Rekonstruktion kontinuierlicher Daten Interpolation 1D. Prof. U. Rüde - Algorithmik kontinuierlicher Systeme
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- Guido Kranz
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1 Algorhmk kouerlcher Syseme Rekosruko kouerlcher Dae Ierpolao D SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme
2 Movao Rekosruko kouerlcher Dae aus dskree Dae Kouerlche Dae Dgalserug Dskree Dae Daeverarbeug Verarbeug m Recher Dskree Dae Rekosruko Kouerlche Dae SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme
3 Zwschefaz Lokale Verfahre vs. globale Verfahre Lokale Verfahre eares eghhbor : useg, Oh lear: seg, Oh Camull-Rom: gla dff.-bar, C, Oh 3 kubsche Sples: gla dff.-, bar, C, Oh 4 Schäze vo Ableuge : vorwärs, rückwärs, zeral Recheaufwad: Aufwad für Suche der Res s O Globale Verfahre Polyomerpolao -Sple-Ierpolao SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 3
4 Polyomerpolao Polyome vom Grad - blde ee -dmesoale Vekorraum. X P spa,,,..., c Polyome werde der Iformak sehr gere verwede, wel dere Auswerug für Compuer efach s Horerschema s.u. - m Gegesaz zu adere mahemasche Fukoe. Polyome werde deshalb häufg zur Appromao aderer komplzererer Fukoe egesez à Taylorewcklug De Taylorbass oder Moombass obe s ur ee Möglchke de Polyomraum darzuselle - Varae späer. Taylorbass Moombass SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 4
5 Ierpolao m Polyome D Ierpolao: vo der zu appromerede Fuko werde ur Were a wege Süzselle verwede, de Were dazwsche werde durch e Polyomerpolao bereche. Werde ur de Puke selbs verwede, sprch ma vo Lagrage- Ierpolao. Werde zusäzlche auch Iformaoe über de Rchuge Ableug der Fuko verwede, da sprch ma vo Herme-Ierpolao bzw. vo Ierpolao m doppele Süzselle. Lagrage Ierpolao Herme Ierpolao SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 5
6 SS 7 Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme Ierpolao D Für de Lagrage-Polyomerpolae sd gegebe: Süzselle {,,..., } Süzwere { y, y,..., y } E Polyom erpoler dese Were sofer p y,, p y das heß: 6 Polyomerpolao c p y c p y c p y c p!
7 SS 7 Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme Ierpolao D p c c... c - - egesez de Ierpolaosbedguge führ auf e leares Glechugssysem m Glechuge für de ubekae Koeffzee c. A heß Vadermode-Mar, Vadermode-Deermae 7 Polyomerpolao: Vadermode de < k j j k A! y c A y y y c c c " %$# " &&& & # && %& $ ' " " " ' '
8 De Mar A s de sogeae Vadermode-Mar. Se s quadrasch, voll besez, ch sgulär sofer j aber scho be moderaem ud äqudsae Süzselle sehr schlech kodoer κa Vadermode E 4.468E.455E E E E9 SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 8
9 Polyomerpolao: Vadermode Das Sysem A c y s edeug lösbar, da dea : Folgerug: Zu Süzselle gb es e edeug besmmes Ierpolaospolyom vom Grad - Ma löse das Glechugssysem A c y m der Vadermodemar A z.. m LR-Zerlegug oder Gauss-Elmao Aufwad O 3 Numersch sehr problemasch da schlech kodoer Gb s, de da chs besseres? SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 9
10 erechug des Polyom-Ierpolae O Operaoe Dvde-e-Impera Asaz Rekurso We köe es gehe? p erpoler,,..., k q erpoler k, k,..., k Fp,q erpoler,,..., k, k, k,..., k So geh es leder ch! Es wäre zu schö gewese SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme
11 Herleug eer Rekursosformel Asaz p,k- erpoler a,,..., k Polyomgrad k- p,k- erpoler a, 3,..., k Polyomgrad k- reche daraus p,k das a,,..., k erpoler Polyomgrad k 3 4 SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme
12 Rekursosformel vo Ake-Nevlle * Warum fukoer das: Is, da übermm das lke Polyom. Is k, da übermm das reche Polyom. e de Süzselle dazwsche kooperere bede Polyome. De Sorerug der Süzselle s ch releva. De Formel ka ma als Rekurso für reelle/komplee Zahle, also de Were der Polyome a der Selle lese Es s aber geau so gu ee Formel für Fukoe: Ee Fuko, de aus zwe Fukoe ee dre bereche. Termerug der Rekurso: De Ierpolao eer ezge Süzselle, y lefer rvalerwese de kosae Polyome p, y SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme
