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과학

삼차 스플라인 보간

삼차 스플라인 보간과학
영문명
Cubic spline interpolation
구간별 차수
삼차 이하
내부 연결
값과 일차와 이차 미분 연속
추가 설정
양 끝의 경계 조건
삼차 스플라인 보간은 표본점 사이에 삼차 이하 다항식을 배치하고 연결점에서 값과 일차와 이차 미분값이 이어지도록 구성하는 보간법이다. 전체 구간을 하나의 높은 차수 다항식으로 표현하는 방식과 다르다. 양 끝의 경계 조건도 결과에 영향을 준다.

각 구간에 별도의 식을 둔다

이웃한 구간의 식은 달라도 연결점에서 값과 두 미분값을 맞춘다. 따라서 단순한 구간별 선형 연결에서 생길 수 있는 기울기의 꺾임을 줄인다. 모든 구간에서 하나의 동일한 삼차식을 사용하는 것은 아니다.

세 표본의 자연 스플라인 예

점 (0,0), (1,1), (2,0)을 생각하자. 0부터 1까지 S(x) = 1.5x-0.5x³, 1부터 2까지 S(x) = 1.5(2-x)-0.5(2-x)³로 두면 세 점을 모두 지난다. 연결점 1에서 양쪽 식의 값은 1, 일차 미분값은 0, 이차 미분값은 -3이다.

자연 경계 조건을 확인한다

위 예에서는 0과 2에서 이차 미분값이 0이다. 이것이 자연 삼차 스플라인의 끝 조건이다. x = 0.5에서 값은 0.6875다. 같은 점들의 선형 보간값 0.5와 다르다. 양 끝의 기울기를 지정하는 경계 조건을 선택하면 다른 스플라인이 될 수 있다.

부드러움과 실제 정확도

미분값이 부드럽게 이어진다는 것은 선택한 보간식의 성질이다. 표본 사이의 실제 현상을 정확히 알게 되었다는 뜻은 아니다. 끝점의 이차 미분이 실제로 0이 아닌 문제에 자연 조건을 넣으면 끝 부근의 오차가 커질 수 있다. 데이터와 경계 조건을 함께 검토한다.

관련 문서

선형 보간 / 라그랑주 보간 / 다항식 / 수치 미분 / 미분 / 함수 / 부동 소수점