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58. interpol


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58.1 Introducción a interpol

El paquete interpol desarrolla los métodos de interpolación polinómica de Lagrange, lineal y de splines cúbicos.

Para comentarios, fallos o sugerencias, contactar con 'mario ARROBA edu PUNTO xunta PUNTO es'.


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58.2 Funciones y variables para interpol

Función: lagrange (points)
Función: lagrange (points, option)

Calcula el polinomio de interpolación por el método de Lagrange. El argumento points debe ser:

En los dos primeros casos los pares se ordenan con respecto a la primera coordenada antes de proceder a los cálculos.

Mediante el argumento option es posible seleccionar el nombre de la variable independiente, que por defecto es 'x; para definir otra, escríbase algo como varname='z.

Téngase en cuenta que cuando se trabaja con polinomios de grado alto, los cálculos con números decimales en coma flotante pueden ser muy inestables.

Véanse también linearinterpol, cspline y ratinterpol.

Ejemplos:

(%i1) load(interpol)$
(%i2) p:[[7,2],[8,2],[1,5],[3,2],[6,7]]$
(%i3) lagrange(p);
       (x - 7) (x - 6) (x - 3) (x - 1)
(%o3)  -------------------------------
                     35
   (x - 8) (x - 6) (x - 3) (x - 1)
 - -------------------------------
                 12
   7 (x - 8) (x - 7) (x - 3) (x - 1)
 + ---------------------------------
                  30
   (x - 8) (x - 7) (x - 6) (x - 1)
 - -------------------------------
                 60
   (x - 8) (x - 7) (x - 6) (x - 3)
 + -------------------------------
                 84
(%i4) f(x):=''%;
               (x - 7) (x - 6) (x - 3) (x - 1)
(%o4)  f(x) := -------------------------------
                             35
   (x - 8) (x - 6) (x - 3) (x - 1)
 - -------------------------------
                 12
   7 (x - 8) (x - 7) (x - 3) (x - 1)
 + ---------------------------------
                  30
   (x - 8) (x - 7) (x - 6) (x - 1)
 - -------------------------------
                 60
   (x - 8) (x - 7) (x - 6) (x - 3)
 + -------------------------------
                 84
(%i5) /* Evaluate the polynomial at some points */
      expand(map(f,[2.3,5/7,%pi]));
                                  4          3           2
                    919062  73 %pi    701 %pi    8957 %pi
(%o5)  [- 1.567535, ------, ------- - -------- + ---------
                    84035     420       210         420
                                             5288 %pi   186
                                           - -------- + ---]
                                               105       5
(%i6) %,numer;
(%o6) [- 1.567535, 10.9366573451538, 2.89319655125692]
(%i7) load(draw)$  /* load draw package */
(%i8) /* Plot the polynomial together with points */
      draw2d(
        color      = red,
        key        = "Lagrange polynomial",
        explicit(f(x),x,0,10),
        point_size = 3,
        color      = blue,
        key        = "Sample points",
        points(p))$
(%i9) /* Change variable name */
      lagrange(p, varname=w);
       (w - 7) (w - 6) (w - 3) (w - 1)
(%o9)  -------------------------------
                     35
   (w - 8) (w - 6) (w - 3) (w - 1)
 - -------------------------------
                 12
   7 (w - 8) (w - 7) (w - 3) (w - 1)
 + ---------------------------------
                  30
   (w - 8) (w - 7) (w - 6) (w - 1)
 - -------------------------------
                 60
   (w - 8) (w - 7) (w - 6) (w - 3)
 + -------------------------------
                 84
Función: charfun2 (x, a, b)

Devuelve true si el número x pertenece al intervalo [a, b), y false en caso contrario.

Función: linearinterpol (points)
Función: linearinterpol (points, option)

Calcula rectas de interpolación. El argumento points debe ser:

En los dos primeros casos los pares se ordenan con respecto a la primera coordenada antes de proceder a los cálculos.

Mediante el argumento option es posible seleccionar el nombre de la variable independiente, que por defecto es 'x; para definir otra, escríbase algo como varname='z.

Véanse también lagrange, cspline y ratinterpol.

Ejemplos:

(%i1) load(interpol)$
(%i2) p: matrix([7,2],[8,3],[1,5],[3,2],[6,7])$
(%i3) linearinterpol(p);
        13   3 x
(%o3)  (-- - ---) charfun2(x, minf, 3)
        2     2
 + (x - 5) charfun2(x, 7, inf) + (37 - 5 x) charfun2(x, 6, 7)
    5 x
 + (--- - 3) charfun2(x, 3, 6)
     3

