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Pythonで3次スプライン補間を実行するには？

関数y（x）を説明する2つのリストがあります。

x = [0,1,2,3,4,5]
y = [12,14,22,39,58,77]

3次スプライン補間を実行して、xのドメインに値uが与えられるようにします。

u = 1.25

Y（u）を見つけることができます。

私は見つけました これはSciPyでですが、私はそれを使用する方法がわかりません。

pythonscipyinterpolationsplinecubic-spline
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user112829

短い答え：

_from scipy import interpolate

def f(x):
    x_points = [ 0, 1, 2, 3, 4, 5]
    y_points = [12,14,22,39,58,77]

    tck = interpolate.splrep(x_points, y_points)
    return interpolate.splev(x, tck)

print(f(1.25))
_

長答：

scipyは、スプライン補間に含まれるステップを2つの操作に分割します。これは、計算効率を高めるためです。

  1. スプライン曲線を記述する係数は、splrep（）を使用して計算されます。 splrepは、係数を含むタプルの配列を返します。

  2. これらの係数はsplev（）に渡され、目的のポイントx（この例では1.25）でスプラインを実際に評価します。 xは配列にすることもできます。 f([1.0, 1.25, 1.5])を呼び出すと、それぞれ_1_、_1.25_、_1,5_の補間ポイントが返されます。

このアプローチは、単一の評価には明らかに不便ですが、最も一般的なユースケースは、少数の関数評価ポイントから開始し、スプラインを繰り返し使用して補間値を見つけることであるため、実際には通常非常に便利です。

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youngmit

場合には、scipyはインストールされていません：

import numpy as np
from math import sqrt

def cubic_interp1d(x0, x, y):
    """
    Interpolate a 1-D function using cubic splines.
      x0 : a float or an 1d-array
      x : (N,) array_like
          A 1-D array of real/complex values.
      y : (N,) array_like
          A 1-D array of real values. The length of y along the
          interpolation axis must be equal to the length of x.

    Implement a trick to generate at first step the cholesky matrice L of
    the tridiagonal matrice A (thus L is a bidiagonal matrice that
    can be solved in two distinct loops).

    additional ref: www.math.uh.edu/~jingqiu/math4364/spline.pdf 
    """
    x = np.asfarray(x)
    y = np.asfarray(y)

    # remove non finite values
    # indexes = np.isfinite(x)
    # x = x[indexes]
    # y = y[indexes]

    # check if sorted
    if np.any(np.diff(x) < 0):
        indexes = np.argsort(x)
        x = x[indexes]
        y = y[indexes]

    size = len(x)

    xdiff = np.diff(x)
    ydiff = np.diff(y)

    # allocate buffer matrices
    Li = np.empty(size)
    Li_1 = np.empty(size-1)
    z = np.empty(size)

    # fill diagonals Li and Li-1 and solve [L][y] = [B]
    Li[0] = sqrt(2*xdiff[0])
    Li_1[0] = 0.0
    B0 = 0.0 # natural boundary
    z[0] = B0 / Li[0]

    for i in range(1, size-1, 1):
        Li_1[i] = xdiff[i-1] / Li[i-1]
        Li[i] = sqrt(2*(xdiff[i-1]+xdiff[i]) - Li_1[i-1] * Li_1[i-1])
        Bi = 6*(ydiff[i]/xdiff[i] - ydiff[i-1]/xdiff[i-1])
        z[i] = (Bi - Li_1[i-1]*z[i-1])/Li[i]

    i = size - 1
    Li_1[i-1] = xdiff[-1] / Li[i-1]
    Li[i] = sqrt(2*xdiff[-1] - Li_1[i-1] * Li_1[i-1])
    Bi = 0.0 # natural boundary
    z[i] = (Bi - Li_1[i-1]*z[i-1])/Li[i]

    # solve [L.T][x] = [y]
    i = size-1
    z[i] = z[i] / Li[i]
    for i in range(size-2, -1, -1):
        z[i] = (z[i] - Li_1[i-1]*z[i+1])/Li[i]

    # find index
    index = x.searchsorted(x0)
    np.clip(index, 1, size-1, index)

    xi1, xi0 = x[index], x[index-1]
    yi1, yi0 = y[index], y[index-1]
    zi1, zi0 = z[index], z[index-1]
    hi1 = xi1 - xi0

