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1、實(shí)驗(yàn)3插值和數(shù)值積分1黃浩第一,實(shí)驗(yàn)?zāi)康?)用matlab掌握四種插值方法:拉格朗日插值、分段線性插值、分段三次插值和三次樣條插值,并通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)數(shù)來(lái)分析插值結(jié)果2)掌握matlab數(shù)值積分的計(jì)算,梯形公式和辛普森公式3)通過(guò)實(shí)例學(xué)習(xí),利用插值和數(shù)值積分解決實(shí)際問(wèn)題二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.(1)問(wèn)題:?jiǎn)栴}描述:考慮到FX=11 x2 x-5,5,采用不同的節(jié)點(diǎn)數(shù),采用拉格朗日插值、分段線性插值、三次插值和三次樣條插值來(lái)逼近f(x),并分析插值效果方案實(shí)施:由于matlab中沒(méi)有預(yù)設(shè)的拉格朗日插值函數(shù),所以我首先編寫了拉格朗日(程序見4.1)和分段線性插值函數(shù)(程序見4.2),并對(duì)y=x2函數(shù)進(jìn)行了插值
2、測(cè)試(程序見4.3),測(cè)試編寫的函數(shù)是否準(zhǔn)確,如下圖所示:在上圖中,紅線和綠線是自行設(shè)計(jì)的拉格朗日和分段線性函數(shù)的插值圖,藍(lán)色交叉點(diǎn)是matlab自帶的分段線性函數(shù)的插值圖。藍(lán)色和綠色完全一致,紅色和綠色基本一致,證明了自行設(shè)計(jì)的功能是正確的。然后進(jìn)行本課題所需的插值運(yùn)算:(x0,y0)作為節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)均勻分布在區(qū)間內(nèi),節(jié)點(diǎn)數(shù)分別調(diào)整為6、11和21;x為插值點(diǎn),繪圖時(shí)使用101個(gè)插值點(diǎn)(總是大于節(jié)點(diǎn)數(shù)),制表時(shí)使用的插值點(diǎn)數(shù)量根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行調(diào)整;y為真值,y1、y2、y3和y4分別為拉格朗日、分段線性、分段三次和三次樣條插值方法得到的插值結(jié)果。1)當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為6時(shí):(即節(jié)點(diǎn)為-5,-3,3,5)
3、xyy1y2y3y401.00000.56730.50000.50000.56850.50000.80000.55010.50000.50000.55131.00000.50000.50000.50000.50000.50001.50000.30770.42130.40000.44250.41672.00000.20000.32120.30000.31330.31312.50000.13790.20970.20000.17750.20293.00000.10000.10000.10000.10000.10003.5萬(wàn)0.07550.00780.08460.07540.01834.00000.0
4、588-0.04810.06920.0559-0.02854.5萬(wàn)0.0471-0.04600.05380.0431-0.02635.00000.03850.03850.03850.03850.0385圖像有:從上圖可以看出,當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為6時(shí),插值效果不理想,節(jié)點(diǎn)間插值誤差較大,在x=0附近誤差最大2)當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為11時(shí):(即節(jié)點(diǎn)為-5,-4,4,5)xyy1y2y3y401.00001.00001.00001.00001.00000.50000.80000.84340.75000.79690.82051.00000.50000.50000.50000.50000.50001.50000.3077
5、0.23530.35000.32190.29732.00000.20000.20000.20000.20000.20002.50000.13790.25380.15000.13850.14013.00000.10000.10000.10000.10000.10003.5萬(wàn)0.0755-0.22620.07940.07550.07454.00000.05880.05880.05880.05880.05884.5萬(wàn)0.04711.57870.04860.04650.04845.00000.03850.03850.03850.03850.0385圖像有:由上圖可以看出,當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為11時(shí),分段三次和三
6、次樣條插值較好,其次是分段線性插值,而拉格朗日插值在-2,2區(qū)間有較高的精度,但當(dāng)|x|3時(shí)會(huì)發(fā)生龍格振蕩。3)當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為21時(shí)(程序見4.4):(即節(jié)點(diǎn)為-5,-4.5,4.5,5)xyy1y2y3y401.00001.00001.00001.00001.00000.10000.99010.99040.96000.98690.98910.20000.96150.96260.92000.95260.95940.30000.91740.91890.88000.90500.91520.40000.86210.86320.84000.85150.86060.50000.80000.80000.800
7、00.80000.80000.60000.73530.73370.74000.74560.73720.70000.67110.66820.68000.68230.67420.80000.60980.60650.62000.61630.61270.90000.55250.55030.56000.55350.55411.00000.50000.50000.50000.50000.50001.10000.45250.45500.46150.45440.45171.20000.40980.41430.42310.41180.40891.3萬(wàn)0.37170.37650.38460.37280.37111
