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。
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:
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:
微分连续性:
样条曲线的微分式:
将步长 带入样条曲线的条件: