最近學(xué)了高等數(shù)值分析,需要做一下數(shù)值分析相關(guān)的編程。感覺(jué)三次樣條插值和Romberg外推加速公式寫(xiě)起來(lái)還是有點(diǎn)難度的。分享一下自己的結(jié)果。
1.三次樣條插值
本來(lái)沒(méi)有什么頭緒,受一個(gè)博主的啟發(fā),學(xué)習(xí)了他的代碼稍作修改。
原博鏈接:https://blog.csdn.net/a19990412/article/details/80574057
import math
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sympy import *
from pylab import mpl
def func(y):
y = np.float64(y)
return 1/(1 + y * y)
def draw_pic(words, x, y):
fig=plt.figure()
plt.plot(x, y, label='interpolation')
plt.plot(x, func(x), label='raw')
plt.legend()
plt.title(words, FontProperties='SimHei')
#plt.show()
plt.savefig(words+'.png')
plt.close(fig)
pass
def spline3_Parameters(x_vec):
# parameter為二維數(shù)組,用來(lái)存放參數(shù),size_of_Interval是用來(lái)存放區(qū)間的個(gè)數(shù)
x_new = np.array(x_vec)
parameter = []
size_of_Interval = len(x_new) - 1;
i = 1
# 首先輸入方程兩邊相鄰節(jié)點(diǎn)處函數(shù)值相等的方程為2n-2個(gè)方程
while i < len(x_new) - 1:
data = np.zeros(size_of_Interval * 4)
data[(i - 1) * 4] = x_new[i] * x_new[i] * x_new[i]
data[(i - 1) * 4 + 1] = x_new[i] * x_new[i]
data[(i - 1) * 4 + 2] = x_new[i]
data[(i - 1) * 4 + 3] = 1
data1 = np.zeros(size_of_Interval * 4)
data1[i * 4] = x_new[i] * x_new[i] * x_new[i]
data1[i * 4 + 1] = x_new[i] * x_new[i]
data1[i * 4 + 2] = x_new[i]
data1[i * 4 + 3] = 1
parameter.append(data)
parameter.append(data1)
i += 1
# 輸入端點(diǎn)處的函數(shù)值。為兩個(gè)方程, 加上前面的2n - 2個(gè)方程,一共2n個(gè)方程
data = np.zeros(size_of_Interval * 4)
data[0] = x_new[0] * x_new[0] * x_new[0]
data[1] = x_new[0] * x_new[0]
data[2] = x_new[0]
data[3] = 1
parameter.append(data)
data = np.zeros(size_of_Interval * 4)
data[(size_of_Interval - 1) * 4] = x_new[-1] * x_new[-1] * x_new[-1]
data[(size_of_Interval - 1) * 4 + 1] = x_new[-1] * x_new[-1]
data[(size_of_Interval - 1) * 4 + 2] = x_new[-1]
data[(size_of_Interval - 1) * 4 + 3] = 1
parameter.append(data)
# 端點(diǎn)函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)值相等為n-1個(gè)方程。加上前面的方程為3n-1個(gè)方程。
i = 1
while i < size_of_Interval:
data = np.zeros(size_of_Interval * 4)
data[(i - 1) * 4] = 3 * x_new[i] * x_new[i]
data[(i - 1) * 4 + 1] = 2 * x_new[i]
data[(i - 1) * 4 + 2] = 1
data[i * 4] = -3 * x_new[i] * x_new[i]
data[i * 4 + 1] = -2 * x_new[i]
data[i * 4 + 2] = -1
parameter.append(data)
i += 1
# 端點(diǎn)函數(shù)二階導(dǎo)數(shù)值相等為n-1個(gè)方程。加上前面的方程為4n-2個(gè)方程。
i = 1
while i < len(x_new) - 1:
data = np.zeros(size_of_Interval * 4)
data[(i - 1) * 4] = 6 * x_new[i]
data[(i - 1) * 4 + 1] = 2
data[i * 4] = -6 * x_new[i]
data[i * 4 + 1] = -2
parameter.append(data)
i += 1
#端點(diǎn)處的函數(shù)值的二階導(dǎo)數(shù)為原函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù),為兩個(gè)方程。總共為4n個(gè)方程。
data = np.zeros(size_of_Interval * 4)
data[0] = 6 * x_new[0]
data[1] = 2
parameter.append(data)
data = np.zeros(size_of_Interval * 4)
data[-4] = 6 * x_new[-1]
data[-3] = 2
parameter.append(data)
