1]。通过归纳，空间插值可以简化为以下三种情形：（1）现有离散曲面的分辨率、像元大小或方向与所要求的不符，需要重新插值。例如将一个扫描影像（航空像片、遥感影像）从一种分辨率或方向转换为另一种分辨率或方向的影像。（2）现有连续曲面的数据模型与所需的数据模型不符，需要重新插值。如将一个连续曲面从一种空间切分方式变为另一种空间切分方式，从TIN 到栅格、栅格到TIN 或矢量多边形到栅格。（3）现有数据不能完全覆盖所要求的区域范围，需要插值。如将离散的采样点数据内插为连续的数据表面[2]。。 现有的空间插值方法多种多样，但每一种方法都有其适用情形和无法避免的缺陷，本文分析了距离倒数加权法和克里金法的插值结果，并提出改进的思路。 2方法 距离倒数加权法和克里金法都是建立在地理学第一定律之上的，即：空间距离越近，地理事物的相似性越大[3]。它们都是通过确定待插点周围采样点的权重来求取待插点的估计值，可统一表示。设n x x ,,1 为区域上的一系列观测点，)(,),(1n x Z x Z 为相应的观测值。待插点0x 处的值)(0x Z 可采用一个线性组合来估计： ∑==n i i i x Z x Z 10)()(λ （1） 但距离倒数加权法只考虑采样点与待插点之间的距离，而克里金法不仅考虑距离，还要考虑
1. 克里金法(Kriging） 克里金法是通过一组具有z 值的分散点生成估计表面的高级地统计过程。与其他插值方法不同，选择用于生成输出表面的最佳估算方法之前应对由z 值表示的现象的空间行为进行全面研究。 克里金插值与IDW插值的区别在于权重的选择,IDW仅仅将距离的倒数作为权重，而克里金考虑到了空间相关性的问题.它首先将每两个点进行配对，这样就能产生一个自变量为两点之间距离的函数。对于这种方法，原始的输入点可能会发生变化。在数据点多时，结果更加可靠。该方法通常用在土壤科学和地质中。 2. 反距离权重法(Inverse Distance Weighted,IDW） 反距离权重法（反距离权重法）工具所使用的插值方法可通过对各个待处理像元邻域中的样本数据点取平均值来估计像元值.点到要估计的像元的中心越近，则其在平均过程中的影响或权重越大。此方法假定所映射的变量因受到与其采样位置间的距离的影响而减小。例如,为分析零售网点而对购电消费者的表面进行插值处理时，在较远位置购电影响较小，这是因为人们更倾向于在家附近购物。 反距离权重法主要依赖于反距离的幂值。幂参数可基于距输出点的距离来控制已知点对内插值的影响。幂参数是一个正实数，默认值为2。 通过定义更高的幂值,可进一步强调最近点。因此，邻近数据将受到最大影响，表面会变得更加详细（更不平滑）。随着幂数的增大，内插值将逐渐接近最近采样点的值。指定较小的幂值将对距离较远的周围点产生更大影响，从而导致更加平滑的表面。 由于反距离权重公式与任何实际物理过程都不关联,因此无法确定特定幂值是否过大。作为常规准则，认为值为30 的幂是超大幂，因此不建议使用。此外还需牢记一点，如果距离或幂值较大，则可能生成错误结果. 3. 含障碍的样条函数（Spline with Barriers) 含障碍的样条函数工具使用的方法类似于样条函数法工具中使用的技术，其主要差异是此工具兼顾在输入障碍和输入点数据中编码的不连续性. 含障碍的样条函数工具应用了最小曲率方法，其实现方式为通过单向多格网技术，以初始的粗糙格网（在本例中是已按输入数据的平均间距进行初始化的格网）为起点在一系列精细格网间移动,直至目标行和目标列的间距足以使表面曲率接近最小值为止。 4. 地形转栅格(Topo to Raster） 地形转栅格和依据文件实现地形转栅格工具所使用插值技术是旨在用于创建可更准确地表示自然水系表面的表面，而且通过这种技术创建的表面可更好的保留输入等值线数据中的山脊线和河流网络。 5. 样条函数（Spline） 样条函数法工具所使用的插值方法使用可最小化整体表面曲率的数学函数来估计值,以生成恰好经过输入点的平滑表面.
