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。

        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。

       分段插值:虽然收敛,但光滑性较差。

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​​。


[python]  ​​view plain​​  ​​copy​​



  1. #!/usr/bin/env python  
  2. # -*-coding:utf-8 -*-  
  3. import numpy as np  
  4. from scipy import interpolate  
  5. import pylab as pl  
  6.   
  7. x=np.linspace(0,10,11)  
  8. #x=[  0.   1.   2.   3.   4.   5.   6.   7.   8.   9.  10.]  
  9. y=np.sin(x)  
  10. xnew=np.linspace(0,10,101)  
  11. pl.plot(x,y,"ro")  
  12.   
  13. for kind in ["nearest","zero","slinear","quadratic","cubic"]:#插值方式  
  14. #"nearest","zero"为阶梯插值  
  15. #slinear 线性插值  
  16. #"quadratic","cubic" 为2阶、3阶B样条曲线插值  
  17.     f=interpolate.interp1d(x,y,kind=kind)  
  18. # ‘slinear’, ‘quadratic’ and ‘cubic’ refer to a spline interpolation of first, second or third order)  
  19.     ynew=f(xnew)  
  20.     pl.plot(xnew,ynew,label=str(kind))  
  21. pl.legend(loc="lower right")  
  22. pl.show()  


结果:

Scipy一维二维插值_python


二维插值

方法与一维数据插值类似,为二维样条插值。


[python]  ​​view plain​​  ​​copy​​


  1. # -*- coding: utf-8 -*-  
  2. """
  3. 演示二维插值。
  4. """  
  5. import numpy as np  
  6. from scipy import interpolate  
  7. import pylab as pl  
  8. import matplotlib as mpl  
  9.   
  10. def func(x, y):  
  11. return (x+y)*np.exp(-5.0*(x**2 + y**2))  
  12.   
  13. # X-Y轴分为15*15的网格  
  14. y,x= np.mgrid[-1:1:15j, -1:1:15j]  
  15.   
  16. fvals = func(x,y) # 计算每个网格点上的函数值  15*15的值  
  17. print len(fvals[0])  
  18.   
  19. #三次样条二维插值  
  20. newfunc = interpolate.interp2d(x, y, fvals, kind='cubic')  
  21.   
  22. # 计算100*100的网格上的插值  
  23. xnew = np.linspace(-1,1,100)#x  
  24. ynew = np.linspace(-1,1,100)#y  
  25. fnew = newfunc(xnew, ynew)#仅仅是y值   100*100的值  
  26.   
  27. # 绘图  
  28. # 为了更明显地比较插值前后的区别,使用关键字参数interpolation='nearest'  
  29. # 关闭imshow()内置的插值运算。  
  30. pl.subplot(121)  
  31. im1=pl.imshow(fvals, extent=[-1,1,-1,1], cmap=mpl.cm.hot, interpolation='nearest', origin="lower")#pl.cm.jet  
  32. #extent=[-1,1,-1,1]为x,y范围  favals为  
  33. pl.colorbar(im1)  
  34.   
  35. pl.subplot(122)  
  36. im2=pl.imshow(fnew, extent=[-1,1,-1,1], cmap=mpl.cm.hot, interpolation='nearest', origin="lower")  
  37. pl.colorbar(im2)  
  38.   
  39. pl.show()  



Scipy一维二维插值_样条_02


左图为原始数据,右图为二维插值结果图。


二维插值的三维展示方法



[python]  ​​view plain​​  ​​copy​​


  1. # -*- coding: utf-8 -*-  
  2. """
  3. 演示二维插值。
  4. """  
  5. # -*- coding: utf-8 -*-  
  6. import numpy as np  
  7. from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D  
  8. import matplotlib as mpl  
  9. from scipy import interpolate  
  10. import matplotlib.cm as cm  
  11. import matplotlib.pyplot as plt  
  12.   
  13. def func(x, y):  
  14. return (x+y)*np.exp(-5.0*(x**2 + y**2))  
  15.   
  16. # X-Y轴分为20*20的网格  
  17. x = np.linspace(-1, 1, 20)  
  18. y = np.linspace(-1,1,20)  
  19. x, y = np.meshgrid(x, y)#20*20的网格数据  
  20.   
  21. fvals = func(x,y) # 计算每个网格点上的函数值  15*15的值  
  22.   
  23. fig = plt.figure(figsize=(9, 6))  
  24. #Draw sub-graph1  
  25. ax=plt.subplot(1, 2, 1,projection = '3d')  
  26. surf = ax.plot_surface(x, y, fvals, rstride=2, cstride=2, cmap=cm.coolwarm,linewidth=0.5, antialiased=True)  
  27. ax.set_xlabel('x')  
  28. ax.set_ylabel('y')  
  29. ax.set_zlabel('f(x, y)')  
  30. plt.colorbar(surf, shrink=0.5, aspect=5)#标注  
  31.   
  32. #二维插值  
  33. newfunc = interpolate.interp2d(x, y, fvals, kind='cubic')#newfunc为一个函数  
  34.   
  35. # 计算100*100的网格上的插值  
  36. xnew = np.linspace(-1,1,100)#x  
  37. ynew = np.linspace(-1,1,100)#y  
  38. fnew = newfunc(xnew, ynew)#仅仅是y值   100*100的值  np.shape(fnew) is 100*100  
  39. xnew, ynew = np.meshgrid(xnew, ynew)  
  40. ax2=plt.subplot(1, 2, 2,projection = '3d')  
  41. surf2 = ax2.plot_surface(xnew, ynew, fnew, rstride=2, cstride=2, cmap=cm.coolwarm,linewidth=0.5, antialiased=True)  
  42. ax2.set_xlabel('xnew')  
  43. ax2.set_ylabel('ynew')  
  44. ax2.set_zlabel('fnew(x, y)')  
  45. plt.colorbar(surf2, shrink=0.5, aspect=5)#标注  
  46.   
  47. plt.show()  



Scipy一维二维插值_二维_03


        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。





参考链接:

1.拉格朗日插值法:https://zh.wikipedia.org/wiki/拉格朗日插值法

2.样条插值:https://zh.wikipedia.org/wiki/样条插值