4 Интерполяция функций одной и двух переменных

Помимо функций, заданных аналитически (т. е. с помощью элементарных функций, значения которых легко могут быть вычислены в любой точке области определения), на практике часто приходится иметь дело с таблично заданными функциями. В этом случае функция задается своими значениями на некотором дискретном множестве точек (узлов) из области определения. Если необходимо получить значение функции в какой-либо точке, не совпадающей с узлом, используют различные методы приближенного вычисления, которые основываются на некоторых априорных предположениях относительно этой функции. При этом сама процедура вычисления называется интерполяцией в случае, когда точка принадлежит заданной области, и экстраполяцией, если она лежит вне области.

В качестве предположений о характере дискретно заданной функции наиболее часто используемой и простой является то, что она кусочно- линейная, т. е. что в промежутках между узлами она ведет себя в соответствии с линейным законом. Тогда интерполяция называется линейной, и этот метод мы будем довольно часто применять в алгоритмах компьютерной графики.

Пусть на плоскости задана система координат и отрезокна оси, на концах которого заданы значениянекоторой линейной функции (Рисунок 4.3). Тогда для любой точкивнутри заданного отрезка соответствующее значениевычисляется по формулам

Рисунок 4.3.  Линейная интерполяция функции одной переменной

Обратимся теперь к задаче интерполяции функций двух переменных. В этом случае наиболее простой также является интерполяция по трем заданным точкам опять же с помощью кусочно-линейной функции. Пусть на плоскости задан треугольник с вершинами и заданы значения функции в этих точках. Тогда три точкиопределяют в пространстве треугольник, который является плоской фигурой. Предполагается, что площадь треугольника больше нуля, или, как говорят, треугольник невырожденный. Для определения значения функции в произвольной точке, лежащей внутри треугольника, воспользуемся так называемыми барицентрическими координатамиэтой точки. Геометрический смысл этих координат заключается в том, что они равны отношению площадей треугольников, изображенных на рисунке 4.4:

Рисунок 4.4.  Линейная интерполяция функции двух переменных

Эти числа неотрицательны и удовлетворяют следующим соотношениям:

Эти соотношения будем рассматривать как уравнения для нахождения чисел .

Определитель этой системы уравнений есть

и он по модулю равен удвоенной площади треугольника, поэтому , следовательно, система имеет единственное решение при любой правой части. Воспользуемся формулами Крамера и выпишем вид этого решения:

где

После того как получены барицентрические координаты точки , значение функции в ней рассчитывается по формуле

Существуют хорошо разработанные методы гладкой интерполяции функций. Особенно часто при интерполяции кривых и поверхностей используются сплайн-функции, которые гладко "склеиваются" из полиномов. Среди них следует выделить кубические сплайны, которые строятся из полиномов третьей степени. Они широко используются в инженерной геометрии благодаря простоте их вычисления и другим полезным свойствам. Мы их рассмотрим подробнее в последующих главах.