Aproximace funkcí. Numerické metody 6. května FJFI ČVUT v Praze

Podobné dokumenty
Integrace. Numerické metody 7. května FJFI ČVUT v Praze


Aproximace funkcí. x je systém m 1 jednoduchých, LN a dostatečně hladkých funkcí. x c m. g 1. g m. a 1. x a 2. x 2 a k. x k b 1. x b 2.

Numerické metody 6. května FJFI ČVUT v Praze

Kombinatorická minimalizace

Čebyševovy aproximace

Aproximace funkcí. Polynom Φ m (x) = c 0 + c 1 x + c 2 x c m x m. Φ m (x) = c 0 g 0 (x) + c 1 g 1 (x) + c 2 g 2 (x) +...

Nelineární rovnice. Numerické metody 6. května FJFI ČVUT v Praze

úloh pro ODR jednokrokové metody

Aproximace a interpolace

Numerické řešení diferenciálních rovnic

Interpolace, ortogonální polynomy, Gaussova kvadratura

Aplikovaná numerická matematika

Pseudospektrální metody

Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering Czech Technical University in Prague

Polynomy a interpolace text neobsahuje přesné matematické definice, pouze jejich vysvětlení

Jana Dannhoferová Ústav informatiky, PEF MZLU

5. Interpolace a aproximace funkcí

INTERPOLAČNÍ POLYNOM. F (x)... hledaná funkce (polynom nebo funkce vytvořená z polynomů), pro kterou platí

Interpolace, aproximace

Definice globální minimum (absolutní minimum) v bodě A D f, jestliže X D f

4 Numerické derivování a integrace

INTERPOLAČNÍ POLYNOM.... hledaná funkce (polynom nebo funkce vytvořená z polynomů), pro kterou platí

Typy příkladů na písemnou část zkoušky 2NU a vzorová řešení (doc. Martišek 2017)

- funkce, které integrujete aproximujte jejich Taylorovými řadami a ty následně zintegrujte. V obou případech vyzkoušejte Taylorovy řady

UNIVERZITA PARDUBICE. 4.4 Aproximace křivek a vyhlazování křivek

FP - SEMINÁŘ Z NUMERICKÉ MATEMATIKY. Katedra matematiky a didaktiky matematiky Technická univerzita v Liberci

Numerická matematika 1

Nelineární obvody. V nelineárních obvodech však platí Kirchhoffovy zákony.

Transformace obrazu. Pavel Strachota. 16. listopadu FJFI ČVUT v Praze

Aproximace a interpolace

SEMESTRÁLNÍ PRÁCE X. Aproximace křivek Numerické vyhlazování

Numerické řešení nelineárních rovnic

Aplikovaná matematika I

Interpolace pomocí splajnu

Metoda konečných prvků Charakteristika metody (výuková prezentace pro 1. ročník navazujícího studijního oboru Geotechnika)

Diferenciální počet 1 1. f(x) = ln arcsin 1 + x 1 x. 1 x 1 a x 1 0. f(x) = (cos x) cosh x + 3x. x 0 je derivace funkce f(x) v bodě x0.

Numerická matematika. Zadání 25. Řešení diferenciální rovnice Rungovou Kuttovou metodou

Hledání extrémů funkcí

Průvodce studiem. do bodu B se snažíme najít nejkratší cestu. Ve firmách je snaha minimalizovat

Pozn. 1. Při návrhu aproximace bychom měli aproximační funkci vybírat tak, aby vektory ϕ (i) byly lineárně

Numerické metody: aproximace funkcí

2. Numerické výpočty. 1. Numerická derivace funkce

1 Polynomiální interpolace

Numerická matematika Písemky

Požadavky k písemné přijímací zkoušce z matematiky do navazujícího magisterského studia pro neučitelské obory

Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering Czech Technical University in Prague

Dnešní látka: Literatura: Kapitoly 3 a 4 ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

NUMERICKÉ METODY. Problematika num. řešení úloh, chyby, podmíněnost, stabilita algoritmů. Aproximace funkcí.

