- •2. Интерполяция кривых и поверхностей алгебраическими полиномами
- •2.1. Основные способы моделирования кривых. Интерполяция и аппроксимация
- •2.2. Интерполирование кривых с помощью алгебраических полиномов канонического вида
- •2.3. Интерполирование по однократным узлам. Интерполяционные многочлены Лагранжа и Ньютона
- •2.4. Интерполирование по двукратным узлам. Интерполяционные многочлены Эрмита
- •2.5. Интерполирование поверхностей
- •2.5.1. Интерполирование по однократным узлам. Билинейные поверхности
- •2.5.2. Интерполирование по двукратным узлам
2.5.2. Интерполирование по двукратным узлам
Рассмотрим интерполирование поверхностей по дву-кратным узлам. Допустим, на плоской прямоугольной сет-ке ( xi , уj ), (i = 0,1 ,..., n; j = 0,1 ,..., m) наряду со значениями координаты по оси z некоторой поверхности z (xi , уj ) = z i j заданы также значения её частных производных по x , у : zх (xi , уj ) = zхi j , zу (xi , уj ) = zуi j , а также смешанной производной zху (xi , уj ) = zхуi j .
Требуется построить квадратичную форму Н(x,у) ми-нимально возможной степени, для которой:
Н( xi , уj ) = z i j ; Hх (xi , уj ) = zхi j , Hу (xi , уj ) = zуi j ,
Нху (xi , уj ) = zхуi j (i = 0,1 ,..., n; j = 0,1 ,..., m) ,
т.е. в узлах сетки помимо значений заданной функции двух переменных z (x , у ) совпадают величины её частных и смешанной производных по x , у .
В скалярном виде искомую квадратичную форму можно представить как:
где hi (x), hj (y), Нi (x), Нi (y), Нj (x), Нj (y) – те же cпециальные функции, что и у полиномов Эрмита для двукратных узлов.
В векторном виде данная форма Эрмита может быть представлена следующим образом:
Нn,m (x,у) =H(x)Т ZH(y); (2.25)
65
где :
H(x)= ( h0 (x), . . . , hn (x),Н0 (x) , . . . , Нn (x));
H(y)= ( h0 (y), . . . , hm (y);Н0 (y) , . . . , Н m (y)).
Рассмотрим интерполирование в безразмерных нор- мированных координатах поверхностей по двукратным узлам на прямоугольном участке сетки [x0,x1][у0,y1]. В её граничных точках заданы значения функции z(x, у), её первые и смешанная производные. Переходя к безразмер-ным переменным tх=(x-x0)/hх и tу =(у-y0)/hy (где hх = x1 - x0 , hy = y1 -y0 ), и используя матрицу МЭ , решение для S(tx, ty) можно представить в виде:
S(tx, ty) = (MЭТ3х)Т Z (MЭТ3y), (2.26)
Тх3
и Ту3
- степенные векторы переменных tх
и
tу
.
66
Задачи.
1. Может ли билинейная поверхность быть представлена в виде квадратичной формы Лагранжа ?
2. Можно ли квадратичную форму Лагранжа, построенную по четырем точкам, представить в виде билинейной фор-мы?
3. Доказать, что линии уровня билинейной поверхности по обоим параметрам являются отрезками прямых. Найти их аналитические выражения.
4. Доказать, что линии уровня квадратичной формы Лагранжа, построенной по четырем точкам, являются отрезками прямых. Найти их аналитические выражения.
5. Найти выражения для функций Лагранжа и построить квадратичные формы для следующих случаев интерполи-рования поверхностей по однократным узлам:
а) n=1; х0 = 1 ; х1 = 2 ; m =2; y0 = 1 ; y1 = 2 ; y2 =3 ;
z0,0 = 1; z0,1 = 4 ; z0,2 = 5 ; z1,0 = 2 ; z1,1 = 3 ; z1,2 = 6 ;
б) n=2;х0 =-2 ; х1 = -1;х2 = 1; m =2; y0 = 1 ; y1 = 2 ; y2 =3 ;
z0,0 = -10; z0,1 = -6 ; z0,2 = z1,0 = -4 ; z1,1 = -2 ; z1,2 = 0 ; z2,0 = z2,1 = 1 ; z2,2 = 4.
6. Найти выражения для функций hi (x), Нi (x), hj(y), Нj (y) и построить квадратичные формы Эрмита для интерполиро-вания поверхностей по двукратным узлам:
а) n=1; х0 = 0 ; х1 = 2 ; m =2; y0 = - 1 ; y1 = 0 ; y2 =1 ;
z0,0 = 5; z0,1 = 3 ; z0,2 = 6 ; z1,0 = 8 ; z1,1 = 5 ; z1,2 = 7 ;
zх0,0 = 2; zх0,1 = 1 ; zх0,2 = 0 ; zх1,0 = 1 ; zх1,1 = 2 ; zх1,2 = 0 ;
zу0,0 = - 1; zу0,1 = 2 ; zу0,2 = 3 ; zу1,0 = - 2 ; zу1,1 = 1 ; zу1,2 = 3 ;
б) n=2; х0 = -2; х1 = -1 ; х2 =1; m =2; y0 = 0; y1 = 1; y2 =2 ;
z0,0 = -8; z0,1 = -10 ; z0,2 = z1,0 = -7 ; z1,1 = -5 ; z1,2 = -2 ; z2,0 = -5 ; z2,1 = -2 ; z2,2 =1 ;
zх0,0 = 0; zх0,1 = 1 ; zх0,2 = 2 ; zх1,0 = 1 ; zх1,1 = 2 ; zх1,2 = zх2,0 = 1 ; zх2,1 = zх2,2 = 2 ;
zу0,0 = -1; zу0,1 =1 ; zу0,2 =3 ; zу1,0 = 0 ; zу1,1 =1 ; zу1,2 =0 ; zу2,0 = zу2,1 =1 ; zу2,2 =2.
67
