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文檔簡介
1、<p> 《科學(xué)與工程計(jì)算課程設(shè)計(jì)》報(bào)告書</p><p> 題 目: 數(shù)值插值與擬合 </p><p> 姓 名: XXX </p><p> 同組人員: XXXXXXXXX XXX </p><p> 班 級: XXXX
2、XX </p><p> 學(xué) 號: 08100XXX </p><p> 指導(dǎo)教師: XXXX </p><p> 2010年06月 21 日</p><p><b> 目 錄</b></p><
3、;p><b> 引言</b></p><p> 插值 ------------------------------------------------------------- 1 </p><p> 擬合 --------------------------------------------------------------1</p&
4、gt;<p><b> 理論描述</b></p><p> 1.插值法的基本原理 -------------------------------------------------2</p><p> 2.常見插值法 ---------------------------------------------------------3</p&g
5、t;<p> 3.插值法公式描述-------------------------------------------------------3</p><p> 插值與擬合的Matlab或C程序?qū)崿F(xiàn)------------------------6</p><p> 插值及擬合實(shí)際應(yīng)用例-----------------------------------------
6、-7</p><p> 插值及擬合優(yōu)缺點(diǎn)------------------------------------------------11</p><p> 六、參考文獻(xiàn)--------------------------------------------------------------11</p><p><b> 一 引言</b&g
7、t;</p><p> 1、在我們生活中許多實(shí)際問題都是用函數(shù)y=f(x)來表示某種內(nèi)在規(guī)律的關(guān)心,其中相當(dāng)一部分函數(shù)是通過實(shí)驗(yàn)或觀測得到的。雖然f(x)在某個(gè)區(qū)間[a,b]上存在的,有的還是連續(xù)的,但卻只能給出[a,b]上一系列點(diǎn)xi的函數(shù)值yi=f(xi)(i=0,1,…,n),這只是一張函數(shù)表,為了研究函數(shù)的變化規(guī)律,往往需要求出不在表上的函數(shù)值,因此我們希望根據(jù)給定的函數(shù)表構(gòu)造一個(gè)既能反映函數(shù)f(x)的
8、特性、又便于計(jì)算的簡單函數(shù)P(x),用P(x)近似f(x)。通常選一類較簡單的函數(shù)如代數(shù)多項(xiàng)式或分段函數(shù)代數(shù)多項(xiàng)式作為P(x)并使P(xi)=f(xi)對于i=0,1…,n成立,這樣確定的P(x)就是我們希望得到的插值函數(shù)。</p><p> 插值法是一種古老的數(shù)學(xué)方法,它來自于生產(chǎn)實(shí)踐,早在一千多年前我國科學(xué)家在研究歷法中就應(yīng)用里線性插值與二次插值,但它的基本理論和結(jié)果卻是在微積分產(chǎn)生以后逐步完善的,其應(yīng)用也
9、日益增多。特別是在電子計(jì)算機(jī)廣泛使用以后,由于航空、造船、精密機(jī)械加工等實(shí)際問題的需要,插值法在實(shí)踐上和理論上顯得更為重要。</p><p> 例如:在現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)中用計(jì)算機(jī)程序控制加工機(jī)械零件,根據(jù)設(shè)計(jì)可給出零件外形曲線的某些型值點(diǎn)(xi,yi)(i=0,1,…,n),加工時(shí)為控制每步走刀方向及步數(shù),就要算出零件外形曲線其他點(diǎn)的函數(shù)值,才能加工出外表光滑的零件,這就是求插值函數(shù)的問題。</p>