反距离权重法的工作原理 反距离权重(IDW) 插值使用一组采样点的线性权重组合来确定像元值。权重是一种反距离函数。进行插值处理的表面应当是具有局部因变量的表面。 此方法假定所映射的变量因受到与其采样位置间的距离的影响而减小。例如，为分析零售网点而对购电消费者的表面进行插值处理时，在较远位置购电影响较小，这是因为人们更倾向于在家附近购物。 使用幂参数控制影响 反距离权重法主要依赖于反距离的幂值。幂参数可基于距输出点的距离来控制已知点对内插值的影响。幂参数是一个正实数，默认值为2。 通过定义更高的幂值，可进一步强调最近点。因此，邻近数据将受到最大影响，表面会变得更加详细（更不平滑）。随着幂数的增大，内插值将逐渐接近最近采样点的值。指定较小的幂值将对距离较远的周围点产生更大影响，从而导致更加平滑的表面。
由于反距离权重公式与任何实际物理过程都不关联，因此无法确定特定幂值是否过大。作为常规准则，认为值为30 的幂是超大幂，因此不建议使用。此外还需牢记一点，如果距离或幂值较大，则可能生成错误结果。 可将所产生的最小平均绝对误差最低的幂值视为最佳幂值。ArcGIS Geostatistical Analyst 扩展模块提供了一种研究此问题的方法。 1. 3 限制用于插值的点 也可通过限制计算每个输出像元值时所使用的输入点，控制内插表面的特性。限制经考虑的输入点数可加快处理速度。此外，由于距正在进行预测的像元位置较远的输入点的空间相关性可能较差或不存在，因此有理由将其从计算中去除。 可直接指定要使用的点数，也可指定会将点包括到插值内的固定半径。 2. 4 可变搜索半径 可以使用可变搜索半径来指定在计算内插像元值时所使用的点数，这样一来，用于各内插像元的半径距离将有所不同，而具体情况将取决于必须在各内插像元周围搜索多长距离才能达到指定的输入点数。由此将导致一些邻域较小而另一些邻域较大，这是由位于内插像元附近的测量点的密度所决定的。另外，也可指定搜索半径不得超出的最大距离（以地图单位为单位）。如果在获取指定点数之前特定邻域的半径达到最大距离，则会针对最大距离内的测量点数执行该位置的预测。通常，如果此现象产生的偏差较大，则应使用较小邻域或最少点数。
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 (4) 3.4分段线性插值 (5)
3.5三次样条插值 (6) 4.五种插值法的对比研究 (6) 4.1拉格朗日插值与牛顿插值的比较 (6) 4.2多项式插值法与埃尔米特插值的比较 (7) 4.3多项式插值法与分段线性插值的比较 (7) 4.4 分段线性插值与样条插值的比较 (7) 5.插值法在实际生活中的应用 (7) 6.结束语 (7) 致谢 (8) 参考文献 (8)
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.
五种插值法的对比研究 1. 选题依据 1.1 选题背景 插值法是一种古老的数学方法，插值法历史悠久。据考证，在公元六世纪时， 我国刘焯(zhuo) 已经把等距二次插值法应用于天文计算。十七世纪时，Newton 和 Gregory(格雷格里) 建立了等距节点上的一般插值公式，十八世纪时，Lagrange(拉格朗日) 给出了更一般的非等距节点插值公式。 而它的基本理论是在微积分产生以后逐渐完善的，它的实际应用也日益增多，特别是在计算机工程中。许多库函数的计算实际上归结于对逼近函数的计算。 1.2 研究的目的和意义 插值法是数值分析中最基本的方法之一。 在实际问题中碰到的函数是各种各样的，有的甚至给不出表达式，只提供了一些离散数据，例如，在查对数表时， 要查的数据在表中找不到，就先找出它相邻的数，再从旁边找出它的修正值， 按一定关系把相邻的数加以修正，从而找出要找的数，这种修正关系实际上就是一种插值。 在实际应用中选用不同类型的插值函数，逼近的效果也不同。在数值计算方法中，我们学习过五种基本的插值方法，即Lagrange 插值、Newton 插值、分段线性插值、分段三次Hermite 插值、样条插值函数。所以通过从这五种插值法的基本思想、特征、性质和具体实例入手，探讨五种插值法的优缺点和适用范围，让学习者能够迅速而准确的解决实际问题，掌握插值法的应用。 2. 研究的方法 从具体实例入手并结合Matlab 在科学计算中的优势，通过实验对它们的精度和效率进行比较分析。 3. 论文结构 3.1 论文的总体结构 第一部分 导言 主要介绍选题的背景、目的及意义、研究现状、文献综述等。 第二部分 五种插值法的基本思想、性质及特点 在数值计算方法中，插值法是计算方法的基础，数值微分、数值积分和微分方程数值解都建立在此基础上。 插值问题的提法是：已知f(x)(可能未知或非常复杂函数)在彼此不同的n+1 个实点0x ,1x ,…n x 处的函数值是f(0x )，f(1x )，…,f(n x )，这时我们简单的说f(x)有n+1 个 离散数据对0n i i )}y ,{(x i .要估算f(x)在其它点x 处的函数值，最常见的一种办法就是插
