Diszkréten mintavételezett függvények

Hasonló dokumentumok
Eddig csak a polinom x-ben felvett értékét kerestük

GPK M1 (BME) Interpoláció / 16

Numerikus módszerek II. zárthelyi dolgozat, megoldások, 2014/15. I. félév, A. csoport. x 2. c = 3 5, s = 4

MÉSZÁROS JÓZSEFNÉ, NUMERIKUS MÓDSZEREK

Ipari matematika 2. gyakorlófeladatok

Numerikus integrálás

Lineáris algebra numerikus módszerei

Numerikus integrálás április 20.

Numerikus integrálás április 18.

Gyakorló feladatok. Agbeko Kwami Nutefe és Nagy Noémi

LNM folytonos Az interpoláció Lagrange interpoláció. Lineáris algebra numerikus módszerei

Kalkulus I. gyakorlat Fizika BSc I/1.

Hatványsorok, Fourier sorok

Polinomok, Lagrange interpoláció

Alap-ötlet: Karl Friedrich Gauss ( ) valószínűségszámítási háttér: Andrej Markov ( )

Integrálszámítás. a Matematika A1a-Analízis nevű tárgyhoz november

Fourier-sorok. Lengyelné Dr. Szilágyi Szilvia április 7.

1 Lebegőpontos számábrázolás

Nemlineáris egyenletrendszerek megoldása április 15.

Normák, kondíciószám

Hajder Levente 2018/2019. II. félév

x 2 e x dx c) (3x 2 2x)e 2x dx x sin x dx f) x cosxdx (1 x 2 )(sin 2x 2 cos 3x) dx e 2x cos x dx k) e x sin x cosxdx x ln x dx n) (2x + 1) ln 2 x dx

VIK A1 Matematika BOSCH, Hatvan, 5. Gyakorlati anyag

Matematika A1a Analízis

Explicit hibabecslés Maxwell-egyenletek numerikus megoldásához

Megoldott feladatok november 30. n+3 szigorúan monoton csökken, 5. n+3. lim a n = lim. n+3 = 2n+3 n+4 2n+1

Differenciálegyenletek numerikus integrálása április 9.

Határozatlan integrál, primitív függvény

6. Folytonosság. pontbeli folytonosság, intervallumon való folytonosság, folytonos függvények

Végeselem modellezés alapjai 1. óra

Numerikus módszerek. 9. előadás

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit. (Derivált)

Integrálszámítás (Gyakorló feladatok)

Numerikus módszerek 1.

Numerikus Matematika

MATLAB. 5. gyakorlat. Polinomok, deriválás, integrálás

n 2 2n), (ii) lim Értelmezési tartomány, tengelymetszetek, paritás. (ii) Határérték. (iii) Első derivált, monotonitás, (ii) 3 t 2 2t dt,

Legkisebb négyzetek módszere, Spline interpoláció

Határozatlan integrál

Függvény differenciálás összefoglalás

Matematika gyógyszerészhallgatók számára. A kollokvium főtételei tanév

Matematika I. NÉV:... FELADATOK:

Feladatok a Diffrenciálegyenletek IV témakörhöz. 1. Határozzuk meg következő differenciálegyenletek általános megoldását a próba függvény módszerrel.

cos 2 (2x) 1 dx c) sin(2x)dx c) cos(3x)dx π 4 cos(2x) dx c) 5sin 2 (x)cos(x)dx x3 5 x 4 +11dx arctg 11 (2x) 4x 2 +1 π 4

Bevezetés az algebrába 2

Határozatlan integrál (2) First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

A derivált alkalmazásai

Függvények közelítése

1. Folytonosság. 1. (A) Igaz-e, hogy ha D(f) = R, f folytonos és periodikus, akkor f korlátos és van maximuma és minimuma?

Fourier térbeli analízis, inverz probléma. Orvosi képdiagnosztika 5-7. ea ősz

Numerikus módszerek 1.

