Interpolação 1D

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1. Interpolação 1D Prof. Paulo R. G. Bordoni UFRJ
2. Neste conjunto de transparências demonstraremos a importância do conceito de base de um espaço vetorial.
3. Em aula passada vimos que as quatro funções polinomiais (vetores) 0 = 1, 1 = , 2 = 2, 3 = 3 constituem uma base (a base canônica) do espaço vetorial 3[−1,1].
4. Uma outra base é a “base de Lagrange” Em ℙ1[, ], que tem dimensão 2, as funções básicas de Lagrange serão nomeadas 0 1 e 1 1 e são polinomiais de grau 1.
5. A 0 1 é a polinomial de grau 1 que satisfaz: 0 1 0 = 1 0 1 ( 1 ) = 0. A 1 1 por sua vez satisfaz: 1 1 0 = 0 1 1( 1 ) = 1. Torno a lembrar o aspecto dual das funções. Definiremos 0 1 e 1 1 ponto-a-ponto.
6. Para simplificar a escrita, “esqueceremos” o índice superior, escrevendo 0 e 1 . Assim: • 0 () = ( − 1 )/( 0 − 1 ) • 1 () = ( − 0 )/( 1 – 0 ) . Sim, basta substituir por 0 e por 1 nessas expressões para confirmar.
7. Fiz um programinha para construir e desenhar as duas:
8. Marquei as definições de L_0(x) e L_1(x).
9. Um fator de escala multiplicando a 0 ()
10. A combinação linear 0 0 + 1 1 é a reta que passa pelos pontos 0 , 0 e 1 , 1 . Confirme analisando a figura:
11. O programa que mostra 0 , 1 , 0 0 , 1 1 e 0 0 () + 1 1 ()
12. Bem, uma função polinomial de grau dois, responde tua pergunta. Isto se os pontos já não estiverem alinhados. Mestra, qual a função que passa por três pontos dados?
13. Em ℙ2[, ], que tem dimensão três, as funções básicas (também) serão nomeadas 0 2 , 1 2 2 2(). Elas são polinomiais de grau 2. Elas são definidas pelas 9 condições: • 0 2 0 = 1, 0 2 1 = 0, 0 2( 2 ) = 0 • 1 2 0 = 0, 1 2 1 = 1, 1 2( 2 ) = 0 • 2 2 2 = 0, 2 2 1 = 0, 2 2( 2 ) = 1
14. Assim o grau 2 das 3 funções básicas 2 ficará sub-entendido e a definição anterior se reescreve: • 0 0 = 1, 0 1 = 0, 0 ( 2 ) = 0 • 1 0 = 0, 1 1 = 1, 1 ( 2 ) = 0 • 2 2 = 0, 2 1 = 0, 2 ( 2 ) = 1 Novamente , para simplificar, vamos deixar de indicar o índice superior 2 das 2 .
15. Assim a definição anterior se resume em: • 0 = 0, , = 1,2,3, • 1 = 1, , = 1,2,3, • 2 = 2, , = 1,2,3, 3 igualdades em cada linha, ou ainda mais: = , , = 1,2,3 e = 1,2,3 6 igualdades numa linha só ! Físicos costumam resumir todas essas igualdades usando o “delta de Dirac”, definido por , = ቊ 1 = 0 ≠
16. As expressões para as outras duas funções básicas são: 1 = ( − 0 )( − 2 ) (1 − 0 )(1 − 2 ) , 2 = ( − 0 )( − 1 ) (2 − 0 )(2 − 1 ) . Confira que, definindo 0 () pela expressão 0 = ( − 1 )( − 2 ) (0 − 1 )(0 − 2 ) teremos 0 = 0 . Claramente 1 = 1 e 2 = 2 .
17. Este programa gera as polinomiais da base de Lagrange do espaço das funções polinomiais de grau menor ou igual a 2.
18. Para fazer 0 () passar pelo ponto = (0.3,1.4) basta multiplicá-la por 1.4. Vejam no desenho:
19. O programa da transparência anterior.
20. • Multiplicando 1 () por um número 1 , a função escalada 1 1 () passará pelo ponto ( 1 , 1 ); • Multiplicando 2 () por um número 2 , a função escalada 2 2 () passará pelo ponto ( 2 , 2 ). A mesma ideia se aplica às outras duas funções básicas:
21. Este programa gera a polinomial de grau dois (≤ 2) que passa pelos pontos ( 0 , 0 ), ( 1 , 1 ), ( 2 , 2 ) utilizando a base de Lagrange do espaço das funções polinomiais de grau ≤ 2.