几种常用高程插值方法的比较数学模型 【最新版3篇】 目录（篇1） 1.引言 2.常用高程插值方法介绍 2.1 反距离权重法 2.2 普通克里金插值法 2.3 普通最小二乘法 2.4 残差最小二乘法 2.5 线性回归法 2.6 多项式回归法 3.各方法的优缺点比较 4.结论 正文（篇1） 高程插值是在地理信息系统 (GIS) 和遥感技术中常用的数据处理方法，目的是根据已知的高程点数据，估算出其他地点的高程值。高程插值的方法有很多种，下面将对几种常用的高程插值方法进行介绍和比较。 2.1 反距离权重法 反距离权重法是一种基于距离的插值方法，其基本思想是根据距离衰减权重，对各个高程点进行加权平均。该方法的优点是简单易行，计算速度快，但是缺点是插值结果受距离衰减系数的选择影响较大，且不能很好地处理数据中的噪声。 2.2 普通克里金插值法
普通克里金插值法是一种基于网格的插值方法，其基本思想是利用周围的已知高程点，通过插值函数估算待求点的高程值。该方法的优点是插值精度高，能够很好地处理数据中的噪声，但是缺点是计算量较大，需要进行多次迭代计算。 2.3 普通最小二乘法 普通最小二乘法是一种基于最小二乘原理的插值方法，其基本思想是通过最小化误差的平方和来估算待求点的高程值。该方法的优点是简单易行，插值精度较高，但是缺点是需要选择合适的基函数，且计算量较大。 2.4 残差最小二乘法 残差最小二乘法是一种改进的普通最小二乘法，其基本思想是将待求点的残差作为基函数，通过最小化残差的平方和来估算待求点的高程值。该方法的优点是插值精度更高，能够更好地处理数据中的噪声，但是缺点是计算量较大，需要进行多次迭代计算。 2.5 线性回归法 线性回归法是一种基于线性回归模型的插值方法，其基本思想是通过线性回归模型估算待求点的高程值。该方法的优点是简单易行，计算速度快，但是缺点是插值精度较低，不能很好地处理非线性关系。 2.6 多项式回归法 多项式回归法是一种基于多项式回归模型的插值方法，其基本思想是通过多项式回归模型估算待求点的高程值。该方法的优点是插值精度较高，能够很好地处理非线性关系，但是缺点是计算量较大，且多项式阶数过高容易过拟合。 3.各方法的优缺点比较 不同的高程插值方法具有不同的优缺点，具体比较如下: 反距离权重法：优点是简单易行，计算速度快;缺点是插值结果受距 离衰减系数的选择影响较大，且不能很好地处理数据中的噪声。
插值方法优缺点的比较及选择 比较不同插值方法的优缺点需要考虑多个方面，包括方法的精度、稳定性、计算成本、可扩展性等。以下是一些常见的比较方法： 1.精度比较：比较不同插值方法的预测精度，可以使用均方根误差、平均绝 对误差、相关系数等指标进行评估。精度较高的方法更优。 2.稳定性比较：比较不同插值方法在不同数据集和不同参数下的表现，可以 使用交叉验证、反复试验等方法进行评估。稳定性较好的方法更优。 3.计算成本比较：比较不同插值方法的计算复杂度和计算时间，可以使用时 间复杂度和空间复杂度等指标进行评估。计算成本较低的方法更优。 4.可扩展性比较：比较不同插值方法在大规模数据和复杂模型下的表现，可 以使用可扩展性和并行化等指标进行评估。可扩展性较好的方法更优。 在实际应用中，可以根据具体的需求和数据情况选择合适的比较方法。如果对精度要求较高，可以选择精度较高的方法；如果对计算资源有限制，可以选择计算成本较低的方法；如果需要处理大规模数据或复杂模型，可以选择可扩展性较好的方法。同时，也可以通过实验比较不同方法的优缺点，选择最适合的方法来处理数据。 以下为您推荐几种插值方法： 1.多项式插值：以一个多项式的形式来刻画经过一系列点的曲线。该基函数 的一个优点是当增加一个新的插值节点时，只需在原有基函数的基础上增加一个新的函数即可。但随着节点数逐渐增加，插值曲线可能会出现不稳定的现象。 2.分段插值：为了解决高次插值多项式的缺陷，常用的方法是分段插值。这 种方法把插值区间分为若干个子区间，并在每个子区间上构造低次插值多项式。常见的分段插值法有分段线性插值和三次Hermite插值等。 3.三次样条插值：此法利用分段插值绘制通过节点的曲线，有效地避免了龙 格现象。
