（数值分析）各种插值法的python实现

雨点打透心脏的1/2处 2022-05-17 01:39 218阅读 0赞

# 一维插值 #

插值不同于拟合。插值函数经过样本点，拟合函数一般基于最小二乘法尽量靠近所有样本点穿过。常见插值方法有**拉格朗日插值法、分段插值法、样条插值法**。

1.  拉格朗日插值多项式：当节点数n较大时，拉格朗日插值多项式的次数较高，可能出现不一致的收敛情况，而且计算复杂。随着样点增加，高次插值会带来误差的震动现象称为龙格现象。
2.  分段插值：虽然收敛，但光滑性较差。
3.  样条插值:样条插值是使用一种名为样条的特殊分段多项式进行插值的形式。由于样条插值可以使用低阶多项式样条实现较小的插值误差，这样就避免了使用高阶多项式所出现的龙格现象，所以样条插值得到了流行。

# -*-coding:utf-8 -*-
    import numpy as np
    from scipy import interpolate
    import pylab as pl
    
    x=np.linspace(0,10,11)
    #x=[  0.   1.   2.   3.   4.   5.   6.   7.   8.   9.  10.]
    y=np.sin(x)
    xnew=np.linspace(0,10,101)
    pl.plot(x,y,"ro")
    
    for kind in ["nearest","zero","slinear","quadratic","cubic"]:#插值方式
        #"nearest","zero"为阶梯插值
        #slinear 线性插值
        #"quadratic","cubic" 为2阶、3阶B样条曲线插值
        f=interpolate.interp1d(x,y,kind=kind)
        # ‘slinear’, ‘quadratic’ and ‘cubic’ refer to a spline interpolation of first, second or third order)
        ynew=f(xnew)
        pl.plot(xnew,ynew,label=str(kind))
    pl.legend(loc="lower right")
    pl.show()

结果：  
![这里写图片描述][Center]

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# 二维插值 #

方法与一维数据插值类似，为二维样条插值。

# -*- coding: utf-8 -*-
    """
    演示二维插值。
    """
    import numpy as np
    from scipy import interpolate
    import pylab as pl
    import matplotlib as mpl
    
    def func(x, y):
        return (x+y)*np.exp(-5.0*(x**2 + y**2))
    
    # X-Y轴分为15*15的网格
    y,x= np.mgrid[-1:1:15j, -1:1:15j]
    
    fvals = func(x,y) # 计算每个网格点上的函数值  15*15的值
    print len(fvals[0])
    
    #三次样条二维插值
    newfunc = interpolate.interp2d(x, y, fvals, kind='cubic')
    
    # 计算100*100的网格上的插值
    xnew = np.linspace(-1,1,100)#x
    ynew = np.linspace(-1,1,100)#y
    fnew = newfunc(xnew, ynew)#仅仅是y值   100*100的值
    
    # 绘图
    # 为了更明显地比较插值前后的区别，使用关键字参数interpolation='nearest'
    # 关闭imshow()内置的插值运算。
    pl.subplot(121)
    im1=pl.imshow(fvals, extent=[-1,1,-1,1], cmap=mpl.cm.hot, interpolation='nearest', origin="lower")#pl.cm.jet
    #extent=[-1,1,-1,1]为x,y范围  favals为
    pl.colorbar(im1)
    
    pl.subplot(122)
    im2=pl.imshow(fnew, extent=[-1,1,-1,1], cmap=mpl.cm.hot, interpolation='nearest', origin="lower")
    pl.colorbar(im2)
    pl.show()

![这里写图片描述][Center 1]  
左图为原始数据，右图为二维插值结果图。

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# 二维插值的三维展示方法 #

# -*- coding: utf-8 -*-
    """
    演示二维插值。
    """
    # -*- coding: utf-8 -*-
    import numpy as np
    from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
    import matplotlib as mpl
    from scipy import interpolate
    import matplotlib.cm as cm
    import matplotlib.pyplot as plt
    
    def func(x, y):
        return (x+y)*np.exp(-5.0*(x**2 + y**2))
    
    # X-Y轴分为20*20的网格
    x = np.linspace(-1, 1, 20)
    y = np.linspace(-1,1,20)
    x, y = np.meshgrid(x, y)#20*20的网格数据
    
    fvals = func(x,y) # 计算每个网格点上的函数值  15*15的值
    
    fig = plt.figure(figsize=(9, 6))
    #Draw sub-graph1
    ax=plt.subplot(1, 2, 1,projection = '3d')
    surf = ax.plot_surface(x, y, fvals, rstride=2, cstride=2, cmap=cm.coolwarm,linewidth=0.5, antialiased=True)
    ax.set_xlabel('x')
    ax.set_ylabel('y')
    ax.set_zlabel('f(x, y)')
    plt.colorbar(surf, shrink=0.5, aspect=5)#标注
    
    #二维插值
    newfunc = interpolate.interp2d(x, y, fvals, kind='cubic')#newfunc为一个函数
    
    # 计算100*100的网格上的插值
    xnew = np.linspace(-1,1,100)#x
    ynew = np.linspace(-1,1,100)#y
    fnew = newfunc(xnew, ynew)#仅仅是y值   100*100的值  np.shape(fnew) is 100*100
    xnew, ynew = np.meshgrid(xnew, ynew)
    ax2=plt.subplot(1, 2, 2,projection = '3d')
    surf2 = ax2.plot_surface(xnew, ynew, fnew, rstride=2, cstride=2, cmap=cm.coolwarm,linewidth=0.5, antialiased=True)
    ax2.set_xlabel('xnew')
    ax2.set_ylabel('ynew')
    ax2.set_zlabel('fnew(x, y)')
    plt.colorbar(surf2, shrink=0.5, aspect=5)#标注
    
    plt.show()

![这里写图片描述][SouthEast]

左图的二维数据集的函数值由于样本较少，会显得粗糙。而右图对二维样本数据进行三次样条插值，拟合得到更多数据点的样本值，绘图后图像明显光滑多了。

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[Center]: /images/20220517/26ecae2733814d64b3d70935b52d1e95.png
[Center 1]: /images/20220517/0a9a82679e6143c38a5e30591a9d4c12.png
[SouthEast]: /images/20220517/d79638906b1647c3aa92bbb973a43f45.png