Budeme hledat řešení y(x) okrajové úlohy pro diferenciální rovnici druhého řádu v samoadjungovaném tvaru na intervalu a, b : 2 ) y i p i+ 1

Popis metod CLIDATA-GIS. Martin Stříž

Bézierovy křivky Bohumír Bastl KMA/GPM Geometrické a počítačové modelování Bézierovy křivky GPM 1 / 26

1 Modelování systémů 2. řádu

APROXIMACE FUNKCÍ. Jedním ze základních úkolů numerických metod matematické analýzy je studium aproximací

Integrace funkcí více proměnných, numerické metody

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Kapitola 10: Diferenciální rovnice 1/14

Diferenciální rovnice

Numerické metody: aproximace funkcí

Co jsme udělali: Au = f, u D(A)

5. Aproximace funkcí. Tento učební text byl podpořen z Operačního programu Praha- Adaptabilita. Hana Hladíková

Řešení nelineárních rovnic

Digitální učební materiál

Numerické metody a programování. Lekce 7

VYUŽITÍ MATLABU PRO VÝUKU NUMERICKÉ MATEMATIKY Josef Daněk Centrum aplikované matematiky, Západočeská univerzita v Plzni. Abstrakt

Úloha 1. Napište matici pro případ lineárního regresního spline vyjádřeného přes useknuté

Matematika pro informatiky

Funkce v ıce promˇ enn ych Extr emy Pˇredn aˇska p at a 12.bˇrezna 2018

Křivky a plochy technické praxe

Apriorní rozdělení. Jan Kracík.

Interpolace Lagrangeovy polynomy. 29. října 2012

3. přednáška 15. října 2007

1.1 Existence a jednoznačnost řešení. Příklad 1.1: [M2-P1] diferenciální rovnice (DR) řádu n: speciálně nás budou zajímat rovnice typu

Metoda nejmenších čtverců Michal Čihák 26. listopadu 2012

Studijní text pro obor G+K Katedra matematiky Fakulta stavební ROVNICE. Doc. RNDr. Milada Kočandrlová, CSc.

Numerické integrace některých nediferencovatelných funkcí

Numerické metody a programování. Lekce 8

Interpolace a aproximace dat.

Otázku, kterými body prochází větev implicitní funkce řeší následující věta.

Odhad parametrů N(µ, σ 2 )

7. Aplikace derivace

MATEMATIKA V MEDICÍNĚ

DRN: Kořeny funkce numericky

Obsah. Aplikovaná matematika I. Gottfried Wilhelm Leibniz. Základní vlastnosti a vzorce

Státní závěrečná zkouška z oboru Matematika a její použití v přírodních vědách

Řešení diferenciálních rovnic

Derivace a monotónnost funkce

Diferenciál a Taylorův polynom

8 Kořeny cyklických kódů, BCH-kódy

fakulty MENDELU v Brně (LDF) s ohledem na disciplíny společného základu (reg. č. CZ.1.07/2.2.00/28.

5.3. Implicitní funkce a její derivace

Normální (Gaussovo) rozdělení

Matematika I (KX001) Užití derivace v geometrii, ve fyzice 3. října f (x 0 ) (x x 0) Je-li f (x 0 ) = 0, tečna: x = 3, normála: y = 0

Numerická integrace a derivace

Řešení 1b Máme najít body, v nichž má funkce (, ) vázané extrémy, případně vázané lokální extrémy s podmínkou (, )=0, je-li: (, )= +,

DEFINICE,VĚTYADŮKAZYKÚSTNÍZKOUŠCEZMAT.ANALÝZY Ib

(Poznámka: V MA 43 je věta formulována trochu odlišně.)