几种插值法的对比研究1 插值法是一种在数据缺失、信号平滑和曲线拟合等方面广泛应用的技术。在实际应用中，人们常常需要对不连续或缺失的数据进行插值处理，以获得连续的数据序列。常见的 插值方法包括多项式插值、样条插值和径向基函数插值等。本文将对这些方法的原理和优 缺点进行介绍和分析。 1.多项式插值 多项式插值是最早被使用的一种插值方法。可以通过已有数据点之间的连续函数来计 算其它位置的值。多项式插值的主要优点是计算简单，直观易懂。但是，当插值多项式的 次数过高时，会出现插值误差增大和震荡等问题。 2.样条插值 样条插值是一种较为高级的插值方法，其不同于多项式插值将整个区间看作一个整体 来进行插值，而是将区间划分为多个小区间，对每个小区间进行插值。每个小区间内的插 值函数为一次或二次多项式，这些小区间的多项式函数共同构成了一个光滑的曲线。样条 插值方法的缺点是计算复杂性高，同时需要确定分段函数的节点和边界条件，且容易产生 超调（overshoot）现象等问题。 3.径向基函数插值 径向基函数插值（Radial Basis Function Interpolation）是一种较为新的插值方法，利用径向基函数对数据进行拟合。径向基函数具有高精度、自适应性和较强的通用性，可 以在低次次数的情况下进行快速拟合，且可以适用于大多数类型的数据。径向基函数插值 的缺点是对噪声和异常值较为敏感，同时需要确定径向基函数的数量和类型。 综上所述，多项式插值、样条插值和径向基函数插值各有优缺点，应根据实际应用的 需求和数据特点选择合适的插值方法。在选用插值方法时，应考虑插值精度、计算复杂度、对噪声的稳健性等问题，以获得最可靠的插值结果。
拉格朗日插值法与牛顿插值法的比较 一、 背景 在工程和科学研究中出现的函数是多种多样的。常常会遇到这样的情况：在某个实际问题中，虽然可以断定所考虑的函数)(x f 在区间],[b a 上存在且连续，但却难以找到它的解析表达式，只能通过实验和观测得到在有限个点上的函数值（即一张函数表）。显然，要利用这张函数表来分析函数)(x f 的性态，甚至直接求出其他一些点上的函数值可能是非常困难的。面对这些情况，总希望根据所得函数表（或结构复杂的解析表达式），构造某个简单函数)(x P 作为)(x f 的近似。这样就有了插值法，插值法是解决此类问题目前常用的方法。 如设函数)(x f y =在区间],[b a 上连续，且在1+n 个不同的点b x x x a n ≤≤,,,10 上分别取值 n y y y ,,,10 。 插值的目的就是要在一个性质优良、便于计算的函数类Φ中，求一简单函数)(x P ，使 ),,1,0()(n i y x P i i == 而在其他点i x x ≠上，作为)(x f 的近似。 通常，称区间],[b a 为插值区间，称点n x x x ,,,10 为插值节点，称式i i y x P =)(为插值条件，称函数类Φ为插值函数类，称)(x P 为函数)(x f 在节点n x x x ,,,10 处的插值函数。求插值函数 )(x P 的方法称为插值法。 插值函数类Φ的取法不同，所求得的插值函数)(x P 逼近)(x f 的效果就不同。它的选择取决于使用上的需要，常用的有代数多项式、三角多项式和有理函数等。当选用代数多项式作为插值函数时，相应的插值问题就称为多项式插值。本文讨论的拉格朗日插值法与牛顿插值法就是这类插值问题。 在多项式插值中，最常见、最基本的问题是：求一次数不超过n 的代数多项式 n n x a x a a x P +++= 10)( 使),,1,0()(n i y x P i i n ==，其中，n a a a ,,,10 为实数。 拉格朗日插值法即是寻求函数)(x L n （拉格朗日插值多项式）近似的代替函数)(x f 。相似的，牛顿插值法则是通过)(x N n （牛顿插值多项式）近似的求得函数的值。 二、 理论基础 （一）拉格朗日插值法 在求满足插值条件n 次插值多项式)(x P n 之前，先考虑一个简单的插值问题：对节点
