APROXIMACE FUNKCÍ V MA TLABU ' Část 3. - Lazran eův inter olační 01 mom v Matlabu

Podobné dokumenty
APROXIMACE KŘIVEK V MATLABU NEWTONŮV INTERPOLAČNÍ POLYNOM CURVE FITTING IN MATLAB NEWTON INTERPOLATION POLYNOMIAL

APROXIMACE KŘIVEK V MATLABU TRIGONOMETRICKÉ POLYNOMY CURVE FITTING IN MATLAB TRIGONOMETRIC POLYNOMIAL

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

Digitální učební materiál

VÝUKA ZÁKLADNÍCH NUMERICKÝCH ALGORITMŮ V MATLABU APROXIMACE KUBICKÝMI SPLAJNY


Interpolace, aproximace

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

Interpolace pomocí splajnu

Jana Dannhoferová Ústav informatiky, PEF MZLU

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.

Čebyševovy aproximace

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

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

Numerická matematika Písemky

Aplikovaná matematika I

Numerické řešení diferenciálních rovnic

Interpolace, ortogonální polynomy, Gaussova kvadratura

Libovolnou z probraných metod najděte s přesností na 3 desetinná místa kladný kořen rovnice. sin x + x 2 2 = 0.

REGRESNÍ ANALÝZA V PROSTŘEDÍ MATLAB

Aproximace posuvů [ N ],[G] Pro každý prvek se musí nalézt vztahy

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

UNIVERZITA PARDUBICE. 4.4 Aproximace křivek a vyhlazování křivek

Matematika III přednáška Aplikace vytvořujících funkcí - další úlohy

Lineární a polynomická regrese, interpolace, hledání v tabulce

4 Numerické derivování a integrace

úloh pro ODR jednokrokové metody

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

Interpolace Lagrangeovy polynomy. 29. října 2012

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

Integrace. Numerické metody 7. května FJFI ČVUT v Praze

ALGEBRA. 1. Pomocí Eukleidova algoritmu najděte největší společný dělitel čísel a a b. a) a = 204, b = 54, b) a = , b =

MATEMATIKA III. Olga Majlingová. Učební text pro prezenční studium. Předběžná verze

Odvození středové rovnice kružnice se středem S [m; n] a o poloměru r. Bod X ležící na kružnici má souřadnice [x; y].

Nelineární obvody. V nelineárních obvodech však platí Kirchhoffovy zákony.

5. Interpolace a aproximace funkcí

Kombinatorická minimalizace

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

Aproximace a interpolace

ACTA UNIVERSITATIS AGRICULTURAE ET SILVICULTURAE MENDELIANAE BRUNENSIS SBORNÍK MENDELOVY ZEMĚDĚLSKÉ A LESNICKÉ UNIVERZITY V BRNĚ

a a

Numerická matematika Banka řešených příkladů

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2011/2012. x + y + 3z = 1 (2a 1)x + (a + 1)y + z = 1 a

V předchozí kapitole jsme podstatným způsobem rozšířili naši představu o tom, co je to číslo. Nadále jsou pro nás důležité především vlastnosti

Aplikovaná numerická matematika

Pseudospektrální metody

Citlivost kořenů polynomů

Metoda nejmenších čtverců Michal Čihák 26. listopadu 2012

VÝUKA MOŽNOSTÍ MATLABU

Opakovací test. Komlexní čísla A, B

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

Transformujte diferenciální výraz x f x + y f do polárních souřadnic r a ϕ, které jsou definovány vztahy x = r cos ϕ a y = r sin ϕ.

VZOROVÝ TEST PRO 3. ROČNÍK (3. A, 5. C)

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

Aproximační křivky. Trocha historie. geometrické modelování veliký pokrok v oblasti letectví 1944 Roy Liming

Vektorové prostory R ( n 1,2,3)

Obsah Obyčejné diferenciální rovnice

PREDIKCE DÉLKY KOLONY V KŘIŽOVATCE PREDICTION OF THE LENGTH OF THE COLUMN IN THE INTERSECTION

Numerické řešení obyčejných diferenciálních rovnic

Funkce jedné reálné proměnné. lineární kvadratická racionální exponenciální logaritmická s absolutní hodnotou

Matematika (KMI/PMATE)