Zimní semestr akademického roku 2015/ ledna 2016

Obyčejnými diferenciálními rovnicemi (ODR) budeme nazývat rovnice, ve kterých

Transkript:

Aproximace funkcí Numerické metody 6. května 2018 FJFI ČVUT v Praze 1

Úvod Dělení Interpolace 1D Více dimenzí Minimalizace Důvody 1

Dělení

Dělení - Získané data zadané data 2

Dělení - Získané data Obecně máme dva způsoby, jak jsme získali data 1. známe analytický předpis funkce, určíme si diskrétní hodnoty na ose x a v těchto bodech si vypočítáme chování funkce (tedy funkční hodnoty a popřípadně i derivace), 2. máme pouze naměřené hodnoty, nemůžeme si tedy zpětně volit diskrétní hodnoty ani dopočítávat další chování funkce. 3

Dělení - Interpolace interpolace 4

Dělení - Interpolace Interpolace je taková funkce (křivka), která prochází všemi zadanými body (funkčními hodnotami) a popřípadně v nich má i stejné chování jako původní data (stejné derivace). Předpokládejme, že máme n bodů, ve každém bodě máme zadánu funkční hodnoty a dalších m podmínek, pak počet volných parametrů (ve funkci, kterou chceme interpolovat) bude často mnohem menší než n + n m (tedy pro obecný polynom platí, že jeho stupně je mnohem menší než toto číslo). 5

Dělení - Minimalizace minimalizace 6

Dělení - Minimalizace Oproti interpolaci tato funkce nemusí procházet všemi zadanými body (ani v nich splňovat další podmínky). Předpokládejme, že mám opět n bodů, ve každém bodě známe funkční hodnoty (tedy máme n hodnot). Pak počet volný parametrů ve funkci bude zpravidla daleko menší než n (tedy kupříkladu stupeň polynomu bude mnohem menší než n). 7

Interpolace

Interpolace - Úvod Máme zadané body x 0 < x 1 < < x n. V těchto bodech známe parametry funkce f(x) (funkční hodnoty f 0, f 1,, f n, derivace funkce a další). Hledáme takovou interpolační funkci f(x), která bude mít v daných uzlových bodech stejné chování (paramtery) jak funkce původní. Mezi těmito body se ale může chovat naprosto jinak. V numerických metodách tedy hledáme funkční hodnotu f(x) pro libovolné x. 8

Interpolace - Dělení - extra- vs. interinterpolace 9

Interpolace - Dělení - interpolace Pokud hledáme funkční hodnotu f(x) pro x [x 0, x n ], tedy uvnitř intervalu, ve kterém interpolujeme, mluvíme o interpolaci. 10

Interpolace - Dělení - extra- vs. interextra- -polace 11

Interpolace - Dělení - extrapolace Pokud hledáme funkční hodnotu f(x) pro x / [x 0, x n ], tedy mimo interval, ve kterém interpolujeme, mluvíme o extrapolaci. Extrapolace je často nevyzpytatelná, to znamená, že špatně odhaduje chování funkce. 12

Interpolace - Dělení - lokálnost Interpolaci můžeme dále dělit podle toho, zda jednou interpolační funkcí proložíme celý interval [x 0, x n ], pro různé podintervaly použijeme různou interpolační funkci. 13

Interpolace - Dělení - lokálnost zadaná data x 1 x 2 x 3 Mějme zadané body a v nich chování funkce. 14

Interpolace - Dělení - lokálnost lokální x 1 x 2 x 3 Interpolaci pak můžeme provést lokálně, tedy kdy bereme v úvahu pouze dva sousední body a ignorovat chování funkce v ostatních bodech. 15

Interpolace - Dělení - lokálnost globální x 1 x 2 x 3 Nebo naopak můžeme provést globální interpolaci, tedy kdy uvažujeme chování funkce ve všech bodech. 16

Interpolace - Rozdělení dat y 1 y 1 y 1 libovolná globálnost y 2 y 2 y 2 y 3 y 3 y 3 y 4 y 4 y 4 y 5 y 5 y 5 y 6 y 6 y 6 y 7 y 7 y 7 y 8 y 8 y 8 x 1 x 2 x 3 x 4 x 5 x 6 x 7 x 8 Navíc si můžeme interval rozdělit na podintervaly, ve kterých se už použije globální interpolace (pro daný interval). 17

1D

1D - Příklady Nyní se podíváme na příklady různých interpolacích. Obecně budeme uvažovat n bodů x 1 < x 2 < < x n a v nich zadané parametry funkce (tedy obecně funkční hodnoty a derivace libovolného řádu). Podle typu interpolace budeme vybírat jak body tak i parametry. 18