几种插值法的应用与比较 作者：*** 指导老师：*** 摘要本文主要介绍了几种常用插值法的应用和比较，针对每个插值法，经过详细的论证和讨论，给出了每个插值法的优点和缺点.通过对数学插值法的研究、比较及应用的讨论及总结，从而得出所讨论插值方法的各自优势，以方便用户选择合适的插值法. 关键词拉格朗日插值重心拉格朗日插值分段线性插值 1 引言 在许多实际问题及科学研究中，因素之间往往存在着函数关系，但是这些关系的显示表达式不一定都知道，通常只是由观察或测试得到一些离散数值，所以只能从这些数据构造函数的近似表达式，有时虽然给出了解析表达式，但由于解析表达式过于复杂，计算起来十分麻烦.这就需要建立函数的某种近似表达，而插值法就是构造函数的近似表达式的方法. 由于代数多项式是最简单而又便于计算的函数，所以经常采用多项式作为插值函数，称为多项式插值.多项式插值法有拉格朗日插值法，牛顿插值法、埃尔米特插值法，分段插值法和样条插值法等.其基本思想都是用高次代数多项式或分段的低次多项式作为被插值函数的近似解析表达式. 2拉格朗日插值法 在数值分析中，拉格朗日插值法是以法国十八世纪数学家约瑟夫·路易斯·拉格朗日命名的一种多项式插值方法.许多实际问题中都用函数来表示某种内在联系或规律，而不少函数都只能通过实验和观测来了解.如对实践中的某个物理量进行观测，在若干个不同的地方得到相应的观测值，拉格朗日插值法可以找到一个多项式，其恰好在各个观测的点取到观测到的值.这样的多项式称为拉格朗日（插值）多项式.数学上来说，拉格朗日插值法可以给出一个恰好穿过二维平面上若干个已知点的多项式函数.拉格朗日插值法最早被英国数学家爱德华·华林于1779年发现，不久后由莱昂哈德·欧拉再次发现.1795年，拉格朗日在其著作《师范学校数学基础教程》中发表了这个插值方法，从此他的名字就和这个方法联系在一起. 2.1 拉格朗日插值多项式
五种插值法的比照研究 1.选题依据 1.1 选题背景 插值法是一种古老的数学方法，插值法历史悠久。据考证，在公元六世纪时，我国焯(zhuo) 已经把等距二次插值法应用于天文计算。十七世纪时，Newton和Gregory(格雷格里) 建立了等距节点上的一般插值公式，十八世纪时，Lagrange(拉格朗日) 给出了更一般的非等距节点插值公式。而它的根本理论是在微积分产生以后逐渐完善的，它的实际应用也日益增多，特别是在计算机工程中。许多库函数的计算实际上归结于对逼近函数的计算。 1.2 研究的目的和意义 插值法是数值分析中最根本的方法之一。在实际问题中碰到的函数是各种各样的，有的甚至给不出表达式，只提供了一些离散数据，例如，在查对数表时，要查的数据在表中找不到，就先找出它相邻的数，再从旁边找出它的修正值，按一定关系把相邻的数加以修正，从而找出要找的数，这种修正关系实际上就是一种插值。在实际应用中选用不同类型的插值函数，逼近的效果也不同。在数值计算方法中，我们学习过五种根本的插值方法，即Lagrange插值、Newton插值、分段线性插值、分段三次Hermite插值、样条插值函数。所以通过从这五种插值法的根本思想、特征、性质和具体实例入手，探讨五种插值法的优缺点和适用围，让学习者能够迅速而准确的解决实际问题，掌握插值法的应用。 2. 研究的方法 从具体实例入手并结合Matlab在科学计算中的优势，通过实验对它们的精度和效率进展比拟分析。 3. 论文构造 3.1 论文的总体构造 第一局部导言 主要介绍选题的背景、目的及意义、研究现状、文献综述等。 第二局部五种插值法的根本思想、性质及特点 在数值计算方法中，插值法是计算方法的根底，数值微分、数值积分和微分方程数值解都建立在此根底上。
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．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1 1.2 研究的目的和意义．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2 2 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．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5 2.5 样条插值．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5 3 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．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 6 3.2 五种插值法的实际应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15 4 结语．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 致．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22