10、<p> 2、在科學(xué)實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)方法研究中,往往要從一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(xi,yi) (i=0,1,…,n)中尋找自變量x與因變量y之間的函數(shù)關(guān)系y=F(x)。由于觀測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)往往不準(zhǔn)確,因此不要求y=F(x)經(jīng)過所有點(diǎn)(xi,yi),而只要求在給定點(diǎn)xi上的誤插i=F(xi)—yi (i=0,1…,m) 按某種標(biāo)準(zhǔn)最小。求擬合曲線時(shí)首先要確定F(x)的形式,這不是單純的數(shù)學(xué)問題,還與所研究的問題的運(yùn)動規(guī)律及所得觀測數(shù)據(jù)(xi,yi
11、)有關(guān),通常要從問題的運(yùn)動規(guī)律及給定數(shù)據(jù)描述圖來確定F(xi)的形式,并通過實(shí)際計(jì)算選出較好的結(jié)果。如果待定函數(shù)是線性的就叫做線性擬合或線性回歸,否則叫做非線性擬合或非線性回歸,表達(dá)式也可以是分段函數(shù)這種情況下叫做樣條擬合。 本文主要就插值與擬合的常用方法進(jìn)行簡要的分析與程序?qū)嶒?yàn)及 實(shí)際例題分析。</p><p><b> 二 理論算法描述</b></p><
12、;p> 1.插值法的基本原理</p><p> 設(shè)函數(shù)y=f(x)定義在區(qū)間[a, b]上, X0 X1 …Xn是[a, b]上取定的n+1個(gè)互異節(jié)點(diǎn),且在這些點(diǎn)處的函數(shù)值為已知 f(x0) f(x1) …f(xn) ,</p><p> 即 yi=f(xi) 若存在一個(gè)f(x)的近似函數(shù) 滿足 </p><p><b>
13、(2.1)</b></p><p> 則稱 為f(x)的一個(gè)插值函數(shù), f(x)為被插函數(shù), 點(diǎn)xi為插值節(jié)點(diǎn), 稱(2.1)式為插值條件, 而誤差函數(shù)R(x)= 稱為插值余項(xiàng), 區(qū)間[a, b]稱為插值區(qū)間, 插值點(diǎn)在插值區(qū)間內(nèi)的稱為內(nèi)插, 否則稱外插 </p><p> 插值函數(shù) 在n+1個(gè)互異插值節(jié)點(diǎn) xi (i=0
14、,1,…,n )處與f(xi)相等,在其它點(diǎn)x就用 的值作為f(x) 的近似值。這一過程稱為插值,點(diǎn)x稱為插值點(diǎn)。換句話說, 插值就是根據(jù)被插函數(shù)給出的函數(shù)表“插出”所要點(diǎn)的函數(shù)值。用 的值作為f(x)的近似值。</p><p> 2.常見插值法與擬合曲線</p><p> 1代數(shù)插值法,2 Lagrange插值,3逐次線性插值,4 Newon插值,</p>
15、<p> 5等距節(jié)點(diǎn)插值,6 Hermite, 7 分段低次插值,8三次樣條插值,9多元函數(shù)插值,10切比雪夫多項(xiàng)式零點(diǎn)插值 11三角插值。</p><p> 1直線 2 多項(xiàng)式 一般n=2,3 不宜過高 3雙曲線 (一支) 4指數(shù)曲線 </p><p> 3.插值與擬合公
16、式描述</p><p><b> 1)代數(shù)插值法</b></p><p> 設(shè) </p><p> 若滿足P(xi)=f(xi) ai R (i=0,1,…n) 則稱P(x)為f(x)的n次插值多項(xiàng)式。</p><p> 由插值條件P
17、(xi)=f(xi) (i=0,1,…n)知</p><p><b> 因?yàn)?lt;/b></p><p> 稱為Vandermonde(范德蒙)行列式,因xi≠xj(當(dāng)i≠j),故V≠0。根據(jù)解線性方程組的克萊姆(Gramer)法則,方程組的解存在惟一,從而P(x)被惟一確定。 </p><p> 2.Lagrange插值法</p&g
18、t;<p> 兩個(gè)插值點(diǎn)可求出一次插值多項(xiàng)式,而三個(gè)插值點(diǎn)可求出二次插值多項(xiàng)式。插值點(diǎn)增加到n+1個(gè)時(shí),也就是通過n+1個(gè)不同的已知點(diǎn)(xi yi) (i=0,1,…n)來構(gòu)造一個(gè)次數(shù)為n的代數(shù)多項(xiàng)式P(x)。與推導(dǎo)拋物插值的基函數(shù)類似,先構(gòu)造一個(gè)特殊n次多項(xiàng)式 的插值問題,使其在各節(jié)點(diǎn) xi上滿足 </p><p><b> 即</b></p>&