1D - Příklady y 1 y 1 y 1 y 2 y 2 y 2 zadaná data y 3 y 3 y 3 y 4 y 4 y 4 y 5 y 5 y 5 y 6 y 6 y 6 y 7 y 7 y 7 y 8 y 8 y 8 x 1 x 2 x 3 x 4 x 5 x 6 x 7 x 8 Pro příklad různých interpolacích si vezmeme osum bodů a za parametry funkční hodnotu, první a druhou derivaci. 19

1D - Lagrangeova interpolace y 1 y 1 y 1 Lagrangeova interpolace y 2 y 2 y 2 y 3 y 3 y 3 y 4 y 4 y 4 y 5 y 5 y 5 y 6 y 6 y 6 y 7 y 7 y 7 y 8 y 8 y 8 x 1 x 2 x 3 x 4 x 5 x 6 x 7 x 8 Jednou ze základních interpolacích je Lagrangeova. 20

1D - Lagrangeova interpolace Ta záchovává funkční hodnoty. Interpoluje polynomem stupně n 1 (tedy v tomto případě polynomem stupně 7). Hledáme tedy takový polynom f(x) = a 1 + a 2 x + a n x n 1, který splňuje f(x i ) = y i, i {1, 2,..., n}. 21

1D - Lagrangeova interpolace - konstrukce Předchozí předpis nám dává možnost konstruovat výsledný polynom pomocí lineárních algebraických rovnic. To je ale velice zdlouhavé a neefektivní. Nejčastěji se tak Lagrangeova interpolace konstruuje pomocí Nevillova algoritmu. 22

1D - Hermiteova interpolace y 1 y 1 y 1 Hermiteova interpolace y 2 y 2 y 2 y 3 y 3 y 3 y 4 y 4 y 4 y 5 y 5 y 5 y 6 y 6 y 6 y 7 y 7 y 7 y 8 y 8 y 8 x 1 x 2 x 3 x 4 x 5 x 6 x 7 x 8 Jedna z pokročilých interpolací. 23

1D - Hermiteova interpolace Kromě funkčních hodnot zachovává i derivace. Uvažujme tedy, že máme v každém bodě m parametrů (tedy funkční hodnoty a m 1 derivacích nejnižšího řádu), pak stupeň polynomu je n m 1. Obecně tedy hledáme polynom f(x) = a 1 + a 2 x + a n m x n m 1, který splňuje pro i {1, 2,..., n}. f(x i ) = y i, f (x i ) = y i, f (m 1) (x i ) = y (m 1) i. 24

1D - Spline y 1 y 1 y 1 =0 y 2 y 2 y 2 =0 y 3 y 3 y 3 =0 spline y 4 y 4 y 4 =0 y 5 y 5 y 5 =0 y 6 y 6 y 6 =0 y 7 y 7 y 7 =0 y 8 y 8 y 8 =0 x 1 x 2 x 3 x 4 x 5 x 6 x 7 x 8 Jedná se o lokální typ interpolace. 25

1D - Spline Často se používá, pokud známe jenom funkční hodnoty, ale zároveň chceme, aby (lokální) interpolační funkce byly hladké při přechodu mezi intervaly. To se nejčastěji dělá tak, že nastavíme druhou derivaci jako nulovou a odvodíme tvar interpolační funkce, která to splňuje. 26

1D - Lokální interpolace Hermiteova typu lokální interpolace Hermiteova typu y 1 y 1 y 1 y 2 y 2 y 2 y 3 y 3 y 3 y 4 y 4 y 4 y 5 y 5 y 5 y 6 y 6 y 6 y 7 y 7 y 7 y 8 y 8 y 8 x 1 x 2 x 3 x 4 x 5 x 6 x 7 x 8 Jedná se o pokročilou lokální interpolaci. 27