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

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

maticeteorie 1. Matice A je typu 2 4, matice B je typu 4 3. Jakých rozměrů musí být matice X, aby se dala provést

Drsná matematika III 1. přednáška Funkce více proměnných: křivky, směrové derivace, diferenciál

Matematická analýza ve Vesmíru. Jiří Bouchala

Mathematical Assistant on Web

SEMESTRÁLNÍ PRÁCE X. Aproximace křivek Numerické vyhlazování

Numerické metody a programování. Lekce 7

Aplikovaná numerická matematika - ANM

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

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

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2014/2015

Ukázka možností interpolace dat v softwaru Matlab

1 Mnohočleny a algebraické rovnice

Robustní odhady statistických parametrů

Diferenciál funkce dvou proměnných. Má-li funkce f = f(x, y) spojité parciální derivace v bodě a, pak lineární formu (funkci)

5. Plochy v počítačové grafice. (Bézier, Coons)

Matematika 1 sbírka příkladů

Aproximace a interpolace

POLYNOMICKÁ REGRESE. Jedná se o regresní model, který je lineární v parametrech, ale popisuje nelineární závislost mezi proměnnými.

Q(y) dy = P(x) dx + C.

Lineární rovnice pro učební obory

pouze u některých typů rovnic a v tomto textu se jím nebudeme až na

Variace. Lineární rovnice

13 Barvy a úpravy rastrového

4. Diferenciál a Taylorova věta

Hledání extrémů funkcí

Poznámka: V kurzu rovnice ostatní podrobně probíráme polynomické rovnice a jejich řešení.

Základy numerické matematiky. Interpolace a aproximace funkcí

Interpolace a aproximace dat.

Digitální učební materiál

0.1 Úvod do matematické analýzy

1 Polynomiální interpolace

MĚŘENÍ STATISTICKÝCH ZÁVISLOSTÍ

AVDAT Náhodný vektor, mnohorozměrné rozdělení

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) +...

3 Lineární kombinace vektorů. Lineární závislost a nezávislost

----- Studijní obory. z matematiky. z matematiky. * Aplikovaná matematika * Matematické metody v ekonomice

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

Transkript:

APROXIMACE FUKCÍ V MA TLABU ' Část 3. - Lazran eův inter olační 0 mom v Matlabu I Jiří Kulička Umverzna Pardubice, Dopravru fakulta Jana Pcrnera. Katedra Informatiky v dopravě University oj Pardubice. Jan Perner Transport Fakulty, Department oj informatics in transport Univerzita Hradec Králové, Pedagogická fakulta, Katedra informatiky University oj Hradec Králové. Fakult)' ofeducation, Department aj lnformatics Resumé: Článek se zabývá odvozením, algoritmizací a popisem konstrukce Lagrangeova interpolačního polynomu. Jsou zde popsány a vysvětleny základní výpočetní postupy týkající se této problematiky, nejprve je vždy proveden teoretický rozbor, pak následuje řešený příklad a výpisy funkcí v Matlabu s vysvětlujícím komentářem. Summary: The article deals with deriving, algorithm design and description of the Lagrange interpolation polynomial. There are described and explained the basic computational procedures regarding this issue, the first one is always a theoretical analysis, followed by solved examples and extracts functions in Matlab with explanatory commentary. ÚVOD umerické (obecně matematické) metody jsou nezbytnou součástí výuky technicky orientovaných předmětů nejen na školách vysokých, ale (samozřejmě s daleko menšími nároky) i na školách středních. Zejména pro vysokoškolské studenty bývají numerické metody a matematika obecně, obtížnými pasážemi studia. Počítače přinesly do technické praxe výraznou podporu právě u numerických metod, od zrychlení a zpřesnění výpočtů matematických modelů až po výpočty metodou konečných prvků. Interpolovat znamená odhadnout chybějící funkční hodnoty pomocí váženého průměru známých funkčních hodnot v sousedních bodech. LIEÁRÍ ITERPOLACE Lineární interpolace používá přímku procházející dvěma body. y y Xa --------------- Xl-)(n B y t- yo Obrázek Lineární interpolace Sklon přímky je: k = tgep = YI - Yo. Dosazením do směrnicového tvaru rovnice přímky dostáváme: XI -xo ávrat na obsah Media4u Magazine 2/200 32