22. Marquei em vermelho a parte que gera os gráficos das 3 funções básicas escaladas e da polinomial.
23. Esse é o resultado de uma execução do programa. E vemos que a solução (em vermelho) passa pelos 3 pontos dados.
24. Estas ideias tem sido usadas, a séculos, para aproximar funções por retas e por parábolas. Vá ao apêndice passear um pouco pela história.
25. f Aproximar! A norma ∙ ∞ mede a proximidade de funções de forma uniforme, em todo um intervalo. De fato, sejam , ∈ ℬ , . Afirmar que − ∞ < corresponde a assegurar que g fica dentro de uma faixa com largura uniforme envolta de f . Na figura a faixa rosa, de a até b.
26. f p Se f é uma função contínua num intervalo fechado [, ] então, para qualquer precisão > 0, existe uma polinomial ∈ ℙ tal que − ∞ < . O teorema de aproximação de Weierstrass é um resultado de existência de aproximações polinomiais globais fundamental:
27. Nessa fórmula, cada polinomial de Lagrange é definida, para = 0,1, ⋯ , , por = ෑ =1,≠ ( − ) ( − ) , ∈ [, ] Formalizando (Teor.3.2 de Burden & Fayres) : Dada uma função : [, ] → ℝ, ∈ +1[, ], e uma partição , = {0 = , 1 , ⋯ , = } existe uma única polinomial ∈ ℙ[, ] que interpola nos pontos da partição, dada por = ෍ =0 ( ) () .
28. Ah Loirinha, já vimos esse produtório antes. Quando = 2 temos: 0 2 = ( − 1 )( − 2 ) (0 − 1 )(0 − 2 ) , 1 2 = ( − 0 )( − 2 ) (1 − 0 )(1 − 2 ) , 2 2 = ( − 0 )( − 1 ) (2 − 0 )(2 − 1 ) . Juro que não entendi nada !
29. f 0.2 f 0.5 Arrochando o abraço!
30. Então, como lá teremos − ≤ +1 ∞ + 1 ! − 0 ⋯ − . E, se os pontos forem igualmente espaçados de ℎ, +1 − () ≤ +1 ∞ ℎ+1 + 1 ! . Se a derivada de ordem + 1, (+1), de for contínua no intervalo [, ], ela será limitada. Então (Teor.3.3 de Burden & Fayres) podemos calcular (+1) ∞ = max ∈[,] (+1) () , como na polinomial de Taylor!
31. Vejam onde está a função lagrange( ) lá no final da scipy.interpolate
32. Os detalhes da rotina lagrange( ) da scipy.interpolate.
33. • Recebe: 1. Um intervalo [, ], 2. A expressão () de uma função, 3. Um número de pontos para criar uma partição uniforme de , . • Constrói a interpoladora de Lagrange da função usando a rotina lagrange() da SciPy. • E devolve: 1. Uma tabela dos pares dos pares , ( ) , 2. Os gráficos de e da interpoladora de Lagrange da função sobre a partição , . Faremos um programa que:
34. Uma execução do programa, com os dados abaixo:
35. Marquei no programa onde usamos a lagrange()
36. Com 7 pontos melhorou muito, visualmente!
37. O pacote de interpolação da SciPy é grande. Precisaríamos de várias aulas explorá-lo por completo.
38. No início da scipy.interpolate temos:
39. Por enquanto vamos examinar as duas que marquei.
40. Mestres! Por que a interpolação de Lagrange só aparece lá no final da scipy.interpolate e não no logo no início lista? Na verdade ela está escondida nas duas que o Mestre marcou!
41. Para entender o KroghIntgerpolator( ) é necessário ler o artigo do Fred Krogh.
42. Não deixem de acessar e ler o artigo. Lá estão detalhados os algoritmos de Krogh empregados pela scipy.interpolate Inclusive o artigo compara número de operações com os algoritmos de Lagrange e Aitken/Neville, mostrando que os propostos por Krogh tem melhor performance.
43. • = ( ) • , +1 = +1 − +1− • , +1 , +2 = +1, +2 − , +1 +1− • , +1 , +2 , +3 = +1, +2 , +3 − , +1, +2 +1− • E assim por diante Os algoritmos de Krogh usam as fórmulas de diferenças divididas finitas (DDF) de Newton, definidas recursivamente por: Não entendi essas diferenças divididas!
