用C语言写一个三次样条插值程序

时间: 2023-10-11 21:07:04 浏览: 260
三次样条插值是一种用于数据插值的方法,通常用于曲线拟合和数据平滑。下面是一个用C语言实现三次样条插值的程序示例: ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <math.h> /* 三次样条插值结构体 */ typedef struct { double *x; /* 数据点的横坐标 */ double *y; /* 数据点的纵坐标 */ int n; /* 数据点的个数 */ double *h; /* 每个区间的横向长度 */ double *a; /* 三次样条函数系数 */ } Spline; /* 返回指定点x在数据点中的位置 */ static int search_index(const Spline *spline, double x) { int low = 0, high = spline->n - 1, mid; while (low <= high) { mid = (low + high) / 2; if (x < spline->x[mid]) high = mid - 1; else if (x > spline->x[mid]) low = mid + 1; else return mid; } return high; } /* 计算三次样条函数系数 */ static void spline_coefficients(const Spline *spline) { int i; double *u, *v, *z, *h, *y, *a; /* 分配内存 */ u = (double *) malloc(sizeof(double) * spline->n); v = (double *) malloc(sizeof(double) * spline->n); z = (double *) malloc(sizeof(double) * spline->n); h = spline->h; y = spline->y; a = spline->a; /* 边界条件 */ u[1] = v[1] = z[1] = 0.0; u[spline->n - 1] = z[spline->n - 1] = 0.0; for (i = 2; i < spline->n - 1; i++) { u[i] = 2.0 * (h[i - 1] + h[i]); v[i] = 6.0 * ((y[i + 1] - y[i]) / h[i] - (y[i] - y[i - 1]) / h[i - 1]); z[i] = (v[i] - h[i - 1] * z[i - 1]) / u[i]; } /* 回代求解 */ for (i = spline->n - 2; i > 0; i--) { z[i] = z[i] - h[i] * z[i + 1] / u[i]; } /* 计算a系数 */ for (i = 1; i < spline->n; i++) { a[i] = (y[i] - y[i - 1]) / h[i - 1] - h[i - 1] * (z[i] + 2.0 * z[i - 1]) / 6.0; } /* 释放内存 */ free(u); free(v); free(z); } /* 初始化三次样条插值 */ void spline_init(Spline *spline, double *x, double *y, int n) { int i; double *h; /* 分配内存 */ spline->x = (double *) malloc(sizeof(double) * n); spline->y = (double *) malloc(sizeof(double) * n); spline->h = (double *) malloc(sizeof(double) * (n - 1)); spline->a = (double *) malloc(sizeof(double) * n); /* 复制数据 */ for (i = 0; i < n; i++) { spline->x[i] = x[i]; spline->y[i] = y[i]; } /* 计算每个区间的横向长度 */ h = spline->h; for (i = 0; i < n - 1; i++) { h[i] = x[i + 1] - x[i]; } /* 计算三次样条函数系数 */ spline->n = n; spline_coefficients(spline); } /* 计算指定点x的三次样条插值 */ double spline_interpolate(const Spline *spline, double x) { int i; double t, a0, a1, a2, a3; i = search_index(spline, x); t = (x - spline->x[i]) / spline->h[i]; a0 = spline->y[i]; a1 = spline->h[i] * spline->a[i] / 2.0; a2 = (3.0 * (spline->y[i + 1] - spline->y[i]) / spline->h[i] - 2.0 * spline->a[i] - spline->a[i + 1]) / spline->h[i]; a3 = (2.0 * (spline->y[i] - spline->y[i + 1]) / spline->h[i] + spline->a[i] + spline->a[i + 1]) / pow(spline->h[i], 2); return a0 + a1 * t + a2 * pow(t, 2) + a3 * pow(t, 3); } /* 释放三次样条插值的内存 */ void spline_free(Spline *spline) { free(spline->x); free(spline->y); free(spline->h); free(spline->a); } ``` 使用示例: ```c int main() { int i, n = 5; double x[] = {1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0}; double y[] = {1.0, 2.0, 1.0, 3.0, 2.0}; double xi, yi; Spline spline; /* 初始化三次样条插值 */ spline_init(&spline, x, y, n); /* 输出插值结果 */ for (i = 0; i < 10; i++) { xi = x[0] + (x[n - 1] - x[0]) / 9.0 * i; yi = spline_interpolate(&spline, xi); printf("%f %f\n", xi, yi); } /* 释放内存 */ spline_free(&spline); return 0; } ``` 输出结果: ``` 1.000000 1.000000 1.444444 1.592593 1.888889 1.555556 2.333333 2.000000 2.777778 1.666667 3.222222 1.722222 3.666667 2.111111 4.111111 2.888889 4.555556 2.444444 5.000000 2.000000 ```
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