Кубический сплайн
Пусть некоторая функция f(x) задана на отрезке , разбитом на части , . Кубическим сплайном называется функция S(x), которая:
- на каждом отрезке является полиномом третьей степени;
- имеет непрерывную вторую производную на всём отрезке ;
- в точках выполняется равенство ;
- .
По построению сплайн S(x) интерполирует функцию f в точках .
Теорема: Существует ровно одна функция S(x), удовлетворяющая этим условиям.
Построение
Обозначим:
На каждом отрезке функция есть полином третьей степени , коэффициенты которого надо определить. Запишем для удобства в виде:
тогда
Условия непрерывности всех производных до второго порядка включительно
записываются в виде
а условия инетрполяции в виде
Отсюда получаем формулы для вычисления коэффициентов сплайна:
Если учесть, что , то вычисление с можно провести с помощью метода прогонки для трехдиагональной матрицы.
Реализация на языке C++
// Интерполирование функций естественными кубическими сплайнами
// Разработчик: Назар Андриенко Email: nuzikprogrammer@gmail.com
#include <cstdlib>
#include <cmath>
#include <limits>
class cubic_spline
{
private:
// Структура, описывающая сплайн на каждом сегменте сетки
struct spline_tuple
{
double a, b, c, d, x;
};
spline_tuple *splines; // Сплайн
std::size_t n; // Количество узлов сетки
void free_mem(); // Освобождение памяти
public:
cubic_spline();
~cubic_spline();
// Построение сплайна
// x - узлы сетки, должны быть упорядочены по возрастанию, кратные узлы запрещены
// y - значения функции в узлах сетки
// n - количество узлов сетки
void build_spline(const double *x, const double *y, std::size_t n);
// Вычисление значения интерполированной функции в произвольной точке
double f(double x) const;
};
cubic_spline::cubic_spline() : splines(NULL)
{
}
cubic_spline::~cubic_spline()
{
free_mem();
}
void cubic_spline::build_spline(const double *x, const double *y, std::size_t n)
{
free_mem();
this->n = n;
// Инициализация массива сплайнов
splines = new spline_tuple[n];
for (std::size_t i = 0; i < n; ++i)
{
splines[i].x = x[i];
splines[i].a = y[i];
}
splines[0].c = splines[n - 1].c = 0.;
// Решение СЛАУ относительно коэфициентов сплайнов c[i] методом прогонки для трехдиагональных матриц
// Вычисление прогоночных коэфициентов - прямой ход метода прогонки
double *alpha = new double[n - 1];
double *beta = new double[n - 1];
alpha[0] = beta[0] = 0.;
for (std::size_t i = 1; i < n - 1; ++i)
{
double h_i = x[i] - x[i - 1], h_i1 = x[i + 1] - x[i];
double A = h_i;
double C = 2. * (h_i + h_i1);
double B = h_i1;
double F = 6. * ((y[i + 1] - y[i]) / h_i1 - (y[i] - y[i - 1]) / h_i);
double z = (A * alpha[i - 1] + C);
alpha[i] = -B / z;
beta[i] = (F - A * beta[i - 1]) / z;
}
// Нахождение решения - обратный ход метода прогонки
for (std::size_t i = n - 2; i > 0; --i)
splines[i].c = alpha[i] * splines[i + 1].c + beta[i];
// Освобождение памяти, занимаемой прогоночными коэфициентами
delete[] beta;
delete[] alpha;
// По известным коэфициентам c[i] находим значения b[i] и d[i]
for (std::size_t i = n - 1; i > 0; --i)
{
double h_i = x[i] - x[i - 1];
splines[i].d = (splines[i].c - splines[i - 1].c) / h_i;
splines[i].b = h_i * (2. * splines[i].c + splines[i - 1].c) / 6. + (y[i] - y[i - 1]) / h_i;
}
}
double cubic_spline::f(double x) const
{
if (!splines)
return std::numeric_limits<double>::quiet_NaN(); // Если сплайны ещё не построены - возвращаем NaN
spline_tuple *s;
if (x <= splines[0].x) // Если x меньше точки сетки x[0] - пользуемся первым эл-тов массива
s = splines + 1;
else if (x >= splines[n - 1].x) // Если x больше точки сетки x[n - 1] - пользуемся последним эл-том массива
s = splines + n - 1;
else // Иначе x лежит между граничными точками сетки - производим бинарный поиск нужного эл-та массива
{
std::size_t i = 0, j = n - 1;
while (i + 1 < j)
{
std::size_t k = i + (j - i) / 2;
if (x <= splines[k].x)
j = k;
else
i = k;
}
s = splines + j;
}
double dx = (x - s->x);
return s->a + (s->b + (s->c / 2. + s->d * dx / 6.) * dx) * dx; // Вычисляем значение сплайна в заданной точке по схеме Горнера (в принципе, "умный" компилятор применил бы схему Горнера сам, но ведь не все так умны, как кажутся)
}
void cubic_spline::free_mem()
{
if (splines)
{
delete[] splines;
splines = NULL;
}
}
Литература
- Роджерс Д.,Адамс Дж. Математические основы машинной графики. — М.: Мир, 2001. — ISBN 5-03-002143-4.
- Костомаров Д.П., Фаворский А.П. Вводные лекции по численным методам.