(%i4) f(x):=''%;
                13   3 x
(%o4)  f(x) := (-- - ---) charfun2(x, minf, 3)
                2     2
 + (x - 5) charfun2(x, 7, inf) + (37 - 5 x) charfun2(x, 6, 7)
    5 x
 + (--- - 3) charfun2(x, 3, 6)
     3
(%i5)  /* Evaluate the polynomial at some points */
       map(f,[7.3,25/7,%pi]);
                            62  5 %pi
(%o5)                 [2.3, --, ----- - 3]
                            21    3
(%i6) %,numer;
(%o6)  [2.3, 2.952380952380953, 2.235987755982989]
(%i7) load(draw)$  /* load draw package */
(%i8)  /* Plot the polynomial together with points */
       draw2d(
         color      = red,
         key        = "Linear interpolator",
         explicit(f(x),x,-5,20),
         point_size = 3,
         color      = blue,
         key        = "Sample points",
         points(args(p)))$
(%i9)  /* Change variable name */
       linearinterpol(p, varname='s);
       13   3 s
(%o9) (-- - ---) charfun2(s, minf, 3)
       2     2
 + (s - 5) charfun2(s, 7, inf) + (37 - 5 s) charfun2(s, 6, 7)
    5 s
 + (--- - 3) charfun2(s, 3, 6)
     3
Función: cspline (points)
Función: cspline (points, option1, option2, ...)

Calcula el polinomio de interpolación por el método de los splines cúbicos. El argumento points debe ser:

En los dos primeros casos los pares se ordenan con respecto a la primera coordenada antes de proceder a los cálculos.

Esta función dispone de tres opciones para acomodarse a necesidades concretas:

Véanse también lagrange, linearinterpol y ratinterpol.

Ejemplos:

(%i1) load(interpol)$
(%i2) p:[[7,2],[8,2],[1,5],[3,2],[6,7]]$
(%i3) /* Unknown first derivatives at the extremes
         is equivalent to natural cubic splines */
      cspline(p);
              3         2
        1159 x    1159 x    6091 x   8283
(%o3)  (------- - ------- - ------ + ----) charfun2(x, minf, 3)
         3288      1096      3288    1096
            3         2
      2587 x    5174 x    494117 x   108928
 + (- ------- + ------- - -------- + ------) charfun2(x, 7, inf)
       1644       137       1644      137
          3          2
    4715 x    15209 x    579277 x   199575
 + (------- - -------- + -------- - ------) charfun2(x, 6, 7)
     1644       274        1644      274
            3         2
      3287 x    2223 x    48275 x   9609
 + (- ------- + ------- - ------- + ----) charfun2(x, 3, 6)
       4932       274      1644     274

(%i4) f(x):=''%$
(%i5) /* Some evaluations */
      map(f,[2.3,5/7,%pi]), numer;
(%o5) [1.991460766423356, 5.823200187269903, 2.227405312429507]
(%i6) load(draw)$  /* load draw package */
(%i7) /* Plotting interpolating function */
      draw2d(
        color      = red,
        key        = "Cubic splines",
        explicit(f(x),x,0,10),
        point_size = 3,
        color      = blue,
        key        = "Sample points",
        points(p))$
(%i8) /* New call, but giving values at the derivatives */
      cspline(p,d1=0,dn=0);
              3          2
        1949 x    11437 x    17027 x   1247
(%o8)  (------- - -------- + ------- + ----) charfun2(x, minf, 3)
         2256       2256      2256     752
            3          2
      1547 x    35581 x    68068 x   173546
 + (- ------- + -------- - ------- + ------) charfun2(x, 7, inf)
        564       564        141      141
         3          2
    607 x    35147 x    55706 x   38420
 + (------ - -------- + ------- - -----) charfun2(x, 6, 7)
     188       564        141      47
            3         2
      3895 x    1807 x    5146 x   2148
 + (- ------- + ------- - ------ + ----) charfun2(x, 3, 6)
       5076       188      141      47
(%i8) /* Defining new interpolating function */
      g(x):=''%$
(%i9) /* Plotting both functions together */
      draw2d(
        color      = black,
        key        = "Cubic splines (default)",
        explicit(f(x),x,0,10),
        color      = red,
        key        = "Cubic splines (d1=0,dn=0)",
        explicit(g(x),x,0,10),
        point_size = 3,
        color      = blue,
        key        = "Sample points",
        points(p))$
Función: ratinterpol (points, numdeg)
Función: ratinterpol (points, numdeg, option1)

Genera el interpolador racional para los datos dados por points y con grado numdeg en el numerador; el grado del denominador se calcula automáticamente. El argumento points debe ser:

En los dos primeros casos los pares se ordenan con respecto a la primera coordenada antes de proceder a los cálculos.

Esta función dispone de una opción para acomodarse a necesidades concretas:

Véanse también lagrange, linearinterpol, cspline, minpack_lsquares y lbfgs.

Ejemplos:

(%i1) load(interpol)$
(%i2) load(draw)$
(%i3) p:[[7.2,2.5],[8.5,2.1],[1.6,5.1],[3.4,2.4],[6.7,7.9]]$
(%i4) for k:0 thru length(p)-1 do                                     
        draw2d(
          explicit(ratinterpol(p,k),x,0,9),                      
          point_size = 3,                                        
          points(p),                                             
          title = concat("Grado del numerador = ",k),            
          yrange=[0,10])$

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