【Python学习之路】Scipy 插值
插值
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline
设置 Numpy 浮点数显示格式：
np.set_printoptions(precision=2, suppress=True)
从文本中读入数据，数据来自 http://kinetics.nist.gov/janaf/html/C-067.txt ，保存为结构体数组：
data = np.genfromtxt("JANAF_CH4.txt",
delimiter="\t", # TAB 分隔
skiprows=1, # 忽略首行
names=True, # 读入属性
missing_values="INFINITE", # 缺失值
filling_values=np.inf) # 填充缺失值
显示部分数据：
for row in data[:7]:
print "{}\t{}".format(row['TK'], row['Cp'])
print "...\t..."
0.0 0.0
100.0 33.258
200.0 33.473
250.0 34.216
298.15 35.639
300.0 35.708
350.0 37.874
... ...
绘图：
p = plt.plot(data['TK'], data['Cp'], 'kx')
t = plt.title("JANAF data for Methane $CH_4$")
a = plt.axis([0, 6000, 30, 120])
x = plt.xlabel("Temperature (K)")
y = plt.ylabel(r"$C_p$ ($\frac{kJ}{kg K}$)")
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-D34hjquN-1576402113341)(04.02-interpolation-with-scipy_files/04.02-interpolation-with-scipy_9_0.png)]
插值
假设我们要对这组数据进行插值。
先导入一维插值函数 interp1d：
interp1d(x, y)
from scipy.interpolate import interp1d
ch4_cp = interp1d(data['TK'], data['Cp'])
interp1d 的返回值可以像函数一样接受输入，并返回插值的结果。
单个输入值，注意返回的是数组：
ch4_cp(382.2)
array(39.565144000000004)
输入数组，返回的是对应的数组：
ch4_cp([32.2,323.2])
array([ 10.71, 36.71])
默认情况下，输入值要在插值允许的范围内，否则插值会报错：
ch4_cp(8752)
---------------------------------------------------------------------------
ValueError Traceback (most recent call last)
in ()
----> 1 ch4_cp(8752)
d:\Miniconda\lib\site-packages\scipy\interpolate\polyint.pyc in __call__(self, x)
77 """
78 x, x_shape = self._prepare_x(x)
---> 79 y = self._evaluate(x)
80 return self._finish_y(y, x_shape)
81
d:\Miniconda\lib\site-packages\scipy\interpolate\interpolate.pyc in _evaluate(self, x_new)
496 # The behavior is set by the bounds_error variable.
497 x_new = asarray(x_new)
--> 498 out_of_bounds = self._check_bounds(x_new)
499 y_new = self._call(self, x_new)
500 if len(y_new) > 0:
d:\Miniconda\lib\site-packages\scipy\interpolate\interpolate.pyc in _check_bounds(self, x_new)
526 "range.")
527 if self.bounds_error and above_bounds.any():
--> 528 raise ValueError("A value in x_new is above the interpolation "
529 "range.")
530
ValueError: A value in x_new is above the interpolation range.
但我们可以通过参数设置允许超出范围的值存在：
ch4_cp = interp1d(data['TK'], data['Cp'],
bounds_error=False)
不过由于超出范围，所以插值的输出是非法值：
ch4_cp(8752)
array(nan)
可以使用指定值替代这些非法值：
ch4_cp = interp1d(data['TK'], data['Cp'],
bounds_error=False, fill_value=-999.25)
ch4_cp(8752)
array(-999.25)
线性插值
interp1d 默认的插值方法是线性，关于线性插值的定义，请参见：
- 维基百科-线性插值： https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BA%BF%E6%80%A7%E6%8F%92%E5%80%BC
- 百度百科-线性插值： http://baike.baidu.com/view/4685624.htm
其基本思想是，已知相邻两点 x 1 , x 2 x_1,x_2 x1,x2 对应的值 y 1 , y 2 y_1,y_2 y1,y2 ，那么对于 ( x 1 , x 2 ) (x_1,x_2) (x1,x2) 之间的某一点 x x x ，线性插值对应的值 y y y 满足：点 ( x , y ) (x,y) (x,y) 在 ( x 1 , y 1 ) , ( x 2 , y 2 ) (x_1,y_1),(x_2,y_2) (x1,y1),(x2,y2) 所形成的线段上。
应用线性插值：
T = np.arange(100,355,5)
plt.plot(T, ch4_cp(T), "+k")
p = plt.plot(data['TK'][1:7], data['Cp'][1:7], 'ro', markersize=8)
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-iINEyXW5-1576402113342)(04.02-interpolation-with-scipy_files/04.02-interpolation-with-scipy_29_0.png)]
其中红色的圆点为原来的数据点，黑色的十字点为对应的插值点，可以明显看到，相邻的数据点的插值在一条直线上。
多项式插值
我们可以通过 kind 参数来调节使用的插值方法，来得到不同的结果：
nearest最近邻插值zero0阶插值linear线性插值quadratic二次插值cubic三次插值4,5,6,7更高阶插值
最近邻插值：
cp_ch4 = interp1d(data['TK'], data['Cp'], kind="nearest")