19、lt;p> 由條件 ( ) 知, 都是n次 的零點(diǎn),故可設(shè)</p><p> 其中 為待定常數(shù)。由條件 ,可求得 </p><p> 由 知 代入上式有</p><p> 稱
20、 為關(guān)于基點(diǎn) xi的n次插值基函數(shù)(i=0,1,…,n) </p><p> 以n+1個(gè)n次基本插值多項(xiàng)式</p><p> 為基礎(chǔ),就能直接寫出滿足插值條件</p><p> 的n次代數(shù)插值多項(xiàng)式。</p><p> 事實(shí)上,由于每個(gè)插值基函數(shù)</p><p> 都是n次值多項(xiàng)式,所以他們的線性組合
21、</p><p> 是次數(shù)不超過n次的多項(xiàng)式 , 稱形如上式的插值多項(xiàng)式為n次拉格朗日插值多項(xiàng)式。并記為 </p><p><b> 引入記號</b></p><p><b> 則得 </b></p><p><b> 于是</b></p><p&g
22、t;<b> 插值余項(xiàng)為 </b></p><p> 3.Newton 插值法</p><p> 由線性代數(shù)知,任何一個(gè)不高于n次的多項(xiàng)式, 都可以表示成函數(shù)</p><p> 的線性組合, 也就是說, 可以把滿足插值條件P(xi)=yi (i=0,1,…,n)的n次插值多項(xiàng)式, 寫成如下形式</p><p>
23、; 其中ak (k=0,1,2,…,n)為待定系數(shù),這種形式的插值多項(xiàng)式我們把它記為Nn(x)即 (3.1) 它滿足</p><p> 其中ak (k=0,1,2,…,n)為待定系數(shù),形如
24、(3.1)插值多項(xiàng)式稱為牛頓(Newton)插值多項(xiàng)式。 </p><p><b> m階插商</b></p><p><b> 經(jīng)數(shù)學(xué)證明知 </b></p><p> 所以n次牛頓(Newton)插值公式為 </p><p><b> 其余項(xiàng)為</b></p&
25、gt;<p><b> 4.三次樣條插值法</b></p><p> 對于給定節(jié)點(diǎn)a=x0<x1<…<xn=b,若存在函數(shù)S(x)滿足:</p><p> 1)在每個(gè)小區(qū)間是一個(gè)次數(shù)不超過3次得多項(xiàng)式;</p><p> 2)在每一個(gè)內(nèi)節(jié)點(diǎn)上具有直到二階的連續(xù)導(dǎo)數(shù),則稱s(x)是節(jié)點(diǎn)x0,x1,…xn上的
26、三次樣條函數(shù),若在節(jié)點(diǎn)上給定函數(shù)f(xj)=yj (j=0,…,n),并滿足</p><p> 3)S(xj)=yj,j=0,1,…,n</p><p> 則稱S(x)是三次樣條插值函數(shù)。</p><p><b> 5.最小二乘擬合</b></p><p> 線性最小二乘問題一般提法:對于給定的數(shù)據(jù),要求在給定函
27、數(shù)類中找一個(gè)函數(shù)使?jié)M足 </p><p> 更一般提法,要求問題歸結(jié)為求,既求系數(shù)使得取得最小值。引進(jìn)內(nèi)積記號 </p><p> 此方程組稱為法方程,因線性無關(guān),故法方程系數(shù)行列式,法方程有唯一解,可見系數(shù)滿足正規(guī)方程。反之亦然。常用代數(shù)多項(xiàng)式擬合,。正規(guī)方程為</p><p> 三Matlab或 C程序?qū)崿F(xiàn)</p><p>
28、1, Lagrange 插值法</p><p> x=input('請輸入x=');</p><p> y=input('請輸入y=');</p><p> n=length(x);</p><p> z=input('請輸入節(jié)點(diǎn)z=');</p><p><
29、;b> L=0;</b></p><p><b> for i=1:n</b></p><p><b> t=1;</b></p><p> for j=1:n;</p><p><b> if j~=i;</b></p><p&
30、gt; t=t*(z-x(j))/(x(i)-x(j));</p><p><b> end</b></p><p><b> end</b></p><p> L=L+t*y(i);</p><p><b> end</b></p><p>
