[数学] 三次样条

news2025/2/24 14:24:45

三次样条

已知有一组点 x 0 , x 1 , x 2 , ⋯   , x n x_0, x_1, x_2, \cdots, x_n x0,x1,x2,,xn, 其中, x t < x t + 1 x_t<x_{t+1} xt<xt+1, y ( x t ) = y t y(x_t)=y_t y(xt)=yt, 及该点处的切线 y ′ ( x t ) = y t ′ y'(x_t)=y'_t y(xt)=yt

每两个相邻的点之间可以作一个三次曲线
在所有相邻点之间的三次曲线连起来就构成了一个三次样条(Cubic spline)
三次样条是二阶可导的

三次曲线由两个相邻的点 ( x 0 , y 0 ) (x_0,y_0) (x0,y0), ( x 1 , y 1 ) (x_1,y_1) (x1,y1)及其切线 y 0 ′ y'_0 y0, y 1 ′ y'_1 y1确定
其函数为 y = a x 3 + b x 2 + c x + d y=ax^3+bx^2+cx+d y=ax3+bx2+cx+d, 导函数为 y ′ = 3 a x 2 + 2 b x + c y'=3ax^2+2bx+c y=3ax2+2bx+c, 其中 x ∈ [ x 0 , x 1 ] x\in[x_0, x_1] x[x0,x1]

可列得方程组
{ 3 a x 0 2 + 2 b x 0 + c = y 0 ′ 3 a x 1 2 + 2 b x 1 + c = y 1 ′ a x 0 3 + b x 0 2 + c x 0 + d = y 0 a x 1 3 + b x 1 2 + c x 1 + d = y 1 \left\{\begin{matrix} 3ax_0^2 & + 2bx_0 & + c &&= y_0' \\ 3ax_1^2 & + 2bx_1 & + c &&= y_1' \\ ax_0^3 & + bx_0^2 & + cx_0 & + d &= y_0 \\ ax_1^3 & + bx_1^2 & + cx_1 & + d &= y_1 \\ \end{matrix}\right. 3ax023ax12ax03ax13+2bx0+2bx1+bx02+bx12+c+c+cx0+cx1+d+d=y0=y1=y0=y1

将系数 a , b , c , d a,b, c, d a,b,c,d分离出来写成矩阵, 得到
( 3 x 0 2 2 x 0 1 0 3 x 1 2 2 x 1 1 0 x 0 3 x 0 2 x 0 1 x 1 3 x 1 2 x 1 1 ) ( a b c d ) = ( y 0 ′ y 1 ′ y 0 y 1 ) \begin{pmatrix} 3x_0^2 & 2x_0 & 1 & 0\\ 3x_1^2 & 2x_1 & 1 & 0\\ x_0^3 & x_0^2 & x_0 & 1 \\ x_1^3 & x_1^2 & x_1 & 1 \\ \end{pmatrix} \begin{pmatrix} a \\ b \\ c \\ d \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} y_0' \\ y_1' \\ y_0 \\ y_1 \end{pmatrix} 3x023x12x03x132x02x1x02x1211x0x10011 abcd = y0y1y0y1


A = ∣ 3 x 0 2 2 x 0 1 0 3 x 1 2 2 x 1 1 0 x 0 3 x 0 2 x 0 1 x 1 3 x 1 2 x 1 1 ∣ A = \begin{vmatrix} 3x_0^2 & 2x_0 & 1 & 0\\ 3x_1^2 & 2x_1 & 1 & 0\\ x_0^3 & x_0^2 & x_0 & 1 \\ x_1^3 & x_1^2 & x_1 & 1 \\ \end{vmatrix} A= 3x023x12x03x132x02x1x02x1211x0x10011

解得
a = ∣ y 0 ′ 2 x 0 1 0 y 1 ′ 2 x 1 1 0 y 0 x 0 2 x 0 1 y 1 x 1 2 x 1 1 ∣ A b = ∣ 3 x 0 2 y 0 ′ 1 0 3 x 1 2 y 1 ′ 1 0 x 0 3 y 0 x 0 1 x 1 3 y 1 x 1 1 ∣ A c = ∣ 3 x 0 2 2 x 0 y 0 ′ 0 3 x 1 2 2 x 1 y 1 ′ 0 x 0 3 x 0 2 y 0 1 x 1 3 x 1 2 y 1 1 ∣ A d = ∣ 3 x 0 2 2 x 0 1 y 0 ′ 3 x 1 2 2 x 1 1 y 1 ′ x 0 3 x 0 2 x 0 y 0 x 1 3 x 1 2 x 1 y 1 ∣ A a = \frac{ \begin{vmatrix} y_0' & 2x_0 & 1 & 0\\ y_1' & 2x_1 & 1 & 0\\ y_0 & x_0^2 & x_0 & 1 \\ y_1 & x_1^2 & x_1 & 1 \\ \end{vmatrix} }{A} \\ b = \frac{ \begin{vmatrix} 3x_0^2 & y_0' & 1 & 0\\ 3x_1^2 & y_1' & 1 & 0\\ x_0^3 & y_0 & x_0 & 1 \\ x_1^3 & y_1 & x_1 & 1 \\ \end{vmatrix} }{A} \\ c = \frac{ \begin{vmatrix} 3x_0^2 & 2x_0 & y_0' & 0\\ 3x_1^2 & 2x_1 & y_1' & 0\\ x_0^3 & x_0^2 & y_0 & 1 \\ x_1^3 & x_1^2 & y_1 & 1 \\ \end{vmatrix} }{A} \\ d = \frac{ \begin{vmatrix} 3x_0^2 & 2x_0 & 1 & y_0'\\ 3x_1^2 & 2x_1 & 1 & y_1'\\ x_0^3 & x_0^2 & x_0 & y_0 \\ x_1^3 & x_1^2 & x_1 & y_1 \\ \end{vmatrix} }{A} a=A y0y1y0y12x02x1x02x1211x0x10011 b=A 3x023x12x03x13y0y1y0y111x0x10011 c=A 3x023x12x03x132x02x1x02x12y0y1y0y10011 d=A 3x023x12x03x132x02x1x02x1211x0x1y0y1y0y1

最后三次样条曲线可用下式表达
y = { a 0 x 3 + b 0 x 2 + c 0 x + d 0 x ∈ [ x 0 , x 1 ] a 1 x 3 + b 1 x 2 + c 1 x + d 1 x ∈ [ x 1 , x 2 ] ⋯ a t x 3 + b t x 2 + c t x + d t x ∈ [ x t , x t + 1 ] ⋯ a n − 1 x 3 + b n − 1 x 2 + c n − 1 x + d n − 1 x ∈ [ x n − 1 , x n ] y=\left\{\begin{matrix} a_0x^3+b_0x^2+c_0x+d_0 & x\in[x_0,x_1] \\ a_1x^3+b_1x^2+c_1x+d_1 & x\in[x_1,x_2] \\ \cdots \\ a_tx^3+b_tx^2+c_tx+d_t & x\in[x_t,x_{t+1}] \\ \cdots \\ a_{n-1}x^3+b_{n-1}x^2+c_{n-1}x+d_{n-1} & x\in[x_{n-1},x_n] \end{matrix}\right. y= a0x3+b0x2+c0x+d0a1x3+b1x2+c1x+d1atx3+btx2+ctx+dtan1x3+bn1x2+cn1x+dn1x[x0,x1]x[x1,x2]x[xt,xt+1]x[xn1,xn]

UE中的三次样条

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