分段三次hermite插值
本帖最后由 久病成欢 于 2015-10-13 08:55 编辑% 这是MATLAB里面的pchip.m文件，这里把它的注释改写成汉语，主要是想弄清楚它是怎么计算在节点处的导数的。
function v = pchip(x,y,xx)
%输入：n个插值节点的纵坐标向量x；横坐标向量y；插值点xx。
%输出：分段三次Hermite插值结果。
% PCHIPPiecewise Cubic Hermite Interpolating Polynomial.
% PP = PCHIP(X,Y)为X处的值Y提供了一种特定的保形分段三次厄尔米特插值（shape-preserving piecewise cubic Hermite interpolant）
% 的分段多项式形式，在后面的PPVAL和样条功能UNMKPP（spline utility UNMKPP）将用到这个函数。
% X必须是个向量。
% 如果Y是个向量，则Y的第j个元素Y(j)被取为和X的第j个元素X(j)匹配的值，因此Y和X的长度必须一样。
% 如果Y是一个矩阵，或者N维数组，则Y(:,...,:,j)被取为和X(j)相匹配的值，因此Y的最后一维必须等于length(X).
% YY = PCHIP(X,Y,XX)和YY = PPVAL(PCHIP(X,Y),XX)是一样的,因此在YY中给出了在XX处的插值。
% PCHIP插值函数p(x)满足:
% 在每个子区间X(k) <= x <= X(k+1),p(x)都是三阶Hermite插值多项式（给定插值点和两个端点的斜率）。
% 因而，p(x) interpolates Y,也就是说，p(X(j)) = Y(:,j),并且一阶导数Dp(x)是连续的，但是
% 二阶导数D^2p(x)可能不是连续的;在X(j)处可能会出现跳跃.
% 在X(j)处的斜率的选取方法，确保了p(x)是"shape preserving"和"respects monotonicity"的，
% 这意味着，在那些数据是单调的区间里，p(x)也是单调的；在那些数据是局部极值（local extremum）的点，
% p(x)也取局部极值。
%
%PCHIP与SPLINE的对比:
% SPLINE提供的函数s(x)的构建方法和PCHIP里面的函数p(x)完全相同，只不过在X(j)处的斜率的选择方法不一样，
% SPLINE函数的s(x)在X(j)的二阶导数D^2s(x)也是连续的，这导致了如下结果：
% SPLINE更加光滑，也就是说，D^2s(x)是连续的。
% 如果数据是一个光滑函数的值，则SPLINE更加精确。
% 如果数据不是光滑的，则PCHIP没有overshoots，也不太震荡（less oscillation）。
% PCHIP建立的难度较小（is less expensive to set up）.
% 这两种函数估计的难度是一样的。
% 样条比pchip光滑，样条的两阶导数连续，而pchip一阶导数连续。不连续的两阶导数隐含着不连续的曲率。人的眼睛可以检测出图形上曲率的不连续。另一方面，pchip是保形状的，而样条不一定保形状。
%
% 例子:
% x = -3:3;
% y = [-1 -1 -1 0 1 1 1];
% t = -3:.01:3;
% plot(x,y,'o',t,)
% legend('data','pchip','spline',4)
%
% Class support for inputs x, y, xx:
% float: double, single
%
% 还可参见INTERP1, SPLINE, PPVAL, UNMKPP.
% 参考文献:
% F. N. Fritsch and R. E. Carlson, "Monotone Piecewise Cubic
% Interpolation", SIAM J. Numerical Analysis 17, 1980, 238-246.
% David Kahaner, Cleve Moler and Stephen Nash, Numerical Methods
% and Software, Prentice Hall, 1988.
%
% Copyright 1984-2004 The MathWorks, Inc.
% $Revision: 1.7.4.4 [ DISCUZ_CODE_2 ]nbsp; $Date: 2004/03/02 21:47:53 $
% 检验数据的可接受性，如果不可接受，则对其进行适当的调整
= chckxy(x,y); %chckxy返回三个变量：x,y,和sizey。但是不知道chckxy是什么意思。
n = length(x); %n为向量x的长度。也就是后面要用的节点数目。
h = diff(x); %diff表示把向量x的相邻元素相减。得到h=
m = prod(sizey); %
%确保插值点是实数
if nargin==3 && any(~isreal(reshape(xx,numel(xx),1)))
error('MATLAB:pchip:ComplexInterpPts',...
'The interpolation points should be real.')
end
%计算斜率
del = diff(y,1,2)./repmat(h,m,1);
% diff(y,n,dim)是在标量dim指定的维度上进行n次差分。如果阶数n等于或超过第dim维的长度，则diff返回一个空的数组。
% 例如y=;则diff(y,1,2)=;
% repmat(h,m,1)把矩阵h在纵向方面复制m次。二者相除就是一阶差商。
slopes = zeros(size(y)); % 设定一个全是0的向量，准备存放斜率数值。
for r = 1:m
slopes(r,:) = pchipslopes(x,y(r,:),del(r,:)); %调用函数见下。
end
% 对上述值x,y,和斜率计算分段三次Hermite插值
v = pwch(x,y,slopes,h,del); v.dim = sizey;
if nargin == 3 % if values are wanted instead, provide them
v = ppval(v,xx);
end
% 下面是计算节点处的斜率的函数pchipslopes------------------------------------------
function d = pchipslopes(x,y,del)
%PCHIPSLOPES Derivative values for shape-preserving Piecewise Cubic Hermite Interpolation.
% d = pchipslopes(x,y,del)计算一阶导数d(k)=P'(x(k)).
% 特殊情况：n=2,此时使用线性插值.
n = length(x);
if n==2
d = repmat(del(1),size(y));
return
end
%内点（interior points）处的斜率.
%如果第k个节点处的左右差商del(k-1)和del(k)符号相同，则设定d(k)等于二者的加权平均。
%如果第k个节点处的左右差商del(k-1)和del(k)符号相反，或者其中一个为0，则设定d(k)=0.
d = zeros(size(y));
if isreal(del) %如果del是实数。
k = find(sign(del(1:n-2)).*sign(del(2:n-1)) > 0); %则把其左右差商同号的那个序号赋值给k.
else
k = find(~(del(1:n-2) == 0 & del(2:n-1) == 0));
end
h = diff(x);
hs = h(k)+h(k+1);
w1 = (h(k)+hs)./(3*hs);
w2 = (hs+h(k+1))./(3*hs);
dmax = max(abs(del(k)), abs(del(k+1)));
dmin = min(abs(del(k)), abs(del(k+1)));
d(k+1) = dmin./conj(w1.*(del(k)./dmax) + w2.*(del(k+1)./dmax));
%函数congj(a)返回数组a的每个元素的共轭复数组成的数组。
%区间端点处的斜率（end points）.
%Set d(1) and d(n) via non-centered, shape-preserving three-point formulae.
d(1) = ((2*h(1)+h(2))*del(1) - h(1)*del(2))/(h(1)+h(2));
if isreal(d) && (sign(d(1)) ~= sign(del(1)))
d(1) = 0;
elseif (sign(del(1)) ~= sign(del(2))) && (abs(d(1)) > abs(3*del(1)))
d(1) = 3*del(1);
end
d(n) = ((2*h(n-1)+h(n-2))*del(n-1) - h(n-1)*del(n-2))/(h(n-1)+h(n-2));
if isreal(d) && (sign(d(n)) ~= sign(del(n-1)))
d(n) = 0;
elseif (sign(del(n-1)) ~= sign(del(n-2))) && (abs(d(n)) > abs(3*del(n-1)))
d(n) = 3*del(n-1);
end
谢谢分享相关代码
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