31、 fprintf('函數(shù)L(%6.2f)=%10.6f\n',z,L);</p><p> 2. Newton插值法</p><p> x=input('x=');</p><p> y=input('y=');</p><p> z=input('所求函數(shù)值的點(diǎn)z='
32、);;</p><p> n=length(x);</p><p> for j=2:1:n</p><p> for i=n:-1:j</p><p> y(i)=(y(i)-y(i-1))/(x(i)-x(i-j+1));</p><p><b> end</b></p>
33、<p><b> end</b></p><p><b> u=y(n);</b></p><p> for i=n-1:-1:1</p><p> u=y(i)+u*(z-x(i));</p><p><b> end</b></p>&
34、lt;p><b> r=y(n);</b></p><p><b> for i=1:n</b></p><p> r=r*(z-x(i));</p><p><b> end</b></p><p> fprintf('f(%8.5f)=%8.5f\n
35、',z,u);</p><p> fprintf('截?cái)嗾`插R(%8.5f)=%15.14f\n',z,abs(r));</p><p><b> 3 艾爾米特插值法</b></p><p> function y=hermite(x0,y0,y1,x)</p><p> n=length
36、(x0); m=length(x);</p><p> for k=1:m yy=0.0;</p><p> for i=1:n h=1.0; a=0.0;</p><p><b> for j=1:n</b></p><p><b> if j~=i</b><
37、/p><p> h=h*((x(k)-x0(j))/(x0(i)-x0(j)))^2;</p><p> a=1/(x0(i)-x0(j))+a;</p><p><b> end</b></p><p><b> end</b></p><p> yy=yy+h*((
38、x0(i)-x(k))*(2*a*y0(i)-y1(i))+y0(i));</p><p><b> end</b></p><p><b> y(k)=yy;</b></p><p><b> end</b></p><p> 4. 線性最小二乘法擬合</p&g
39、t;<p> 已知n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(xi,yi) (i=0,1,…,n)構(gòu)造多項(xiàng)式擬合曲線</p><p> function c=lspoly(x,y,m)</p><p> n=length(x);</p><p> b=zeros(1:m+1);</p><p> f=zeros(n,m+1);</p>
40、<p> from k=1:m+1</p><p> f(:,k)=x’.^(k-1);</p><p><b> end</b></p><p><b> a=f’*f;</b></p><p><b> b=f’*y’;</b></p>&
41、lt;p><b> c=a\b;</b></p><p> c=flipud(c);</p><p> 四 插值及擬合實(shí)際應(yīng)用例</p><p> 1 設(shè)人們對物理背景下的一平板上的溫度分布估計(jì)感興趣,給定的溫度值取自平板表面均勻分布的特點(diǎn),假設(shè)采集了下列的數(shù)據(jù):</p><p> Width=1:5;&
42、lt;/p><p> Depth=1:3;</p><p> Temps=[80 82 81 84;78 67 60 64 81;84 86 82 81 83]</p><p> 要求平板高度為2處個(gè)點(diǎn)的溫度、平板的溫度分布并繪制溫度曲線。</p><p> 三次多項(xiàng)式插值求解程序</p><p> >&g
43、t; width=1:5;</p><p> >> depth=1:3;</p><p> >> temps=[80 82 80 81 84;78 67 60 64 81;84 86 82 81 83];</p><p> >> dd=1:0.1:3;</p><p> >> ww=1:
44、0.2:5;</p><p> >> [wi,di]=meshgrid(ww,dd);</p><p> >> zcubic=interp2(width,depth,temps,wi,di,'cubic');</p><p> >> mesh(width,depth,temps) %畫原始數(shù)據(jù)圖</p&