#df = pd.DataFrame(parameter)
#df.to_csv('para.csv')
return parameter
# 功能:計(jì)算樣條函數(shù)的系數(shù)。
# 參數(shù):parametes為方程的系數(shù),y為要插值函數(shù)的因變量。
# 返回值:三次插值函數(shù)的系數(shù)。
def solution_of_equation(parametes, x):
size_of_Interval = len(x) - 1;
result = np.zeros(size_of_Interval * 4)
i = 1
while i < size_of_Interval:
result[(i - 1) * 2] = func(x[i])
result[(i - 1) * 2 + 1] = func(x[i])
i += 1
result[(size_of_Interval - 1) * 2] = func(x[0])
result[(size_of_Interval - 1) * 2 + 1] = func(x[-1])
result[-2] = 5/13
result[-1] = -5 / 13
a = np.array(spline3_Parameters(x))
b = np.array(result)
#print(b)
return np.linalg.solve(a, b)
# 功能:根據(jù)所給參數(shù),計(jì)算三次函數(shù)的函數(shù)值:
# 參數(shù):parameters為二次函數(shù)的系數(shù),x為自變量
# 返回值:為函數(shù)的因變量
def calculate(paremeters, x):
result = []
for data_x in x:
result.append(
paremeters[0] * data_x * data_x * data_x + paremeters[1] * data_x * data_x + paremeters[2] * data_x +
paremeters[3])
return result
x_init4 = np.arange(-5, 5.1, 1 )
result = solution_of_equation(spline3_Parameters(x_init4), x_init4)
#print(spline3_Parameters(x_init4))
#print(result)
x_axis4 = []
y_axis4 = []
for i in range(10):
temp = np.arange(-5 + i, -4 + i, 0.01)
x_axis4 = np.append(x_axis4, temp)
y_axis4 = np.append(y_axis4, calculate(
[result[4 * i], result[1 + 4 * i], result[2 + 4 * i], result[3 + 4 * i]], temp))
draw_pic('三次樣條插值與原函數(shù)的對(duì)比圖', x_axis4, y_axis4)
原博的代碼針對(duì)邊界的二次導(dǎo)數(shù)為0,故原博使用的矩陣刪去了兩位。不太具有普遍意義,故做了修改。
代碼運(yùn)行結(jié)果
2.Romberg求積分,外推加速公式
import numpy as np
# 編寫(xiě)Romberg求積法,并計(jì)算
def romberg(inf, sup, lenth): #定義函數(shù)的輸入,積分上下界,分塊的數(shù)量
vec_init = np.zeros(lenth + 1)
vec_init[0] = 0.5 * (func(sup) + func(inf)) / (sup - inf)
#初始化T0向量,計(jì)算并賦值
for i in range(1, lenth):
vec_init[i] = 0.5 * vec_init[i - 1] + np.array(
[func(inf + (sup - inf) * (2 * j + 1)/(2 ** i))
for j in range(2 ** (i - 1) - 1)], dtype=np.float64).sum() * (sup - inf) / 2 ** i
count = lenth
deepth = 1
#設(shè)置停止條件,前后兩次迭代結(jié)果之差小于10^-10
while np.abs(vec_init[count] - vec_init[count - 1]) > 10 ** -10:
print('現(xiàn)在在第', deepth, '層')
vec_init[0: count - 1] = np.array([(4 ** deepth * vec_init[k + 1] - vec_init[k]) / (4 ** deepth - 1)
for k in range(count - 1)], dtype=np.float64)
deepth += 1
count -= 1
return vec_init[count]
def func(x):
return (np.log(1 + x)) / (1 + x ** 2)
print('計(jì)算結(jié)果為', romberg(0, 1, 20))
#計(jì)算結(jié)果為 0.27219012135491993
?編寫(xiě)思路:使用一個(gè)向量?jī)?chǔ)存逐次迭代的結(jié)果,比較倒數(shù)1、2位的結(jié)果之差設(shè)為精度條件
更多文章、技術(shù)交流、商務(wù)合作、聯(lián)系博主
微信掃碼或搜索:z360901061

微信掃一掃加我為好友
QQ號(hào)聯(lián)系: 360901061
您的支持是博主寫(xiě)作最大的動(dòng)力,如果您喜歡我的文章,感覺(jué)我的文章對(duì)您有幫助,請(qǐng)用微信掃描下面二維碼支持博主2元、5元、10元、20元等您想捐的金額吧,狠狠點(diǎn)擊下面給點(diǎn)支持吧,站長(zhǎng)非常感激您!手機(jī)微信長(zhǎng)按不能支付解決辦法:請(qǐng)將微信支付二維碼保存到相冊(cè),切換到微信,然后點(diǎn)擊微信右上角掃一掃功能,選擇支付二維碼完成支付。
【本文對(duì)您有幫助就好】元