44. Repito, não entendi! Vai explicar ou não ?!...?! Morri de medo, meu Kruguinho querido! Mestre, faça um programa que constrói uma tabela de diferenças divididas finitas.
45. Eis a tabela de DDFs.
46. Mestra, por quê a escadaria no final da tabela ? Devido à recursividade, minha filha!
47. Veja Loirinha: para calcular uma DDF3 precisamos duas DDF2, três DDF1, quatro valores de f.
48. Uma colega que não foi aprovada em Cálculo Numérico no período anterior disse que o professor exigia que essas tabelas de DDF fossem feitas à mão. Já ouvi falar dessa besteira. São mestres da idade da pedra.
49. Mestra, a DDF2 de uma polinomial de grau 2 é constante, e igualzinha à derivada 2ª e a DDF3 é identicamente nula.
50. Não resisti e acrescentei os gráficos para comparar com as derivadas:
51. Pois é Surfista, compare os gráficos da função e suas derivadas com os gráficos das DDFs e conclua.
52. Kruguinho, repeti tudo para a função = (). Já vimos no curso que as diferenças finitas são aproximações para as derivadas!
53. A polinomial interpoladora de Lagrange, pelos n+1 pontos (0 , 0 ), (1 , 1 ) ⋯ , ( , ), é dada pela: = 0 + 0 , 1 1 + 0 , 1 , 2 2 + ⋯ ⋯ + 0 , 1 , ⋯ , (), onde = ( − 0 )( − 1 ) ⋯ ( − −1 ) Fórmula de interpolação com as DDFs de Newton
54. Com alguma manipulação algébrica é possível mostrar que as fórmulas de Newton e de Lagrange são iguais. Loirinha e Surfista, façam essas continhas para as interpoladoras de grau 1 e 2.
55. A classe do interpolador de Krogh.
56. Uma observação importante e os métodos da classe..
57. A função facilitadora da classe que realiza a interpolação de Krogh.
58. A devolução (o interpolador) da função e uma observação.
59. A entrada de dados para a interpoladora pelo algoritmo de Krogh.
60. Marquei onde usamos a interpoladora de Krogh.
61. A interpoladora, calculada através do algoritmo de Krogh. Utilizei 5 pontos-base.
62. Agora sim! Repeti com 9 pontos, Loirinha.
63. Um programa para interpolar uma função : [, ] → ℝ e sua derivada usando o algoritmo de Krogh.
64. Definindo e , o interpolador de Krogh de e de e as funções erro.
65. Plotando os gráficos.
66. Usando o programa para aproximar e pelas interpoladoras de Krogh de e de com 5 pontos.
67. Agora usando 9 pontos para aproximar e pelas interpoladoras de Krogh de e de .
68. Eis um artigo de peso! Nele os autores recuperam conceitualmente a interpolação de Lagrange com um algoritmo ótimo!
69. Após apresentar a fórmula interpoladora de Lagrange, conforme já fizemos no curso, os autores comentam:
70. A fórmula de Lagrange aperfeiçoada!
71. E, finalmente, fórmula baricêntrica!
72. A classe BarycentricInterpolator na scipy.interpolate.
73. Esta observação é importante!!
74. A função barycentric.interpolate
75. Um programa que constrói as interpoladoras com o algoritmo baricêntrico. O código é praticamente o mesmo da interpoladora de Krogh !
76. Marquei a difusão de X pela f, a construção da interpoladora e a função erro.
77. O resultado com 7 pontos não é nada bom; parece que o erro aumenta nos extremos!
78. O resultado com 9 pontos melhorou, mas o erro realmente aumenta nos extremos!
79. Como antes, está ruim, o erro é grande nos extremos do intervalo. Vou experimentar mais pontos para ver o comportamento do erro. Experimente esta outra função, () = 1/(1 + 2), Use 7 pontos.
80. Com 9 melhorou no centro, mas o erro aumentou nos estremos. Com 15 pontos o erro disparou!
81. Loirinha, você tocou num ponto crucial. Para valores igualmente espaçados, ao aumentarmos o grau da interpoladora, surge o fenômeno de Runge! Mestres, parece que aumentar o grau da polinomial interpoladora não melhora a precisão da interpolação.
82. Aumentar o grau da interpoladora só piora a situação. Confiram. O fenômeno de Runge demonstra que a interpolação é um algoritmo mal condicionado.
83. Com 31 pontos o erro é 18 vezes maior que o valor da máximo da função Ele Ru(n)ge cada vez mais e vai devorar o Mestre! Pois é Surfista, mas para a função de Runge, = 1/(1 + 2), isto não acontece!
