python数学建模 (2) 数值逼近问题

一维插值

应用场景

样本点是必须满足的(关键点不允许偏移)
经济学、气象,已经有一些数据,不想用微分方程,在论文里放图

线性插值与样条插值

import numpy as np
import pylab as pl
from scipy import interpolate
import matplotlib.pyplot as plt

x = np.linspace(0, 2*np.pi + np.pi/4, 10)
y = np.sin(x)  
x_new = np.linspace(0, 2*np.pi + np.pi/4, 100)
f_linear = interpolate.interp1d(x, y) #一维插值
tck = interpolate.splrep(x, y) #形成样条关系式
y_bspline = interpolate.splev(x_new, tck) #B样条
#可视化
plt.xlabel(u'ampere/A')


plt.ylabel(u'volt/V')
plt.plot(x, y, "o", label = u"The original data")
plt.plot(x_new, f_linear(x_new), label = u"Linear interpolation")
plt.plot(x_new, y_bspline, label = u"B-spline interpolation")
pl.legend()
pl.show()

高阶样条插值

#创建数据点集
import numpy as np
x = np.linspace(0, 10, 11)
y = np.sin(x)

#绘制数据点集
import pylab as pl
pl.figure(figsize = (12,9))
pl.plot(x, y, 'ro')

#根据kind创建interpld对象f、计算插值结果
xnew = np.linspace(0, 10, 101)
from scipy import interpolate
for kind in ['nearest', 'zero', 'linear', 'quadratic', 5]:
    f = interpolate.interp1d(x, y, kind = kind)
    ynew = f(xnew)
    pl.plot(xnew, ynew, label = str(kind))
pl.xticks(fontsize = 20)
pl.yticks(fontsize = 20)
pl.legend(loc = 'lower right')
pl.show()

扩大x的范围

5阶样条更加接近正弦曲线,但x范围更大以后5阶的龙格现象也越明显

二维插值

方法与一维数据插值类似,为二维样条插值

import numpy as np
from scipy import interpolate
import pylab as pl
import matplotlib as mpl

def func(x, y):
    return (x+y)*np.exp(-5.0*(x**2+y**2))

#X-Y轴分为15*15的网格
y, x = np.mgrid[-1:1:15j, -1:1:15j]

#计算每个网格点上函数值
fvals = func(x, y)

#三次样条二维插值
newfunc = interpolate.interp2d(x, y, fvals, kind = 'cubic')

#计算100*100网格上插值
xnew = np.linspace(-1, 1, 100)
ynew = np.linspace(-1, 1, 100)
np.meshgrid(xnew, ynew)
fnew = newfunc(xnew, ynew)

#可视化
#让imshow的参数interpolation设置为'nearest'方便比较插值处理
pl.subplot(121)
im1 = pl.imshow(fvals, extent = [-1, 1, -1, 1],
                cmap = mpl.cm.hot, interpolation='nearest', origin='lower')
pl.colorbar(im1)
pl.subplot(122)
im2 = pl.imshow(fnew, extent = [-1, 1, -1, 1], 
                cmap = mpl.cm.hot, interpolation='nearest', origin='lower')
pl.colorbar(im2)
pl.tight_layout()
pl.show()

二维插值的三维图

import numpy as np
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
from scipy import interpolate
import matplotlib as mpl
import matplotlib.cm as cm
import matplotlib.pyplot as plt

def func(x, y):
    return (x+y)*np.exp(-5.0*(x**2+y**2))

#X-Y轴分为20*20的网格
x = np.linspace(-1, 1, 20)
y = np.linspace(-1, 1, 20)
x, y = np.meshgrid(x, y)
fvals = func(x,y)

#画分图1
fig = plt.figure(figsize = (9,6))
ax = plt.subplot(1, 2, 1, projection = '3d')
surf = ax.plot_surface(x, y, fvals, rstride=2, cstride=2,
                       cmap=cm.coolwarm, linewidth=0.5, antialiased=True)
ax.set_xlabel('x')
ax.set_ylabel('y')
ax.set_zlabel('f(x,y)')
plt.colorbar(surf, shrink=0.5, aspect=5)    #添加颜色条标注

#二维插值
newfunc = interpolate.interp2d(x, y, fvals, kind='cubic')
#计算100*100网格上插值
xnew = np.linspace(-1, 1, 100)
ynew = np.linspace(-1, 1, 100)
fnew = newfunc(xnew, ynew)
xnew, ynew = np.meshgrid(xnew, ynew)
ax2 = plt.subplot(1, 2, 2, projection='3d')
surf2 = ax2.plot_surface(xnew, ynew, fnew, rstride=2, cstride=2,
                        cmap=cm.coolwarm, linewidth=0.5, antialiased=True)
ax2.set_xlabel('xnew')
ax2.set_ylabel('ynew')
ax2.set_zlabel('fnew(x,y)')
plt.colorbar(surf2, shrink=0.5, aspect=5)    #添加颜色条标注
plt.tight_layout()
plt.show()


左图的二维数据集的函数值由于样本较少,会显得粗糙。而右图对二维样本数据进行三次样条插值,拟合得到更多数据点的样本值,绘图后图像明显光滑多了

最小二乘拟合


import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.optimize import leastsq
plt.figure(figsize=(9,9))
X = np.array([8.19, 2.72, 6.39, 8.71, 4.7, 2.66, 3.78])
Y = np.array([7.01, 2.78, 6.47, 6.71, 4.1, 4.23, 4.05])

#计算以p为参数的直线与原始数据之间的误差
def f(p):
    k, b = p
    return (Y-(k*X+b))

#leastsq使得f的输出数组的平方和最小,参数初始值为[1,0]
r = leastsq(f, [1,0])
k, b = r[0]
plt.scatter(X, Y, s=100, alpha=1.0, marker='o', label = 'Data Points')
x = np.linspace(0, 10, 1000)
y = k*x + b
plt.plot(x, y, color='r', linewidth=5,
         linestyle=":", markersize=20, label = 'Fitting Curve')
plt.legend(loc=0, numpoints=1)
leg = plt.gca().get_legend()
ltext = leg.get_texts()
plt.setp(ltext, fontsize='xx-large')
plt.xlabel('Amphere/A', fontsize=20)
plt.ylabel('Volt/V', fontsize=20)
plt.xlim(0, x.max()*1.1)
plt.ylim(0, y.max()*1.1)
plt.xticks(fontsize=20)
plt.yticks(fontsize=20)
plt.legend(loc='upper left')    
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