-===-====-===-===-------- -- ( ) y, - y=k x-xo+yo= Yo,x-xo+Yo ( ) X, -xo Tento vztah upravíme na tvar, který odvodil Joseph Louis Lagrange (736-83): () y, - Yo () () x - Xo x - Xo x - Xo Y = P x =. x - Xo + Yo = Yo + y, - Yo. = Yo + y,. - Yo. = ~-~ ~-~ ~-~ ~-~ Poslední část výrazu v této úpravě nazýváme interpolační polynom prvního stupně (přímka). () v () jsou lineární faktory a nazýváme je Lagrangeovými polynomickými a Xl' Dosazením bodů A a B do lineárních faktorů dostáváme: koeficienty založenými na pólech Xo a proto polynom P l (x) prochází body A, B. Výsledný tvar interpolačního polynomu prvního stupně můžeme zapsat:, ~(x)= LYk.L"k(xL r, =f(xk) ZOBECĚÍ POlynomPn(x) stupně nejvýše, který prochází + body [xo; YoL [x,; yd,..., [X,' Y] je určen předpisem: Pn(x) = LYk.L,k(X), kde L,k (x) jsou Lagrangeovy polynomické koeficienty dané uzly x o, Xl... r x a jsou určeny výrazem: (2) IT(x-xJ j=o,}-*k IT(Xk j=o,j"#-k - Xj) Lagrangeovy polynomické koeficienty mají tyto vlastnosti: L,k (x j) = I, když j == k a L, k (x j ) = O, když j *' k. Polynom prochází všemi danými body, což je vidět z následující rovnice dosazením za x = x j : P(Xj)= YO' L,O(Xj )+... + Y j. L,j(X j )+... + Y. L,(Xj)= Yo(O)+... y j(i)+... + Y(O) = Y j' ávrat na obsah Media4u Magazine 2/200 33

a obrázku 2 vidíme názorně konstrukci výsledného interpolačního polynomu P(x) druhého stupně pomocí funkčních hodnot vynásobených Lagrangeovými polynomickými koeficienty v jednotlivých pólech 2, 4, 6. 0 8 6 4 --P(x) --L(x) --L2(x) --------L3(x) / _2L-----L-----~----~-----L----~----~ 2 3 4 5 6 7 Obr.2 Interpolační polynom a Lagrangeovy polynomické koeficienty druhého řádu LAGRAGEŮVITERPOLAČÍVZOREC Funkci r(x) aproximujeme polynomem Pn (x) (2), který nabývá ve známých uzlech stejných hodnot, jako daná funkce r(x). f{x)= LYk 'L,k{X)+E{x)=Pn{x)+E{x), kde Pn (x) je aproximace funkce f(x) a E(x) chyba aproximace. Jestliže Pn (x) je použito k aproximaci r(x) v intervalu < xo/ x >, nazýváme daný proces jako interpolace, mimo daný interval extrapolace. PŘÍKLADY LAGRAGEOVÝCH POLYOMŮ Kvadratický LagrangeElv polynom, který prochází body [xo/ Yo], [XI/ yd a [xv' Y2] je: Kubický l.aqranqeův polynom, který prochází body [xo; Yo], [Xl/ h], [X2; Y2] a [X3/' Y3] je: (x - xo) (x - xd (x - X3) (x - xo) (x - xd (x - X2) + Y2' (X2 -XO)'(X2 -Xd'(X2 -X3r Y3' (X3 -XO)'(X3 -Xl)'(X3 -X2) ávrat na obsah Media4u Magazine 2/200 34

Příklad ahradíme funkci y = In(x) v intervalu x E < ; 2,2 > Lagrangeovými polynomy druhého a třetího stupně. Zobrazíme také chyby, kterých se dopouštíme. Y = t(x) = ln x, x E< ;2,2 > Kvadratický Lagrangeův polynom Xo =,xl =,6,x2 =2,2 Yo = In = O, Yl = ln,6 = 0,470004, Y2 = ln 2,2 = 0,788457 L2,O(x) = (( -,6~. ~x - 2,V =,38889. x 2-5,277778. x + 4,888889 -,6. - 2,2 (x-).(x-22) 2 L 2 () X = ( ) ( ') = -2,777778 x + 8,888889 x - 6,,,6 -.,6-2,2 L22(X) = ( (x -~. i x -,6) ) =,388889. x 2-3,6 x + 2,222222, 2,2 -. 2,2 -,6 = 0-,305567 (x 2-3,2x + 2,2)+,095079 (x 2-2,6x +,6) = = -0,20488 x 2 +,330609 x -,202 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0. ------~- -------- "'~»>: -----o O+ ----~------~---~~-~~~--~----~L----~~-.2.4.6.8 2 2.2 Obr.3 Kvadratický Lagrangeův interpolačni polynom (odchylky P2(X) od y = In(x) jsou červeně a desetkrát zvětšeny) ávrat na obsah Media4u Magazine 2/200 35

