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scipy包提供了幾種通用的插補工具,分別用於1維,2維或高維的資料集,分別是:

類 interp1d 用於對一維資料進行插補類 griddata 提供了對1D,2D和高維資料進行插補的工具。spline插補, 用於對一維和二維資料進行平滑的cubic-spline 插補使用基於徑向的函式(RBF)進行插值

這些方法都整合在scipy.interpolate模組中。

一,interp1d類

一維插補類(interp1d),是一種基於一維固定資料點建立函式的便捷方法,該函式內推一個一元的函式f,使得 y=f(x):

scipy.interpolate.interp1d(x, y, kind='linear', axis=-1, copy=True, bounds_error=None, fill_value=nan, assume_sorted=False)

kind 引數用於指定內推的型別,(‘linear’, ‘zero’, ‘slinear’, ‘quadratic’, ‘cubic’, ‘previous’, ‘next’和 ‘nearest’。對於'linear',是預設值,表示線性插補,前面已描述;對於 ‘zero’, ‘slinear’, ‘quadratic’ 和 ‘cubic’ 引用的是spline內推,使用 zeroth, first, second 和 third 順序。對於 ‘previous’ 、 ‘next’ 和 ‘nearest’ 簡單返回資料點的前一個、後一個或最近的一個數據。

舉個例子,使用interp1d內推兩個函式,並繪製兩個函式插補的資料點:

>>> import scipy>>> from scipy.interpolate import interp1d>>> x = np.linspace(0, 10, num=11, endpoint=True)>>> y = np.cos(-x**2/9.0)>>> f = interp1d(x, y)>>> f2 = interp1d(x, y, kind='cubic')>>> xnew = np.linspace(0, 10, num=41, endpoint=True)>>> import matplotlib.pyplot as plt>>> plt.plot(x, y, 'o', xnew, f(xnew), '-', xnew, f2(xnew), '--')>>> plt.legend(['data', 'linear', 'cubic'], loc='best')>>> plt.show()
二,多變數插補(griddata)

對於多維的資料,維度之間是相互關聯的,例如,age、education和income是相互關聯的,可以認為income = f(age,education)。對於二維資料,使用griddata 內推一個二元函式,z=f(x,y)。

scipy.interpolate.griddata(points, values, xi, method='linear', fill_value=nan, rescale=False)

引數註釋:

points:自變數,對於二元函式而言,points是指由(x,y)構成的資料點values:因變數,values是指某一個數據點的值,對於二元函式而言,資料點(x,y)的值是z=f(x,y)xi:座標系,或者說是資料點在座標系中的位置,也可以把points的值作為座標系的x和y軸,把values作為座標系的z軸method:有效值是‘linear’, ‘nearest’, ‘cubic’三,spline類

一維spline的處理過程分為兩個基本步驟:計算曲線的spline表示,對目標點進行評估。scipy有兩種方式來計算曲線的spline表示和平滑係數:直接方式和引數化方式。

1,直接方式

直接方式使用splrep()函式從2維平面中查詢曲線的spline表示,x和y是曲線在二維座標系中的座標。

splrep()函式的作用是對於給定資料點集(x [i],y [i]),確定在間隔xb <= x <= xe上平滑度為k的近似值。

scipy.interpolate.splrep(x, y, w=None, xb=None, xe=None, k=3, task=0, s=None, t=None, full_output=0, per=0, quiet=1)

引數註釋:

x和y定義一個曲線,y=f(x)w 權重,用於在spline擬合時計算加權最小二乘法的值,w的預設值為1/(len(x))。如果y值中的誤差是向量d給出的標準偏差,則w應為1 / d。xb,xe:用於擬合的間隔,如果沒有指定,那麼預設值分別是x[0] 和 x[-1]。k 用於指定spline order,預設值是3,字串表示為cubic,k的取值區間是[1,5]s 用於制定平滑條件,滿足以下條件來確定平滑度:sum((w *(y-g))** 2,axis = 0)<= s,其中g(x)是(x,y)的平滑插值。 使用者可以使用s來控制貼合度和平滑度之間的權衡,較大的s表示更平滑,而較小的s值表示較不平滑。s的推薦值取決於權重w。 如果權重代表y的標準偏差的倒數,則應在(m-sqrt(2 * m),m + sqrt(2 * m))範圍內找到一個好的s值,其中m是 x,y和w中的資料點。 預設值:如果提供了權重,則s = m-sqrt(2 * m)。 如果未提供權重,則s = 0.0(內插)。

該函式輸出的結果是一個三元組tck,這個三元組就是曲線的spline表示,用於表示曲線的節點向量、係數和spline序號,預設的spline orde是cubic,這可以透過k引數來修改。一旦確定了曲線的spline表示,就可以使用splev()函式對x進行評估:

scipy.interpolate.splev(x, tck, der=0, ext=0)

舉個例子,使用splrep()函式來獲取曲線的spline表示,也就是tck,再透過tck和splev()函式來評估曲線:

>>> import matplotlib.pyplot as plt>>> from scipy.interpolate import splev, splrep>>> x = np.linspace(0, 10, 10)>>> y = np.sin(x)>>> spl = splrep(x, y)>>> x2 = np.linspace(0, 10, 200)>>> y2 = splev(x2, spl)>>> plt.plot(x, y, 'o', x2, y2)>>> plt.show()

2,引數化方式

對於在N維空間中的區間,使用函式splprep()來定義曲線的引數:

scipy.interpolate.splprep(x, w=None, u=None, ub=None, ue=None, k=3, task=0, s=None, t=None, full_output=0, nest=None, per=0)

引數註釋:

x:代表N維空間中曲線的N個數組的列表,每個陣列的長度都是曲線的點的數量,每一個數組都提供N維資料點的一個分量。u:是引數值的陣列,該引數預設為0到1之間的等距單調序列,計算公式是:

M = len(x[0]), where v[0] = 0v[i] = v[i-1] + distance(x[i], x[i-1])u[i] = v[i] / v[M-1]

ub,ue:引數間隔的端點,預設值是 u [0]和u [-1]。k:spline擬合的度,推薦使用預設值k=3,表示cubic,k的取值區間是[1,5]s:平滑度,是0到1之間的小數,0表示不平滑,值越大,平滑度越高。per:如果非0,那麼把資料點視為週期性曲線,週期為x [m-1]-x [0],並返回平滑的週期樣條近似。

預設輸出包含兩個物件:第一個物件是一個三元祖(t,c,k),分別表示曲線的節點向量、係數和spline序號;第二個物件是一個引數變數u。

對於函式splprep() 返回的spline表示,使用splev()函式來評估

>>> from scipy.interpolate import splprep, splev>>> tck, u = splprep([x, y], s=0)>>> new_points = splev(u, tck)>>> import matplotlib.pyplot as plt>>> fig, ax = plt.subplots()>>> ax.plot(x, y, 'ro')>>> ax.plot(new_points[0], new_points[1], 'r-')>>> plt.show()

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