1D - Lokální interpolace Hermiteova typu lokální interpolace Hermiteova typu y 1 y 1 y 1 y 2 y 2 y 2 y 3 y 3 y 3 y 4 y 4 y 4 y 5 y 5 y 5 y 6 y 6 y 6 y 7 y 7 y 7 y 8 y 8 y 8 x 1 x 2 x 3 x 4 x 5 x 6 x 7 x 8 Jedná se o pokročilou lokální interpolaci. 28

1D - Lokální interpolace Hermiteova typu Tentokrát využíváme znalosti nižších derivací (stejně jako u klasické Hermiteovy interpolace). Interpolaci ale provádíme lokálně, ale zároveň nám zaručuje spojitost funkčních hodnot a příslušných derivacích při přechodu mezi podintervaly. 29

1D - Čebyševova interpolace Předchozí metody mohou používat libovolně rozmístěné body x i, ale nejčastěji se voĺı ekvidistantně. To ale vede ke zbytečnému vyčíslování funkce a taky často k oscilacím (pro vyšší stupně polynomu). Čebyševova interpolace oproti tomu voĺı body chytře, čímž zamezuje oscilacím a snižuje počet nutných vyhodnocení funkce. 30

Více dimenzí

Více dimenzí - Úvod V této úloze se snažím aproximovat funkci více proměnných f( x). Konstrukce takové interpolační funkce je náročnější. 31

Více dimenzí - Možnosti Jedna z nejjednoušších možností je zafixovat všechny dimenze (tedy zvolit fixní bod) kromě jedné a v ní pak 1D interpolovat. Takto postupovat dokud není provedena interpolace ve všech dimenzích. Ale často se používají lokální interpolace, nejčastěji spline a lokální interpolace Hermiteova typu. 32

Minimalizace

Minimalizace - Úvod Oproti interpolaci se nyní snažíme hledat funkci minimalizující chybu v určité třídě funkcí. Třída funkcí má povětšinou menší počet volných parametrů, než kolik máme zadaných bodů (oproti interpolace, kde byla rovnost). Definici chyby si můžeme volit sami, jako příklady mohou složit maximová norma, euklidovská, atd. 33

Minimalizace - Konstantní funkce zadaná data 9.0 6.5 7.5 8.0 4.5 4.5 4.5 3.0 Předpokládejme nyní tyto data, budeme chtít najít konstatní funkci, která minimalizuje chybu. 34

Minimalizace - Konstantní funkce průměr 9.0 6.5 7.5 8.0 6.0 4.5 4.5 4.5 3.0 Jednou z možností je udělat průměr funkčních hodnot. 35

Minimalizace - Konstantní funkce pseudomedián 9.0 6.5 4.5 4.5 4.5 7.5 8.0 5.5 3.0 Druhou častou možností je určit medián. Ten je sice méně náchýlný na chyby v datech ale je těžší ho spočítat. 36

Minimalizace - Libovolnou funkcí Obecně můžeme samožrejmě minimalizovat libovolnou funkci. Mějme body x i a původní data y i, pak se snažíme najít funkci φ(x), tak aby platilo φ(x) = min(error(y i, x i, φ)), φ kde error je obecně definová funkce pro výpočet chyby minimalizace. Za error můžeme brát třeba euklidovskou normu error(y i, x i, φ) = (y i φ(x i )) 2. i 37

Minimalizace - Libovolnou funkcí Pro obecnou třídu funkcí (ze které voĺıme φ(x)) se jedná o relativně složitý problém. Situace se velice zjednoduší pro třídu polynomů. To vede na soustavu lineárních algebraických rovnic. 38

Důvody

Důvody - Nevědomost Máme diskrétní hodnoty (data), neznáme a chceme vědět funkční hodnoty mezi diskrétními hodnotami, derivaci, at už v daných bodech nebo mezi body, odhad chování funkce (extrapolace pro nekonečno, atd). 39

Důvody - Náročnost Funkci známe v libovolném bodě, ale její výpočet je náročný. Chceme tedy funkci aproximovat, tak aby byl výsledek dostatečně dobrý. Výpočet derivace nebo integrálu (primitivní funkce) je složitý, proto nejdříve funkci aproximujeme něčím, co umíme lehce zintegrovat nebo zderivovat. 40