KubkkýLagrangeůvpolynom L3 o (x) = (x -,4). (x -,8). (x - 2,2) = -2,60467. x3 + 4,0625. x2-24,895833 x + 4,4375, (-,4). (-,8). (- 2,2) (x-l).(x-l,8).(x-2,2) 3 2 (),,4 -.,4 -,8.,4-2,2 L3x =( ) ( ) ( )=7,825.X -39,0625 x +62,875 x+30,9375 (x-l).(x-l,4).(x-2,2) 3 2 L32 () X = ( ) ( ) ( )=-7,825.X +35,9375 x -52,875 x+24,0625,,8-.,8-,4.,8-2,2 L (x) = (x -). (X -,4). (x -,8) = 2 60467. x3-0 9375. x2 + 4 895833 x - 6 5625 3,3 (2,2-).(2,2-,4).(2,2-,8)',,, P3(X) = O L3,0(X)+ 0,336472 L3,l (x)+ 0,587787 L3,2(x) + 0,788457 L3,3(X) = = 0,089882 x 3-0,64366 x 2 +,99398 x -,440245 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 / r-----------... ----------------'.,. O : / --------. --~--- -------- --- '-o 0..2.4.6.8 2 2.2 Obr.4 Kubický Lagrangeův interpolační polynom (odchylky P3(X) od y = In(x) jsou červeně a padesátkrát zvětšeny) m-soubor Matlab Určení Lagrangeova polynomu P(x) = I Yk. L, k (x) daného + body [x k; Yk] I k = 0,,...,. v ukázce m-souboru z Matlabu jsou za znakem % uvedeny vysvětlující komentáře. ávrat na obsah Media4u Magazine 2/200 36

tunction fc,l]=/agrange(x, Y) % vstup X je vektor x-ových souřadnic bodu Xk % Yje vektor y-ových souřadnic bodu Xk %výstup Cje matice výsledných koeficientů Lagrangeova polynomu % Lje matice koeficientů u mocnin x u Lagrangeových polynomů w=length(x)/ n=w-l; L =zeros/w: w)/' % výpočet koeficientů mocnin x u Lagrangeových polynomů for k=l:w v=i: for j=l:w If k-v=] V=conv(V,poly(XÚ)))/(X(k)-XU))/ end end L(k,:)=V,' end % výpočet koeficientů Lagrangeova interpolačn/ho polynomu C=Y*L,' pnkaz: fc,l]=/agrange(x, Y) ZÁVĚR Pro určení interpolačního polynomu existuje více postupu, všechny ale určí stejný polynom. Lagrangeova interpolace patří k těm nejstarším, nejznámějším a nejjednodušším. Její nevýhoda ovšem spočívá v tom, že postup nelze vyjádřit rekurentně a je velmi náročný na počet výpočtů. Proto při přidání dalšího uzlu, musíme celý polynom znovu přepočítat. Komentované výpisy funkcí v Matlabu jsou používány ve výuce předmětu umerické metody na DF UPCE. (v pňstim pokračováni ewtonúv Interpolačni polynom) Použité zdroje MATHEWS. J. - FIK. K. umerical Methods Using MATLAB. Pearson Prentice Hall 2004, fourth edition. ISB 0-3-978-3. RALSTO, A. Základy numerické matematiky. Academia Praha 978 VIT ÁSEK. E. umerické metody. STL 987 KARBA. P. výpočty a simulace v programech Matlab a Simulink. Computer Press 2006. ISB 80-25-30-9. Kontaktni adresa Mgr. Jiři Kulička Univerzita Pardubice Dopravni fakulta Jana Pernera Studentská 95 532 0 Pardubice 2 e-mail: jiri.kulicka@upce.cz ávrat na obsah Media4u Magazine 2/200 37