数学建模【插值与拟合】

一、插值与拟合简介

在数学建模过程中，通常要处理由试验、测量得到的大量数据或一些过于复杂而不便于计算的函数表达式，针对此情况，很自然的想法就是，构造一个简单的函数作为要考察数据或复杂函数的近似。插值和拟合就可以解决这样的问题。

给定一组数据，需要确定满足特定要求的曲线，如果所求曲线通过所给定有限个数据点，这就是插值。有时由于给定的数据存在测量误差，往往具有一定的随机性。因而，要求曲线通过所有数据点不现实也不必要。如果不要求曲线通过所有数据点，而是要求它反映对象整体的变化态势，得到简单实用的近似函数，这就是曲线拟合。

插值和拟合都是根据组数据构造一个近似函数， 但由于近似的要求不同，二者在数学方法上是完全不同的。而面对个实际问题，究竞应该用插值还是拟合，有时容易确定，有时并不明显。

由于插值和拟合是一种手段，并无绝对的适用赛题，也并不算是一种模型，故本篇没有适用赛题、模型流程、流程解析部分。后面将重于使用，分别介绍插值和拟合的操作。

二、插值

1.一维插值

①基本概念

已知未知函数在n+1个互不相同的观测点x0<x1<...<xn处的函数值(或观测值)：

yi = f(xi) , i = 0, 1, ..., n

寻求一个近似函数（即近似曲线）中φ(x) ，使之满足

φ(xi) = yi, i = 0, 1, ..., n

即求一条近似曲线φ(x)，使其通过所有数据点(xi, yi)  i = 0, 1, ..., n

对任意非观测点X(X ≠ xi, i = 0,1, ..., n)，要估计该点的函数值f(X)，就可以用φ(X)的值作为f(X)的近似估计值，即φ(X) ≈ f(X)。通常称此类建模问题为插值问题，而构造近似函数的方法就称为插值方法。

观测点xi(i = 0, 1, ..., n)称为插值节点，f(x)称为被插函数或原函数，φ(x)为插值函数，φ(xi) = yi称为插值条件，含xi(i = 0, 1, ..., n)的最小区间[a, b](a = min{xi}, b = max{xi})称为插值区间，X称为插值点，φ(X)为被插函数f(x)在X ∈ [a, b] 点处的插值。

这里对于多项式插值，拉格朗日插值、牛顿插值等方法理论部分不做介绍，有兴趣的同学自行查阅。

②函数使用

Ⅰinterp1函数

MATLAB中一维函数interp1的调用格式为

vq = interp1(x0, y0, xq, method, extrapolation)

• x0：已知的插值节点

• y0：对应x0的函数值

• xq：欲求函数值的节点坐标

• vq：求得的节点xq处的函数值

• method：指定插值的方法，默认为线性插值。其值常用的有：

MATLAB2020A不提倡使用函数interp1，建议使用函数griddedInterpolant。

ⅡgriddedInterpolant函数

函数griddedInterpolant适用于任意维数的插值。

一维插值的调用格式为

F = griddedInterpolant(x, v, method, extrapolation)

计算对应的函数值的使用格式为

vq = F(xq)

n维插值的调用格式为

F = griddedInterpolant(x1, x2,..., xn, v, method, extrapolation)

计算对应的函数值的使用格式为

vq = F(xq1, xq2,..., xqn)

Ⅲcsape三次样条插值函数

三次样条插值还可以使用函数ecsape，csape的返回值是pp形式。求插值点的函数值，调用函数fnval。

pp = csape(x0, y0)使用默认的边界条件，即拉格朗日边界条件。

pp = csape(x0, y0, conds, valconds)中的conds指定插值的边界条件，详细见官网

利用pp结构的返回值，还可以计算返回值函数的导数和积分，命令分别为fnder，fnint，这两个函数的返回值还是pp结构。

2.二维插值

①基本概念

二维插值的基本概念和一维差不多，只不过曲线变成了曲面而已，不做赘述。

②网格数据的插值

已知m×n个节点(xi, yi, zij)(i = 1, 2,.., m; j = 1, 2, ..., n)，且x1 <...< xm; y1 < ...< yn。求点(x, y)处的插值z。

Ⅰinterp2函数

z = interp2(x0, y0, z0, x, y, 'method')

• x0，y0：m维和n维向量，表示插值节点

• z0：n×m矩阵，表示对应插值节点函数值

• x，y：一维数组，表示插值点。x与y应是方向不同的向量，即一个是行向量，另一个是列向量

• z：矩阵，行数为y的维数，列数为x的维数，表示得到的插值

• method：用法同上面的一维插值

如果是三次样条插值，可以使用函数griddedInterpolant和csape。函数girddedInterpolant前面已经介绍过。

Ⅱcsape函数

pp = csape({x0, y0}, z0, conds, valconds);
z = fnval(pp, {x, y})