1.9. B - SPLINEOK B - SPLINEOK EGZISZTENCIÁJA. numerikus analízis ii. 34. [ a, b] - n legfeljebb n darab gyöke lehet. = r (m 1) n = r m + n 1

Függvények vizsgálata

Feladatok megoldásokkal a 9. gyakorlathoz (Newton-Leibniz formula, közelítő integrálás, az integrálszámítás alkalmazásai 1.

x a x, ha a > 1 x a x, ha 0 < a < 1

Digitális Domborzat Modellek (DTM)

1. Görbe illesztés a legkissebb négyzetek módszerével

Egy általános iskolai feladat egyetemi megvilágításban

3. Lineáris differenciálegyenletek

Fourier sorok február 19.

Numerikus módszerek beugró kérdések

2014. november Dr. Vincze Szilvia

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit. (L Hospital szabály, Taylor-polinom,

Numerikus matematika. Irodalom: Stoyan Gisbert, Numerikus matematika mérnököknek és programozóknak, Typotex, Lebegőpontos számok

A Föld középpontja felé szabadon eső test sebessége növekszik, azaz, a

2. NUMERIKUS INTEGRÁLÁS

Egyenletek, egyenlőtlenségek VII.

Feladatok megoldásokkal az első gyakorlathoz (differencia- és differenciálhányados fogalma, geometriai és fizikai jelentése) (x 1)(x + 1) x 1

Numerikus módszerek 1.

Gépi tanulás a gyakorlatban. Lineáris regresszió

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy

Matematika I. NÉV:... FELADATOK: 2. Határozzuk meg az f(x) = 2x 3 + 2x 2 2x + 1 függvény szélsőértékeit a [ 2, 2] halmazon.

Tartalomjegyzék. Tartalomjegyzék Valós változós valós értékű függvények... 2

Fourier transzformáció

n n (n n ), lim ln(2 + 3e x ) x 3 + 2x 2e x e x + 1, sin x 1 cos x, lim e x2 1 + x 2 lim sin x 1 )

4. fejezet. Egyváltozós valós függvények deriválása Differenciálás a definícióval

5. fejezet. Differenciálegyenletek

8. feladatsor: Többváltozós függvények határértéke (megoldás)

HÁZI FELADATOK. 1. félév. 1. konferencia A lineáris algebra alapjai

Norma Determináns, inverz Kondíciószám Direkt és inverz hibák Lin. egyenletrendszerek A Gauss-módszer. Lineáris algebra numerikus módszerei

Függvények december 6. Határozza meg a következő határértékeket! 1. Feladat: x 0 7x 15 x ) = lim. Megoldás: lim. 2. Feladat: lim.

Figyelem, próbálja önállóan megoldani, csak ellenőrzésre használja a következő oldalak megoldásait!

Mátrix-exponens, Laplace transzformáció

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Az érintőformula A Simpson formula Gauss-kvadratúrák Hiba utólagos becslése. Numerikus analízis

CAD technikák A számítógépes tervezés geometriai alapjai: görbék típusai, matematikai leírás, manipulációk görbékkel.

Szili László. Integrálszámítás (Gyakorló feladatok) Analízis 3. Programtervező informatikus szak BSc, B és C szakirány

Numerikus matematika vizsga

8n 5 n, Értelmezési tartomány, tengelymetszetek, paritás. (ii) Határérték. (iii) Első derivált, monotonitás,

2 (j) f(x) dx = 1 arcsin(3x 2) + C. (d) A x + Bx + C 5x (2x 2 + 7) + Hx + I. 2 2x F x + G. x

Fourier-sorok. néhány esetben eltérhetnek az előadáson alkalmazottaktól. Vizsgán. k=1. 1 k = j.

A Matematika I. előadás részletes tematikája

Lineáris algebra zárthelyi dolgozat javítókulcs, Informatika I márc.11. A csoport

Kalkulus I. NÉV: Határozzuk meg a következő határértékeket: 8pt

A képzetes számok az isteni szellem e gyönyörű és csodálatos hordozói már majdnem a lét és nemlét megtestesítői. (Carl Friedrich Gauss)

2012. október 2 és 4. Dr. Vincze Szilvia

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Feladatok Oktatási segédanyag

Differenciálegyenlet rendszerek

Átírás:

Diszkréten mintavételezett függvények A függvény (jel) értéke csak rögzített pontokban ismert, de köztes pontokban is meg akarjuk becsülni időben mintavételezett jel pixelekből álló műholdkép rácson futtatott szimuláció Ismert: {x 1, x 2,..., x N } {y 1 = f (x 1 ), y 2 = f (x 2 ),..., y N = f (x N )} Az x i -k közötti távolság tetszőleges, változhat is x i lehet több dimenziós is