13 Rekursosformel vo Ake-Nevlle * SS 7 We ma ee Daeyp Polyom class Polyom Pyho/C ha, ka ma dese Formel zur Kosruko des erpolerede Polyoms verwede. esoders arakv wäre des aürlch fukoale Programmerprache we Lsp, Maple, auch Pyho,. Am efachse ud effzeese geh es, we ma ee geegee Daesrukur mahemasch gesehe: Polyombass verwede, ämlch de Polyomdarsellug ach Newo. Da komm ma auf de Newosche Ierpolaosformel sehe heue späer der Vorlesug. Aber zuächs s de Rekursosformel och ubrauchbar: Der Aufwad eploder, we ma de Rekursosformel av verwede: e Polyomgrad sd O Aufrufe erforderlch! Das s vel zu euer. Nur we ma uz, dass de Rekurso mmer weder de gleche Polyome bereche, ka ma e effzee Algorhmus erhale. Das führ auf das Ake-Nevlle-Dreecksschema ud de Newoerpolao: sehe ue. Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 3
14 Alerave Polyombase sher : Darsellug der Taylor-ass bzw. Moom-ass {,,, 3,..., - } zu specher: De Koeffzee Effzee Auswerug m dem Horer-Schema s.u. Alerave:. erse-polyome. Lagrage-Polyome 3. Newo-Polyome blde jewels ee ass vo P SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 4
15 Alerave Polyombase: erse Alerave : ass aus erse-polyome P spa,,... ass für Polyome vom Grad - Sehr beleb Graphk bem geomersche Modellere à Gegesad der akuelle Übugsaufgabe Für Polyomerpolao eher ch geege SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 5
16 SS 7 Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme Ierpolao D Alerave : ass aus Lagrage-Polyome zu gegebee Süzselle {,,..., } Egeschafe der Lagrage-Polyome: De L sd lear uabhägg ud blde ee ass vo L j δ k Kroeckersymbol à das edeuge Ierpolaospolyom s gegebe durch Haupawedug der Lagrage-Polyome sd heoresche Überleguge z.. zur Ewcklug vo spezelle Algorhme. Für de algorhmsche erechug des Ierpolaospolyoms selbs sd se eher schlech geege!.. L L y p IP 6 Alerave Polyombase: Lagrage
17 SS 7 Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme Ierpolao D Alerave : ass aus Lagrage-Polyome zu gegebee Süzselle {,,..., } 7 Alerave Polyombase: Lagrage.. L ;.5,, 3 L L L ;.75,.5,.5,, sos falls j L j
18 Alerave Polyombase: Newo Alerave 3: ass aus Newo-Polyome zu gegebee Süzselle {,,..., } N..,.5, 3 ;,.5,,.5, ; N N N 3,,.5 SS 7 Ierpolao D.5;!, N N 4 5.5,.5.5; Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 8
19 Alerave Polyombase: Newo Alerave 3: ass aus Newo-Polyome zu gegebee Süzselle {,,..., } N.. Verwede de ass { N, N,..., N } zur Lösug der Ierpolaosaufgabe, Asaz: p a a - a - -. a M deser ass läß sch des Ierpolaosproblem effze ud sabl löse Algorhmus vo Ake-Nevlle Weerer Vorel: I deser ass s das Ierpolaospolyom effze für alle m eem Horer-arge Schema auswerbar. SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 9
20 SS 7 Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme Ierpolao D Alerave 3: ass aus Newo-Polyome zu gegebee Süzselle {,,..., } p a a - a - -. a De Ierpolaosbedguge p j y j führe auf e Glechugssysem m uerer Dreecksmar: Alerave Polyombase: Newo y y y y a a a a N!! "!!!! " #
21 Alerave Polyombase: Newo Der Algorhmus vo Ake-Nevlle a a a p, k p, k, k k p a 3 a - SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme
22 Alerave Polyombase: Newo Der Algorhmus vo Ake-Nevlle p a a - a - -. a Pseudo-Code zur erechug der Koeffzee a : # Ialserug: for.. p, y # Spaleweses Vorgehe: for k..- # Durchlaufe der Spale: for..-k- p,k p k- - p k- / k - # Rückgabe der Ergebssee: a p, ;..- Aufwad: O SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme
23 SS 7 Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme Ierpolao D Effzee Auswerug des Newo-Polyoms m Horer-argem Schema: Klasssches Horerschema für PseudoCode : Modfzeres Horerschema PseudoCode 3 Horerschema a a a a a a a p!! a a a a a a a p sum a[-] for -.. sum sum*a[] sum a[-] for -.. sum sum*-[]a[]
24 SS 7 Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme Ierpolao D De erse-polyome vom Grad blde e ass der Polyome vom Grad De omal-koeffzee Rekursve Defo Pascalsches Dreeck omsche Formel 4 erse-polyome!!! b a b a,,,...,
25 SS 7 Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme Ierpolao D Alerave : ass aus erse-polyome Egeschafe: 5 Alerave Polyombase: erse < < falls lear quadrasch quarsch P spa,,...
