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三次样条插值(Cubic Spline Interpolation)及代码实现(C语言)

c语言实现样条曲线插补

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

image

 
 
1.1 定义

样条曲线image 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image (i = 0, 1, …, n-1,x递增), image 都是一个三次多项式。

b. 满足image (i = 0, 1, …, n )

c. image ,导数image ,二阶导数image 在[a, b]区间都是连续的,即image曲线是光滑的。

所以n个三次多项式分段可以写作:

image ,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:

image, 其中 i = 0, 1, …, n-1

微分连续性:

image , 其中 i = 0, 1, …, n-2

样条曲线的微分式:

imageimage

 

将步长 带入样条曲线的条件:

a. 由image (i = 0, 1, …, n-1)推出

image 

b. 由image (i = 0, 1, …, n-1)推出

image

c. 由 image (i &#

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