45、gt;<p><b> >> pause</b></p><p> >> mesh(wi,di,zcubic);%畫立方插值分布圖</p><p><b> 原始數(shù)據(jù)圖</b></p><p><b> 立方插值分布圖</b></p><
46、;p> 當(dāng)數(shù)據(jù)不能構(gòu)成矩陣時(shí),要使用 griddata()它采用三角形插值法</p><p> 調(diào)用格式 zi=griddata(x,y,z,xi,yi,’method’)</p><p><b> 2 水深測量問題</b></p><p> 在某海域測得一些點(diǎn)(x,y)處得水深z(單位:英尺)見下表。水深數(shù)據(jù)是低潮時(shí)測得的。船吃
47、水深度為5英尺,問在矩形區(qū)域(75,200)*(-50,150)里的哪些地方船只能避免進(jìn)入?</p><p> 解水深數(shù)據(jù)是低潮時(shí)測得的,畫出水道的的地形圖和等高線圖,就可得到船要避免進(jìn)入的區(qū)域,</p><p> x=[129.0 140.0 103.5 88.0 185.5 195.0 105.5 157.5 107.5 77.0 </p><p> 81
48、.0 162.0 162.0 117.5] </p><p> y=[7.5 141.5 23.0 147.0 22.5 137.5 85.5 -6.5 -81.0 3.0 56.5 -66.5 84.0 -33.5]</p><p> z=[4 8 6 8 6 8 8 9 9 8 8 9 4 9]</p><p> xi=linspace(min(x),ma
49、x(x),40);</p><p> yi=linspace(min(y),max(y),40);</p><p> [XI,YI]=meshgrid(xi,yi);</p><p> [XI,YI,ZI]=griddata(x,y,z,XI,YI,’cubic’);</p><p> mesh(XI,YI,ZI);</p>
50、;<p> xlabel(‘X’); ylabel(‘Y’); zlabel(‘Depth’);</p><p> figure;[c,h]=contour(XI,YI,ZI);</p><p> clabel(c,h);xlabel(‘X’);ylabel(‘Y’); </p><p> 運(yùn)行結(jié)果知 等高線圖中水
51、深淺于5英尺的區(qū)域,船要避免進(jìn)入。</p><p><b> 擬合</b></p><p> 用切削機(jī)床進(jìn)行金屬品加工時(shí), 為了適當(dāng)?shù)卣{(diào)整機(jī)床, 需要測定刀具的磨損速度. 在一定的時(shí)間測量刀具的厚度, 得數(shù)據(jù)如表所示:</p><p><b> 解 描出散點(diǎn)圖</b></p><p> t=
52、[0:1:16]</p><p> y=[30.0 29.1 28.4 28.1 28.0 27.7 27.5 27.2 27.0 26.8 26.5 26.3 26.1 25.7 25.3 24.8 24.0]</p><p> plot(t,y,’*’)</p><p> a=polyfit(t,y,1)</p><p> a =
53、 -0.3012 29.3804</p><p><b> hold on</b></p><p> y1=-0.3012*t+29.3804</p><p> plot(t, y1), hold off</p><p> 2在化學(xué)反應(yīng)過程中,測得不同時(shí)間某化合物的濃度,如下表,試建立該化合物的濃度隨時(shí)間
54、變化的函數(shù)f(t),并計(jì)算f(20).</p><p> 解 與maltab命令行中輸入</p><p><b> t=[1:16];</b></p><p> y=[4 6.4 8.0 8.4 9.28 9.5 9.7 9.86 10 10.2 10.32 10.42 10.5 10.55 10.58 10.6]</p>
55、<p> p=ployfit(t,y,2)</p><p> p=-0.0445 1.0711 4.3252</p><p> 即最小二乘擬合二次多項(xiàng)式為f(t)=-0.0445t^2+1.0711t+4.3252</p><p><b> 再輸入 </b></p><p> t0=20;f0=pol
56、yval(p,t0)</p><p> 得到輸出結(jié)果為 f0=7.9502</p><p> 再輸入 ti=0:0.1:16;yi=polyval(p,ti);plot(t,y,’?!?ti,yi)</p><p> 則輸出 數(shù)據(jù)點(diǎn)和和最小二乘擬合二次多項(xiàng)式的圖形。</p><p><b> 3非線性擬合</b>