26 erse-polyome erse-polyome vom Grad, ; SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 6
27 erse-polyome erse-polyome vom Grad 3 kubsche erse-polyome , 3, 3, 3 3 ; SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 7
28 erse-polyome erse-polyome vom Grad 9,,..., ; SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 8
29 SS 7 Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme Ierpolao D Es gl 9 Egeschafe der erse-polyome,,,..., für [,] ha ee -fache Nullselle ha ee --fache Nullselle für alle
30 ézer-kurve - espele D-Kurve 3D-Kurve SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 3
31 Formegeschafe vo ézer-kurve Geomere des Korollpolygos spegel grob de Geomere der Kurve wder Formegeschafe. Ierpolao der Edpuke. I de Edpuke ageal a das Korollpolygo 3. ézer-kurve leg der kovee Hülle der Korollpuke 4. affe Ivaraz 5. Varaosreduzered Kosequez: Modfkao der Korollpuke führ zu vorhersehbarer uver Äderug der ézer-kurve. SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 3
32 Formegeschafe vo ézer-kurve Edpuk-Ierpolao C b b, C b b Tageebedgug C ' b ', ', dabe ', ' > folglch C ' b ' b b C ' b ' b b SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 3
33 Kovee Hülle: ézer-kurve leg koveer Hülle hrer Korollpuke espele SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 33
34 SS 7 Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme Ierpolao D Rekursve Auswerug der erse Polyome: euer oder durch Horer-ézer: effze 34 Auswerug vo ézer-kurve C b b b b b b b b b b ~ ~... ~ ~ ~ ~... ~ ~ sos falls r r r
35 Auswerug vo ézer-kurve Oder durch forgeseze leare Ierpolao: der Algorhmus vo de Caseljau sabl SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 35
36 Auswerug vo ézer-kurve Oder durch forgeseze leare Ierpolao: der Algorhmus vo de Caseljau sabl SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 36
37 Auswerug vo ézer-kurve der Algorhmus vo de Caseljau geomersch b 3 3 C / 3 Algorhmus vo de Caseljau für / 3 ud 3 SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 37
38 Auswerug vo ézer-kurve Algorhmus vo de Caseljau: PseudoCode # Ialserug for.. b b ; # decaseljau Pyramde/Dreeck for k.. for k.. b k -*b k- - *b k- reur b # Kurvepuk C SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 38
39 Polyomerpolao - Fehlerabschäzug Gegebe Süzselle {,,..., }, de Were sd Samples eer f : y f. Falls f -mal dfferezerbar s, gl für das Ierpolaospolyom p : f p dabe s ξ e Wer zwsche m{,,,..., } ud ma{,,,..., } f ξ! Spezell : leare Ierpolao f p f folglch h f p apple h 8 ma{ f } SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 39
40 Polyomerpolao - Fehlerabschäzug Verlauf der Fuko w w oszller ud wächs zu de Räder h ud über de Räder haus, we ma Erapolao mache möche sark a w Dor muss m sehr vel größere Rekosrukos- fehler gereche werde! SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 4
41 Polyomerpolao - Fehlerabschäzug E espel : Ruge Fuko f, [,] 5 äqudsae Süzselle m Iervall [-,] Polyomerpola vom Grad Selbs be Verwedug vo mehr äqudsae Süzselle wrd das Ergebs ch besser kee Kovergez! SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 4
42 Polyomerpolao - Fehlerabschäzug E espel : Ruge Fuko f, [,] 5 Ausweg desem Fall: Verwedug ch äqudsaer Süzselle sog. Tschebycheff-Süzselle cos π,,,... I der Pras of de Lösug: Vermede Polyomerpolao für größeres Verwede alerave Verfahre: Camull-Rom -Sple Ierpolao SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 4
43 Zusammefassug Polyomerpolao Polyome sd zur Ierpolao/Rekosruko geege, aber ur we der Polyomgrad ch zu hoch s. Aderfalls Wrd das Glechugssysem für de Polyomkoeffzee sehr schlech kodoer Der Fehler oszller ud wrd a de Räder des Ierpolaoservalls sehr groß Ma ka dese Probleme durch geegee adere Wahl der Süzselle elwese kompesere. Lagrage-Polyome für heoresche Uersuchuge hlfrech aber ugeege zur umersche ehadlug Adere Polyom-ase erse, Lagrage, Newo Praksche erechug: Algorhmus vo Ake-Nevlle umersch sabl ud Aufwad O Effzee Auswerug mels Horerschema SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 43
44 Kodoszahl bzgl. Eukldscher Norm für Vadermode- Mar ud Newo - Mar für äqudsae Süzselle: {,,,,-} κm Vadermode κm Newo κm N / κm V E E E E E E E E-4.455E E E E E E.94E E.65633E.378E-8 SS 7 Ierpolao D Prof. U. Rüde - Algorhmk kouerlcher Syseme 44
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