三次样条函数中节点处发生情况的正确术语

机器算法验证 样条
2022-03-27 06:08:41

线性样条很容易讨论。结是斜率变化的地方,并且只强制执行一个级别的连续性。

在讨论三次样条(具有通常的 3 级连续性)或自然三次样条(线性尾部限制三次样条)时,我经常松散地说“结是发生曲率变化的地方”或“发生形状变化的地方”。对于函数,曲率的正式定义在计算中具有二阶导数,因此正式地说曲率在三次样条函数中随处变化。

最好使用什么语言?我们应该说“结是我们允许形状变化的地方”吗?我们在哪里允许快速的形状变化?或者最好是这样明确:结是函数的颠簸(jerk;三阶导数)发生变化的点?其他想法?

根据下面的评论,我目前能想到的最好的语言是以下,对于普通观众:

结是不同三次多项式连接的地方,三次样条强制在这些点处存在三个连续性水平(函数、它的斜率和它的加速度或二阶导数(斜率的斜率)不改变)。在节处,摇晃(三阶导数或加速度变化率)被允许突然改变,这意味着在节处摇晃被允许是不连续的。在节之间,颠簸是恒定的。

替代版本:

结是三次多项式连接的地方,连续性限制使连接不可见。函数、它的斜率和它的加速度(斜率的斜率;二阶导数)不会在节点处改变。但是加速度的变化率(颠簸;三阶导数)允许在一个节点处突然变化。


除了技术上正确的措辞之外,如果有一个类似于“形状变化”的更简单的术语可以用来描述这一点,那就太好了。


更新:我在回归建模策略课程笔记的第 2.4.4 节中添加了一个显示三次样条函数及其前三个导数的图表。

1个回答

math.stackexchange.com 上的这个答案提出了一种方法。尤其是:

“平滑”的典型数学定义说明了函数有多少连续导数。但是这些类型的定义与曲线“平滑度”的直观概念几乎没有关系。

从拟合无限数学平滑(在无限可微性的意义上)高次多项式的限制开始,可能会在启发式上有所帮助。我建议像:

在节点处,所需的数学平滑度水平是放松的,更好地匹配直观的平滑度概念,同时允许曲线通过节点。然后,每对相邻节点之间的曲线可以是一个简单的、无限平滑的 3 次多项式。

如果有时间,下面基于龙格现象的说明可能会有所帮助。

考虑以下用直线连接的 9 个点:

分段线性插值

我们希望对这些点拟合一条平滑曲线,以避免这些点处的直线发生急剧变化。我们可以尝试通过这些点在数学上拟合一条无限平滑的曲线,因为不仅曲线是连续的,而且曲线的斜率也是连续的,斜率的斜率也是连续的,以此类推(无限可区分性)。从这个意义上说,多项式是无限平滑的,但是如果您通过这些点拟合多项式,您会得到以下结果:

插值多项式

正如@bubba 所说,这种拟合所需的高次多项式:

没有人(除了数学家)会称它们为“平滑”。

但是,如果我们取消对节点处无限数学平滑度的要求,我们可以做得更好。然后我们可以在每对相邻节点之间使用一个无限平滑的 3 次多项式,并且在节点处只需要使连接不可见所需的最小平滑度:

具有龙格函数的三次样条

其中橙色线是三次样条拟合,蓝色线显示从中采样点的平滑龙格函数。这种方法在结之间提供了“尽可能少的摆动量”,从而满足了“平滑”的直观感觉。