57、;</p><p> x=lsqcurvefit(fun, x0, xdata, ydata)</p><p> [x, resnorm]=lsqcurvefit(fun, x0, xdata, ydata)</p><p> 功能 根據(jù)給定的數(shù)據(jù) xdata, ydata (對應(yīng)點(diǎn)的橫, 縱坐標(biāo)), 按函數(shù)文件 fun 給定的函數(shù), 以x0為初值作最小二乘擬
58、合, 返回函數(shù) fun中的系數(shù)向量x和殘差的平方和resnorm.</p><p> 已知觀測數(shù)據(jù)點(diǎn)如表所示</p><p> 求三個(gè)參數(shù) a, b, c的值, 使得曲線 f(x)=aex+bx2+cx3 與已知數(shù)據(jù)點(diǎn)在最小二乘意義上充分接近.</p><p><b> 程序</b></p><p> x=0:0
59、.1:1;</p><p> y=[3.1,3.27,3.81,4.5,5.18,6,7.05,8.56,9.69,11.25,13.17];</p><p> x0=[0,0,0];</p><p> [beta,r,J]=nlinfit(x',y','nihehanshu',x0);</p><p>
60、 結(jié)果 beta = 3.0022 4.0304 0.9404</p><p> 說明: 最小二乘意義上的最佳擬合函數(shù)為</p><p> f(x)= 3ex+ 4.03x2 + 0.94 x3.</p><p> 此時(shí)的殘差是: 0.0912.</p><p> 五、插值及擬合評價(jià)分析</p>&l
61、t;p> 1.代數(shù)插值多項(xiàng)式 在n較小時(shí)能得到較好結(jié)果,但當(dāng)n較大時(shí)解方程組的計(jì)算量較大,而且方程組系數(shù)矩陣的狀態(tài)數(shù)一般較大,不容易得到精度較高的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。</p><p> 2.用Lagrange插值多項(xiàng)式Ln(x)計(jì)算函數(shù)近似值時(shí)要確定f(x)在某一點(diǎn)x*處的近似值預(yù)先不知道要選擇多少個(gè)插值節(jié)點(diǎn)為宜。如需增加插值節(jié)點(diǎn)那么原來算出的數(shù)據(jù)均不能利用,必須重新計(jì)算。它是數(shù)值積分與常微分方程數(shù)值解的重要
62、工具,理論上較重要。</p><p> 3.Newton插值法比Lagrange插值能節(jié)省計(jì)算量,且便于程序設(shè)計(jì)。它對于f是由離散點(diǎn)給出的情形或f導(dǎo)數(shù)不存在時(shí)均適用。</p><p> 4.不少實(shí)際問題不但要求在節(jié)點(diǎn)上函數(shù)值相等,而且還要求它的導(dǎo)數(shù)值相等,甚至高階導(dǎo)數(shù)值也相等,滿足這種要求的插值多項(xiàng)式就是Hermite插值多項(xiàng)式。</p><p> 5.分段多
63、項(xiàng)式插值 特別是三次樣條插值具有良好的的穩(wěn)定性與收斂性,又有二階光滑度 因此便于應(yīng)用特別是樣條差值函數(shù)的理論與應(yīng)用。</p><p> 在實(shí)際應(yīng)用中采用哪種插值較好必須經(jīng)過對實(shí)際插值節(jié)點(diǎn)分析與實(shí)際問題結(jié)合 多次實(shí)驗(yàn)才能確定較好的插值法。</p><p> 擬合實(shí)際問題時(shí)要從描繪散點(diǎn)圖開始 經(jīng)過對散點(diǎn)圖的分析試確定擬合哪種曲線精度較好 通過軟件分析 最后確定擬合曲線。</p>
64、<p><b> 六、參考書籍</b></p><p> 數(shù)值分析第四版 華中科技大學(xué)出版社</p><p> 數(shù)值分析第五版 清華大學(xué)出版社</p><p> 數(shù)值分析及實(shí)驗(yàn) 科學(xué)出版社</p><p> Matlab數(shù)值分析及應(yīng)用</p><p> 應(yīng)用計(jì)算方法教程
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