84. E aí Mestres, como faremos para matar esse leão? DIVIDIR PARA CONQUISTAR! Um mantra na computação.
85. A ideia é trocar uma (grande) por muitas (pequenas).
86. 4 interpoladoras 14 interpoladoras 24 interpoladoras Ao invés de usarmos uma interpoladora de grau 10, usamos 10 interpoladoras de grau 1. Fiz os gráficos usando 4, 14 e 24 interpoladoras lineares.
87. Foi uma das primeiras lições que aprendemos na MatPlotLib. Lembro-me perfeitamente: com 6 subintervalos o gráfico ficava ruim, mas com 20 melhorou. Com mais de 50 já parece contínuo.
88. Risquei o que já vimos da scipy.interpolate.
89. Vamos ao 1º da lista:
90. Continuação:
91. O programa: • Recebe: 1. Um intervalo [, ], 2. A expressão de uma função : [, ] → ℝ, 3. Uma partição de , , 4. A opção por kind = ′linear′ para a interpoladora. • E devolve: 1. Uma tabela dos pares dos pares , ( ) , 2. Os gráficos de e da interpoladora linear por partes de Lagrange da função sobre a partição , . Agora faremos uma interpolação linear por partes de uma função : [, ] → ℝ.
92. Veja Surfista estamos usando pares de pontos ( , ) com = ( ) e ∈ [, ].
93. Chamei-o com os dados à frente e veja o resultado:
94. Passaremos a analisar classes de espaços vetoriais importantíssimas em teoria de aproximação.
95. Um desses espaços é o ℒ( , ), que acabamos de usar. Ele é constituído pelas funções que são contínuas num intervalo [, ] e lineares em cada sub-intervalo de uma partição [, ] = { = 0 < 1 < ⋯ < = } de [, ].
96. A rotina interp1d( ) do pacote scipy.interpolate permite construirmos facilmente funções (vetores) desse subespaço. ℒ , é um subespaço de , .
97. Todo espaco vetorial tem uma base, ao menos uma. Mostre-nos uma base do ℒ( , ), Mestra. Ah, minha filha, uma delas é a minha coleção de chapéus de bruxa!
98. Chapeus de bruxa, Mestra? Amei! Sim Loirinha. A base canônica de ℒ( , ) é a coleção ℋ = {ℎ0 , ℎ1 , … , ℎ } constituída pelas N+1 “hat functions” que o Galileu vai te mostrar nas próximas transparências.
99. As funções chapéu, “hat functions”, formam uma base para esse espaço. Esta é a ℎ3 . A definição ponto-a-ponto dela é: ℎ3 = 0 ∈ [0,2) − 2 ∈ [2,3) 4 − ∈ [3,4) 0 ∈ [4,5]
100. O programa que desenha as “hat functions”
101. A continuação do programa.
102. Aqui estão todos os elementos da base. hat(0) hat(3) hat(2) hat(1) hat(4) hat(5)
103. Aspecto fundamental e importantíssimo: ℒ( , ) é um subespaço de , de dimensão finita + 1. E a característica fundamental das funções básicas é que elas se anulam fora de dois subintervalos (i. é possuem suporte compacto).
104. Tchau, até a próxima aula.
105. http://locomat.loria.fr Parte de uma página do “Canon mathematicus” de Viète (1579). Nela estão tabelados valores de senos, cossenos, tangentes, etc de 4º à 4º30’
106. Em 1614, no livro “Mirifici Logarithmorum Canonis Descriptio”, J. Napier descreve um método para calcular produtos em termos de somas. Nasciam os logaritmos. O livro apresenta ainda 90 páginas com tabelas para utilização do seu método
107. () () a b () () A figura ilustra uma forma de aproximar o valor de () a partir dos valores conhecidos (tabelados) () e (). = + aproxima () com erro = − () . Interpolação linear é o nome técnico para isto!
108. () () () () () Na interpolação quadrática, o erro = − () é bem menor. Agora a interpoladora = 2 + + é uma polinomial do 2º grau.
109. Houve um tempo em que engenheiros utilizavam réguas de cálculo para fazer contas rapidamente.
110. log(x∗y) = log(x) + log(y) log(x/y) = log(x) - log(y) A régua de cálculo foi um instrumento analógico largamente utilizado pelos engenheiros até surgirem as máquinas de calcular científicas nos anos 70. Elas utilizavam escalas logarítmicas e as duas propriedades abaixo: