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diff --git a/content/numerik_1.tex b/content/numerik_1.tex index 7721889..9934b22 100644 --- a/content/numerik_1.tex +++ b/content/numerik_1.tex @@ -485,16 +485,26 @@ Zu jeder Folge von Knoten $\{t_0^{(n)},\cdots,t_n^{(n)}\}_{n \in \N}$ in $[a,b]$ \section*{Splines} +Nachteile der Polynom-Interpolation bei einer größeren Anzahl von Knoten: + +\begin{enumerate} + \item Starke Oszillation des Polynoms + \item Konvergenz des Polynoms gegen die interpolierte Funktion ist nicht gewährleistet +\end{enumerate} + Sei $\Delta = \{t_0,\cdots,t_{l+1}\}$ ein Gitter paarweise verschiedener Knoten $a=t_0 < \cdots < t_{l+1} = b$. + $s \in \mathcal{C}^{k-2}(a,b)$ ist Spline der Ordnung $k \in \N$ bzgl. $\Delta$ wenn sie auf jedem Interval $[t_i,t_{i+1}]$ mit einem Polynom $s_i \in \Pi_{k-1}$ übereinstimmt. +\subsection*{Spline-Raum} + $S_{k,\Delta}$ ist Raum aller Splines der Ordnung $k$ bzgl. $\Delta$. Der Spline-Raum $S_{k,\Delta}$ ist ein reeller Vektorraum mit $\Pi_{k-1}[a,b] \subset S_{k,\Delta}$. Zusätzlich gilt auch $(t-t_i)_+^{k-1} \in S_{k,\Delta}$ -\subsection*{Abgebrochene Potenzen} +\subsubsection*{Abgebrochene Potenzen} Abgebrochene Potenzen vom Grad $k-1$: @@ -502,7 +512,7 @@ $$(t-t_i)_+^{k-1} := \begin{cases}(t-t_i)^{k-1} &: t \geq t_i \\ 0 &: t < t_i\en Für $t_i \in \Delta$, $i \neq l+1$ -\subsection*{Basis des Spline-Raumes} +\subsubsection*{Basis des Spline-Raumes} $$\mathcal{B} = \{1,t,\cdots,t^{k-1},(t-t_1)_+^{k-1},\cdots,(t-t_l)_+^{k-1}\}$$ @@ -526,7 +536,9 @@ Kubische Splines der Ordnung 4 eigenen sich für die Darstellung von Kurven, da \vspace{2mm} -Die Interpolationsbedingungen reichen zur eindeutigen Bestimmung eines interpolierenden Spline aus $S_{4,\Delta}$ nicht aus. Wegen $\dim(S_{4,\Delta}) - (l+2) = l+4-(l+2) = 2$ bleiben 2 Freiheitsgrade unbestimmt. +Die Interpolationsbedingungen reichen zur eindeutigen Bestimmung eines interpolierenden Spline aus $S_{4,\Delta}$ nicht aus. + +Wegen $\dim(S_{4,\Delta}) - (l+2) = l+4-(l+2) = 2$ bleiben zwei Freiheitsgrade unbestimmt. Eine zusätzliche Bedingung ist, dass der interpolierende kubische Spline die minimale Krümmung aller interpolierenden $\mathcal{C}^2$-Funktionen besitzen soll. @@ -556,17 +568,20 @@ Ist eine dieser Randbedingungen erfüllt, so ist $s$ eindeutig bestimmt. Ferner \subsubsection*{Momente von Splines} -$M_j = s''(t_j)$ für $j = 0, \cdots, l+1$ sind die Momente des Splines $s \in S_{4,\Delta}$. Aus diesen Momenten kann der Spline vollständig rekonstruiert werden. +Sei $h_{j+1} := t_{j+1} - t_j$ Länge von $[t_j,t_{j+1}]$. -Da $s_j := s|_{[t_j,t_{j+1}]}$ ein kubisches Polynom ist gilt für $s_j'' = s''|_{[t_j,t_{j+1}]}$: +$M_j = s''(t_j)$ für $j = 0, \cdots, l+1$ sind die Momente des Splines $s \in S_{4,\Delta}$. Aus den Momenten kann der Spline vollständig rekonstruiert werden. -$$s_j''(t) = M_j \frac{t_{j+1}-t}{h_{j+1}} + M_{j+1} \frac{t-t_j}{h_{j+1}}$$ +Da $s_j := s|_{[t_j,t_{j+1}]}$ kubisch ist gilt für $s_j'' = s''|_{[t_j,t_{j+1}]}$: -Hierbei ist $h_{j+1} := t_{j+1} - t_j$ die Länge des Teilintervalls $[t_j,t_{j+1}]$. -Zweimalige Intergration liefert an dieser Stelle $s_j$, die Integrationskonstanten lassen sich aus den Interpolationsbedingungen berechnen. +\begin{align*} +\hspace{-2mm} s_j''(t) &= M_j \frac{t_{j+1}-t}{h_{j+1}} + M_{j+1} \frac{t-t_j}{h_{j+1}} \\ +\hspace{-2mm} s_j'(t) &= -M_j \frac{(t_{j+1} - t)^2}{2h_{j+1}} + M_{j+1} \frac{(t-t_j)^2}{2h_{j+1}} + A_j \\ +\hspace{-2mm} s_j(t) &= M_j \frac{(t_{j+1} - t)^3}{6h_{j+1}} + M_{j+1} \frac{(t-t_j)^3}{6h_{j+1}} + A_j(t-t_j) + B_j +\end{align*} -\vfill +Die Integrationskonstanten $A_j$, $B_j$ lassen sich aus den Interpolationsbedingungen berechnen. \section*{Ein paar Matlab Grundlagen} |