    # calculate cubic
    f0 = zi0/(6*hi1)*(xi1-x0)**3 + \
         zi1/(6*hi1)*(x0-xi0)**3 + \
         (yi1/hi1 - zi1*hi1/6)*(x0-xi0) + \
         (yi0/hi1 - zi0*hi1/6)*(xi1-x0)
    return f0

if __name__ == '__main__':
    import matplotlib.pyplot as plt
    x = np.linspace(0, 10, 11)
    y = np.sin(x)
    plt.scatter(x, y)

    x_new = np.linspace(0, 10, 201)
    plt.plot(x_new, cubic_interp1d(x_new, x, y))

    plt.show()
15
raphael valentin

0.18.0以上のscipyバージョンがインストールされている場合、scipy.interpolateのCubicSpline関数を使用して3次スプライン補間を行うことができます。

Pythonで次のコマンドを実行して、scipyのバージョンを確認できます。

#!/usr/bin/env python3
import scipy
scipy.version.version

Scipyバージョンが0.18.0以上の場合、キュービックスプライン補間の次のサンプルコードを実行できます。

#!/usr/bin/env python3

import numpy as np
from scipy.interpolate import CubicSpline

# calculate 5 natural cubic spline polynomials for 6 points
# (x,y) = (0,12) (1,14) (2,22) (3,39) (4,58) (5,77)
x = np.array([0, 1, 2, 3, 4, 5])
y = np.array([12,14,22,39,58,77])

# calculate natural cubic spline polynomials
cs = CubicSpline(x,y,bc_type='natural')

# show values of interpolation function at x=1.25
print('S(1.25) = ', cs(1.25))

## Aditional - find polynomial coefficients for different x regions

# if you want to print polynomial coefficients in form
# S0(0<=x<=1) = a0 + b0(x-x0) + c0(x-x0)^2 + d0(x-x0)^3
# S1(1< x<=2) = a1 + b1(x-x1) + c1(x-x1)^2 + d1(x-x1)^3
# ...
# S4(4< x<=5) = a4 + b4(x-x4) + c5(x-x4)^2 + d5(x-x4)^3
# x0 = 0; x1 = 1; x4 = 4; (start of x region interval)

# show values of a0, b0, c0, d0, a1, b1, c1, d1 ...
cs.c

# Polynomial coefficients for 0 <= x <= 1
a0 = cs.c.item(3,0)
b0 = cs.c.item(2,0)
c0 = cs.c.item(1,0)
d0 = cs.c.item(0,0)

# Polynomial coefficients for 1 < x <= 2
a1 = cs.c.item(3,1)
b1 = cs.c.item(2,1)
c1 = cs.c.item(1,1)
d1 = cs.c.item(0,1)

# ...

# Polynomial coefficients for 4 < x <= 5
a4 = cs.c.item(3,4)
b4 = cs.c.item(2,4)
c4 = cs.c.item(1,4)
d4 = cs.c.item(0,4)

# Print polynomial equations for different x regions
print('S0(0<=x<=1) = ', a0, ' + ', b0, '(x-0) + ', c0, '(x-0)^2  + ', d0, '(x-0)^3')
print('S1(1< x<=2) = ', a1, ' + ', b1, '(x-1) + ', c1, '(x-1)^2  + ', d1, '(x-1)^3')
print('...')
print('S5(4< x<=5) = ', a4, ' + ', b4, '(x-4) + ', c4, '(x-4)^2  + ', d4, '(x-4)^3')

# So we can calculate S(1.25) by using equation S1(1< x<=2)
print('S(1.25) = ', a1 + b1*0.25 + c1*(0.25**2) + d1*(0.25**3))

# Cubic spline interpolation calculus example
    #  https://www.youtube.com/watch?v=gT7F3TWihvk
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nexayq

最小限のpython3コード：

from scipy import interpolate

if __name__ == '__main__':
    x = [ 0, 1, 2, 3, 4, 5]
    y = [12,14,22,39,58,77]

    # tck : Tuple (t,c,k) a Tuple containing the vector of knots,
    # the B-spline coefficients, and the degree of the spline.
    tck = interpolate.splrep(x, y)

    print(interpolate.splev(1.25, tck)) # Prints 15.203125000000002
    print(interpolate.splev(...other_value_here..., tck))

Cwhyのコメントとyoungmitによる回答に基づく

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Christophe Roussy