三次样条插值(Cubic Spline Interpolation)

三次样条插值(Cubic Spline Interpolation)

 

样条插值是一种工业设计中常用的、得到平滑曲线的一种插值方法，三次样条又是其中用的较为广泛的一种。本篇介绍力求用容易理解的方式，介绍一下三次样条插值的原理，并附C语言的实现代码。

1. 三次样条曲线原理

假设有以下节点

 

 

1.1 定义

样条曲线 是一个分段定义的公式。给定n+1个数据点，共有n个区间，三次样条方程满足以下条件：

a. 在每个分段区间 （i = 0, 1, …, n-1，x递增），  都是一个三次多项式。

b. 满足 （i = 0, 1, …, n ）

c.  ，导数 ，二阶导数 在[a, b]区间都是连续的，即曲线是光滑的。

所以n个三次多项式分段可以写作：

 ，i = 0, 1, …, n-1

其中ai, bi, ci, di代表4n个未知系数。

1.2 求解

已知:

a. n+1个数据点[xi, yi], i = 0, 1, …, n

b. 每一分段都是三次多项式函数曲线

c. 节点达到二阶连续

d. 左右两端点处特性（自然边界，固定边界，非节点边界）

根据定点，求出每段样条曲线方程中的系数，即可得到每段曲线的具体表达式。

 

插值和连续性：

, 其中 i = 0, 1, …, n-1

微分连续性：

 , 其中 i = 0, 1, …, n-2

样条曲线的微分式：

 

将步长 带入样条曲线的条件：

a. 由 (i = 0, 1, …, n-1)推出

 

b. 由 (i = 0, 1, …, n-1)推出

c. 由  (i = 0, 1, …, n-2)推出

d. 由  (i = 0, 1, …, n-2)推出

 

设 ，则

a.  可写为：

 ，推出

b. 将ci, di带入  可得：

 

c. 将bi, ci, di带入 (i = 0, 1, …, n-2)可得：

 

端点条件

由i的取值范围可知，共有n-1个公式， 但却有n+1个未知量m 。要想求解该方程组，还需另外两个式子。所以需要对两端点x0和xn的微分加些限制。 选择不是唯一的，3种比较常用的限制如下。

a. 自由边界(Natural)

首尾两端没有受到任何让它们弯曲的力，即 。具体表示为 和 

则要求解的方程组可写为：

 

 

b. 固定边界(Clamped)

首尾两端点的微分值是被指定的，这里分别定为A和B。则可以推出

将上述两个公式带入方程组，新的方程组左侧为

c. 非节点边界(Not-A-Knot)

指定样条曲线的三次微分匹配，即

根据 和 ，则上述条件变为

新的方程组系数矩阵可写为：

 

 

右下图可以看出不同的端点边界对样条曲线的影响：

 

1.3 算法总结

假定有n+1个数据节点

a. 计算步长 (i = 0, 1, …, n-1)

b. 将数据节点和指定的首位端点条件带入矩阵方程

c. 解矩阵方程，求得二次微分值。该矩阵为三对角矩阵，具体求法参见我的上篇文章：三对角矩阵的求解。

d. 计算样条曲线的系数：

其中i = 0, 1, …, n-1

e. 在每个子区间 中，创建方程

 

2. 例子

以y=sin(x)为例,  x步长为1，x取值范围是[0,10]。对它使用三次样条插值，插值前后对比如下：