Interpoláció és extrapoláció Ismert: {x 1, x 2,..., x N } {y 1 = f (x 1 ), y 2 = f (x 2 ),..., y N = f (x N )} Keressük: f (x) közeĺıtő értékét tetszőleges x helyen f analitikus alakja nem ismert, és nem is érdekes Fontos: ez nem függvényillesztés f alakját csak lokálisan, x körüli néhány x i -ből becsüljük, és nem pedig az egész mérési tartományon nem törődünk az esetleges mérési hibákkal, az interpoláló görbe mindig egzaktul átmegy a pontokon

Interpoláció Ha a keresett x-re igaz, hogy x k x x l. megkövetelhetjük, hogy ne csak egy, hanem több x-nél kisebb, illetve nagyobb x i legyen ismert magasabb rendű interpoláció Példák: nem egyenletes mintavételezésről áttérünk egyenletesre képek átméretezése és forgatása hibás pixelek kipótolása képen

Magas rendű görbe interpolálása

Szakaszokból álló függvény interpolálása

Eredeti mérési pontok 1 0.5 0-0.5-1 0 1 2 3 4 5 6 7

Lineáris interpoláció 1 0.5 0-0.5-1 0 1 2 3 4 5 6 7

Interpolált pontok 1 0.5 0-0.5-1 0 1 2 3 4 5 6 7

Interpolációs hiba 1 0.5 0-0.5-1 0 1 2 3 4 5 6 7

Interpolációs hiba köbös interpolációnál 1 0.5 0-0.5-1 0 1 2 3 4 5 6 7

Eredeti kép

Legközelebbi szomszéd interpoláció

Linea ris interpola cio

Ko bo s interpola cio

Extrapoláció A függvény értékére nem köztes pontban vagyunk kíváncsiak, azaz x < x 1 vagy x N < x Példák: Folyamat (áramfogyasztás, időjárás) jövőbeli becslése Differenciálás: egyre sűrűbb pontokkal közeĺıtjük a folytonost, majd extrapolálunk 0-ra

Eredeti mérési pontok 2 1 0-1 -2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Lineáris extrapoláció 2 1 0-1 -2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

A lineáris extrapoláció hibája 2 1 0-1 -2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Feltételezések Általában valamilyen egyszerű függvény segítségével interpolálunk legegyszerűbb: lineáris többnyire: valamilyen alacsony rendű polinom Ehhez az kell, hogy az interpolálandó/extrapolálandó jel jól viselkedjen Legyen folytonos; ha két ismert pont között ugrása van, akkor nincs esélyünk jól interpolálni Legyen sima: legyen differenciálható, és a deriváltjai is legyenek folytonosak Vannak nehezen vagy egyáltalán nem interpolálható függvények pl. lökéshullámok hidrodinamikai szimulációkban

Érdekes analitikus példa f (x) = 3x 3 + 1 2π 4 ln (π x) + 1 38.00 37.00 36.00 35.00 34.00 33.00 32.00 31.00 30.00 29.00 28.00 27.00 3.00 3.10 3.20 3.30 3.40 3.50

Érdekes analitikus példa kinagyítva 30.52 30.50 30.48 30.46 30.44 30.42 30.40 30.38 30.36 3.1400 3.1405 3.1410 3.1415 3.1420 3.1425 3.1430

Interpoláció függvényalakok Legközelebbi szomszéd nem közeĺıtünk, hanem a legközelebbi ismert értéket vesszük Polinom első rendben a két ismert pontot összekötő egyenes magasabb rendben két oldalt több pontot kell venni Több dimenziós lineáris képek stb. interpolálására bilineáris, trilineáris: síkot, hipersíkot kell illeszteni Racionális függvény polinomok hányadosa ha az interpolálandó függvénynek pólusai vannak Trigonometrikus függvények Ekkor tulajdonképpen Fourier-térben dolgozunk