• x0，y0：分别为m维和n维向量

• z0：m×n矩阵

• z：矩阵，行数为y的维数，列数为x的维数，表示得到的插值

③散乱数据的插值

已知n个插值节点(xi, yi, zi)(i =1, 2, ..., n)，求点(x, y)处的插值z。

Ⅰgriddata函数

函数griddata的调用格式为

ZI = griddata(x, y, z, XI, YI)

• x，y，z：均为n维向量，指明所给数据点的横坐标、纵坐标和竖坐标

• XI，YI：给定的网格点的横坐标和纵坐标

• ZI：网格(XI, YI)处的函数值。XI与YI应是方向不同的向量，即一个是行向量，另一个是列向量

ⅡscatteredInterpolant函数

函数scatteredInterpolant的调用格式为

Fz = scatteredInterpolant(x0, y0, z0, Method, ExtrapolationMethod);

• 返回值Fz是结构数组，相当于给出了插值函数的表达式

• x0，y0，z0：分别为已知n个点的x，y，z坐标
• Method：插值方法
• ExtrapolationMethod：区域外部节点的外插方法

要计算插值点(x, y)处的值，调用Fz即可

z = Fz(x, y);

三、拟合

1.线性最小二乘法

①解线性方程组拟合参数

要拟合等式中的参数a1, a2, ..., am，把观测值代入等式，得到线性方程组

RA = Y

则A = pinv(R) * Y或简化格式A = R \ Y

②约束线性最小二乘解

在最小二乘意义下解约束线性方程组

即求解数学规划问题

求解上述问题调用函数lsqlin

x = lsqlin(C, d, A, b, Aeq, beq, lb, ub);

③多项式拟合

多项式拟合的函数为polyfit，调用格式为

p = polyfit(x, y, n) % 拟合n次多项式，返回值p是多项式对应的系数，排列次序为从高次幂系数到低次幂系数

计算多项式p在x处的函数值

y = polyval(p, x);

2.fittype和fit函数

函数fit需要和函数fittype配合使用，fittype用于定义拟合的函数类，fit进行函数拟合。fit既可以拟合一元或二元线性函数，也可以拟合一元或二元非线性函数。 这里介绍这两个函数的调用格式。

fittype的调用格式为

aFittype = fittype(libraryModeName) % 利用库模型定义函数类
aFittype = fittype(expression, Name, Value) % 利用字符串定义函数类
aFittype = fittype(linearModeTerm, Name, Value) % 利用基函数的线性组合定义函数类
aFittype = fittype(anonymousFunction, Name, Value) % 利用匿名函数定义函数类

函数fit的调用格式为

​fitobject = fit(x, y, aFittype) % x和y分别为自变量和因变量的观测值列向量，返回值fitobject为拟合函数的信息
fitobject = fit([x, y], z, aFittype) % [x, y]为自变量的观测值的两列矩阵，z为因变量的观测值列向量，这里是拟合二元函数
[fitobject, gof] = fit(x, y, aFittype, Name, Value) % 返回值gof为结构数组，给出了模型的一些检验统计量

3.非线性拟合

MATLAB非线性拟合的主要函数有fit和lsqcurvefit，fit函数使用很方便，但只能拟合一元和二元函数，lsqcurvefit可以拟合任意多个自变量的函数，并且可以约束未知参数的上界和下界，下面用例子讲解。

①fit函数

用下表数据拟合函数

xy0 = d([1, 2], :)';
z0 = d(3, :)';
g = fittype('a * exp(b * x) + C*y^2', 'dependent' ,'z' , 'independent', {'x', 'y'});
[f, st] = fit(xy0, z0, g, 'StartPoint', rand(1,3));

求得z=6.193e的0.04353x次方+0.3995y²

拟合优度R² = 0.9995，拟合的剩余标准差RMSE = 0.2970，拟合效果很好。

②lsqcurvefit函数

要拟合函数y = f(θ, x)，给定x的观测值xdata，y的观测值ydata，求参数向量θ，使得误差平方和最小。

lsqcurvefit函数的调用格式为

theta = lsqcurvefit(fun, theta0, xdata, ydata, lb, ub, options)

• fun：定义函数f(θ, x)的M函数或匿名函数
• thata0：θ初始值
• lb，ub：参数θ的下界和上界
• options：设置计算过程的一些算法
• theta：拟合参数θ的值

本篇只是很浅显地介绍了各个函数，每个函数的具体用法和参数设置有兴趣的同学可以到官网查询。如果对其中原理理论部分感兴趣也可以查文献搜索。