三次样条插值何时比插值多项式更好?

信息处理 插值
2022-01-01 17:07:06

下图是教科书中示例的轻微变化。作者用这个例子来说明在等间隔样本上的插值多项​​式在插值区间末端附近有很大的振荡。当然,三次样条插值在整个区间上给出了一个很好的近似值。多年来,出于此处说明的原因,我认为应避免对等间距样本进行高阶多项式插值。

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然而,我最近发现了许多带限信号的例子,其中高阶插值多项式比三次样条插值给出的近似误差更小。通常,当采样率足够高时,插值多项式在整个插值间隔内更准确。当样本以至少比信号的奈奎斯特频率大 3 倍的采样率等间隔分布时,这似乎成立。此外,随着(采样率)/(奈奎斯特频率)的增加,三次样条插值的优势得到改善。

例如,我将三次样条插值与内奎斯特频率为 2 Hz、采样率为 6.5 Hz 的正弦波的插值多项​​式进行比较。在样本点之间,插值多项式看起来与实际信号完全相同。 在此处输入图像描述


下面我比较两个近似值的误差。与第一个示例一样,多项式插值在采样间隔的开始和结束附近表现最差。但是,插值多项式在整个采样间隔上的误差小于三次样条。插值多项式在小区间外插时误差也较小。我发现了一个众所周知的事实吗?如果是这样,我在哪里可以阅读它?

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1个回答

正在讨论的现象是龙格现象

次导数的最大绝对值对于龙格函数个(偶数)导数的最大绝对值其中表示阶乘。这是更快的增长。导数增长过快时,插值误差才有可能随着插值阶数的增加而发散。中的指数还不算太快。看看:James F. Epperson,On the Runge 示例美国数学月刊,第一卷。94,1987,第 329-341 页。nsin(ωt)ωn 125t2+1n5nn!,n!nn

如果一个函数只有连续导数,那么竞争方法,分段多项式样条插值如果其早期导数的一小部分固定数量在感兴趣的区间上是有界的,则总是会收敛,请参阅关于线性插值的维基百科文章作为示例。

如果两种方法都收敛,那么(非分段)多项式插值在使用许多样本的情况下具有更高多项式次数的优势,并且可以提供更好的近似值,正如您在正弦示例中看到的那样。您可能还对 LN Trefethen 感兴趣,关于等距点多项式插值的两个结果近似理论杂志 第 65 卷,第 3 期,1991 年 6 月,第 247-260 页。引用:

的带限插值中, 当且仅时,误差减小到如果足够小,可以为每个波长提供至少六个点。eiαx(αR),0nα

每个波长有 6.5 个样本。