Lokális és globális interpoláció Lokális interpoláció csak az x körüli k (páros) számú pontot használjuk az interpoláció rendje k 1 A differenciálhatóság megkövetelése lokális interpolációnál az interpoláló függvény differenciálhatósága nem biztosított megkövetelhetjük a simaságot, pl. spline- (bütyök-) illesztés Globális interpoláció az összes ismert pontot felhasználjuk ez tulajdonképpen függvényillesztés a globális interpoláció rendje N 1, ahol N az összes ismert pont száma

Lokális vagy globális interpoláció? Ha a függvény ismeretlen értékét csak néhány x helyen kell meghatározni lokálisan illesztünk egy függvény x körüli k darab pontra nagyobb numerikus pontosság érhető el k N módon finomítható az interpolációs, ha konvergál k fokozatos növelésének utolsó lépése ad egy becslést az interpoláció hibájára Ha a függvény ismeretlen értékét sok x helyen kell meghatározni az összes N pontra illesztünk, kiszámoljuk f (x)-et kisebb numerikus pontosság a kerekítések miatt ha bonyolult a függvény, nem elég hatékony numerikusan

Interpolációs modell választása A függvényalak az interpolálandó adatoktól függ folytonosan differenciálható-e? vannak-e pólusai? milyen sűrűn van mintavételezve? periodikus-e? meg kell-e tartani a görbe alatti integrál értékét? mekkora a számítási igény? Az interpolációs rend megválasztása túl magas rendben az interpoláció ugrálni fog a magasabb rendű függvények számításigényesebbek

Interpoláció és extrapoláció polinommal Naiv megoldás: meghatározzuk a k ismert ponton átmenő polinom együtthatóit 1 ez egy k 1 rendű polinom, a k. ismeretlen a konstans tag behelyettesítünk a polinomba az keresett x helyen, és így becsüljük f (x) értékét Jobb megoldás: a polinom x helyen felvett értékét közvetlenül álĺıtjuk elő, a polinom együtthatóinak meghatározása nélkül fejezzük ki P(x)-et az ismert x i és y i = f (x i ) értékekkel 1 Házi feladat: hogyan vezethető ez vissza lineáris problémára?

Lagrange-formula P(x) = (x x 2)(x x 3 )... (x x k ) (x 1 x 2 )(x 1 x 3 )... (x 1 x k ) y 0+ + (x x 1)(x x 3 )... (x x k ) (x 2 x 1 )(x 2 x 3 )... (x 2 x k ) y 1 +... + (x x 1)(x x 2 )... (x x k 1 ) (x k x 1 )(x k x 2 ) (x k x k 1 ) y k Kielégíti a P(x i ) = y i egyenlőséget, hiszen az i. tagban a számláló és nevező azonos a többi tagban a számláló 0

Szinusz interpolálása parabolával 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0-0.2-1 0 1 2 3 4

Szinusz interpolálása negyedrendű polinommal 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0-0.2-1 0 1 2 3 4

Túl magas rendű polinom használata 10 8 6 4 2 0-2 -4-6 -8-10 -12-4 -2 0 2 4

Interpoláló polinom iteratív meghatározása Legyen P (i)(i+1)...(i+k) olyan polinom, ami átmegy az i, i + 1,..., i + k indexű pontokon. Áll.: Ez előáll a következő alakban: P (i)(i+1)...(i+k) = Valóban: (x x i+k )P (i)(i+1)...(i+k 1) + (x i x)p (i+1)(i+2)...(i+k) x i x i+k mindkét elődpolinom átmegy az i + 1,..., i + k 1 indexű pontokon a két szélső ponton pedig egyikük illetve másikuk Kiindulás: P (i) = y i konstans függvény

Rekurzív formulák meghatározása Két polinom különbsége: C k,i = P (i)(i+1)...(i+k) P (i)(i+1)...(i+k 1) D k,i = P (i)(i+1)...(i+k) P (i+1)(i+2)...(i+k) Ezekkel: C k+1,i = (x i x)(c m,i+1 D mi ) x i x i+k+1 D k+1,i = (x i+k+1 x)(c m,i+1 D mi ) x i x i+k+1 C k,i és D k,i korrekciót ad a polinomhoz. ha a korrekciók nem csökkennek, akkor a függvényt nem jó polinommal interpolálni a legutolsó lépésben kiszámolt korrekciót tekinthetjük hibabecslésnek