8、40000.33780.34110.34620.33790.33751.50000.30770.30770.30770.30770.30771.6萬(wàn)0.28090.27700.28620.28130.28101.70000.25710.25010.26460.25750.25721.8萬(wàn)0.23580.22810.24310.23600.23591.90000.21690.21150.22150.21690.21702.00000.20000.20000.20000.20000.20002.10000.18480.19180.18760.18500.18482.20000.17120.1843
9、0.17520.17130.1712230000.15900.17420.16280.15900.15892.40000.14790.15900.15030.14790.14792.50000.13790.13790.13790.13790.13792.60000.12890.11300.13030.12890.12892.7萬(wàn)0.12060.08960.12280.12070.1206280000.11310.07500.11520.11310.11312.90000.10630.07700.10760.10630.10633.00000.10000.10000.10000.10000.10
10、003.10000.09430.14080.09510.09430.09423.20000.08900.18580.09020.08900.0890330000.08410.21010.08530.08410.08413.40000.07960.18230.08040.07960.07963.5萬(wàn)0.07550.07550.07550.07550.07553.60000.0716-0.11430.07210.07160.0716370000.0681-0.34590.06880.06810.0681380000.0648-0.51360.06550.06480.06483.90000.0617
11、-0.44590.06220.06170.06174.00000.05880.05880.05880.05880.05884.10000.05611.13530.05650.05620.05614.20000.05362.67440.05410.05370.0536430000.05134.06910.05180.05130.05134.40000.04913.94510.04940.04910.04914.5萬(wàn)0.04710.04710.04710.04710.0471460000.0451-10.33450.04530.04510.0451470000.0433-28.66260.0436
12、0.04330.0433480000.0416-50.86440.04190.04150.04164.90000.0400-58.23810.04020.03990.04005.00000.03850.03850.03850.03850.0385圖像有:從上圖可以看出,當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為21時(shí),分段三次和三次樣條插值的精度很高,分段線性度稍差。然而,拉格朗日插值在x=0附近的區(qū)間中具有良好的精度,但是當(dāng)|x|3.5時(shí)會(huì)發(fā)生更嚴(yán)重的龍格振蕩(參見上表中藍(lán)色粗體字,當(dāng)x=4.9時(shí),插值實(shí)際上達(dá)到-58.2381)為了定量比較各種算法的誤差,當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為21時(shí),上表的數(shù)據(jù)在1.1,2.0區(qū)間內(nèi)進(jìn)行處理,沒(méi)有龍
13、格振蕩,結(jié)果如下:(其中y1、y2、y3、y4分別是通過(guò)拉格朗日、分段線性、分段三次和三次樣條插值方法獲得的相對(duì)誤差的絕對(duì)值)xy1y2y3y41.10000.00550.01430.01540.00591.20000.01100.02120.02670.00701.3萬(wàn)0.01290.02150.03070.0046140000.00980.01500.02400.00121.50000.00000.00000.00000.00001.6萬(wàn)0.01390.03320.01710.00111.70000.02720.05800.02680.00121.8萬(wàn)0.03270.06580.02920
14、.00041.90000.02490.04730.02080.00052.00000.00000.00000.00000.0000總額0.13790.27620.19070.0218由上表可以看出,在無(wú)龍格振蕩的條件下,采用不同的插值方法,誤差由大到小是:分段線性分段三次拉格朗日三次樣條插值。得出結(jié)論:從以上比較中,我們可以得出以下結(jié)論:一般來(lái)說(shuō),當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)增加時(shí),插值精度一般會(huì)提高b)當(dāng)龍格振蕩不發(fā)生時(shí),分段三次、三次樣條插值和拉格朗日插值精度相近,插值效果較好,而分段線性插值不如上述三種,具體誤差為分段線性分段三次拉格朗日樣條插值c)當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)增加時(shí),拉格朗日插值方法的龍格振蕩會(huì)更加劇烈,在區(qū)間的末端會(huì)出現(xiàn)更大的誤差,但區(qū)間內(nèi)的插值效果更好基于以上三點(diǎn),我們還可以對(duì)四種插值方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià):a)拉格朗日插值方法:當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)較少時(shí),插值精度較差,當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)增加時(shí),可能會(huì)發(fā)生龍格振蕩,導(dǎo)致誤差較大,這是其作為高階插值多項(xiàng)式的固有缺陷。因此,當(dāng)我們不能評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)數(shù)是否適合所選區(qū)間,不能判斷插值的突變是否為龍格振蕩時(shí),其精度就不能保證,可信度就低。b)分段線性插值:其精度隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而單調(diào)增加,但在相同情況下,其精度低于分段三次和三次樣條插值。因此,在計(jì)算機(jī)計(jì)算中,后兩者更有利于保證精
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