p = plt.plot(T, cp_ch4(T), "k+")
p = plt.plot(data['TK'][1:7], data['Cp'][1:7], 'ro', markersize=8)
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-rI4gJwYc-1576402113343)(04.02-interpolation-with-scipy_files/04.02-interpolation-with-scipy_33_0.png)]
0阶插值：
cp_ch4 = interp1d(data['TK'], data['Cp'], kind="zero")
p = plt.plot(T, cp_ch4(T), "k+")
p = plt.plot(data['TK'][1:7], data['Cp'][1:7], 'ro', markersize=8)
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-AJb886ej-1576402113343)(04.02-interpolation-with-scipy_files/04.02-interpolation-with-scipy_35_0.png)]
二次插值：
cp_ch4 = interp1d(data['TK'], data['Cp'], kind="quadratic")
p = plt.plot(T, cp_ch4(T), "k+")
p = plt.plot(data['TK'][1:7], data['Cp'][1:7], 'ro', markersize=8)
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-rhxLfjoQ-1576402113344)(04.02-interpolation-with-scipy_files/04.02-interpolation-with-scipy_37_0.png)]
三次插值：
cp_ch4 = interp1d(data['TK'], data['Cp'], kind="cubic")
p = plt.plot(T, cp_ch4(T), "k+")
p = plt.plot(data['TK'][1:7], data['Cp'][1:7], 'ro', markersize=8)
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-brDW7ElR-1576402113344)(04.02-interpolation-with-scipy_files/04.02-interpolation-with-scipy_39_0.png)]
事实上，我们可以使用更高阶的多项式插值，只要将 kind 设为对应的数字即可：
四次多项式插值：
cp_ch4 = interp1d(data['TK'], data['Cp'], kind=4)
p = plt.plot(T, cp_ch4(T), "k+")
p = plt.plot(data['TK'][1:7], data['Cp'][1:7], 'ro', markersize=8)
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-LYXNDx6F-1576402113344)(04.02-interpolation-with-scipy_files/04.02-interpolation-with-scipy_42_0.png)]
可以参见：
- 维基百科-多项式插值：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%9A%E9%A1%B9%E5%BC%8F%E6%8F%92%E5%80%BC
- 百度百科-插值法：http://baike.baidu.com/view/754506.htm
对于二维乃至更高维度的多项式插值：
from scipy.interpolate import interp2d, interpnd
其使用方法与一维类似。
径向基函数
关于径向基函数，可以参阅：
- 维基百科-Radial basis fucntion：https://en.wikipedia.org/wiki/Radial_basis_function
径向基函数，简单来说就是点 x x x 处的函数值只依赖于 x x x 与某点 c c c 的距离：
Φ ( x , c ) = Φ ( ∥ x − c ∥ ) \Phi(x,c) = \Phi(\|x-c\|) Φ(x,c)=Φ(∥x−c∥)
x = np.linspace(-3,3,100)
常用的径向基（RBF）函数有：
高斯函数：
plt.plot(x, np.exp(-1 * x **2))
t = plt.title("Gaussian")
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-5VUWsG6s-1576402113345)(04.02-interpolation-with-scipy_files/04.02-interpolation-with-scipy_50_0.png)]
Multiquadric 函数：
plt.plot(x, np.sqrt(1 + x **2))
t = plt.title("Multiquadric")
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-sDMhklrP-1576402113345)(04.02-interpolation-with-scipy_files/04.02-interpolation-with-scipy_52_0.png)]
Inverse Multiquadric 函数：
plt.plot(x, 1. / np.sqrt(1 + x **2))
t = plt.title("Inverse Multiquadric")
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-BbIVB1mZ-1576402113345)(04.02-interpolation-with-scipy_files/04.02-interpolation-with-scipy_54_0.png)]
径向基函数插值
对于径向基函数，其插值的公式为：
f ( x ) = ∑ j n j Φ ( ∥ x − x j ∥ ) f(x) = \sum_j n_j \Phi(\|x-x_j\|) f(x)=j∑njΦ(∥x−xj∥)
我们通过数据点 x j x_j xj 来计算出 n j n_j nj 的值，来计算 x x x 处的插值结果。
from scipy.interpolate.rbf import Rbf
使用 multiquadric 核的：
cp_rbf = Rbf(data['TK'], data['Cp'], function = "multiquadric")
plt.plot(data['TK'], data['Cp'], 'k+')
p = plt.plot(data['TK'], cp_rbf(data['TK']), 'r-')
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-GHEvkmSi-1576402113346)(04.02-interpolation-with-scipy_files/04.02-interpolation-with-scipy_59_0.png)]
使用 gaussian 核：
cp_rbf = Rbf(data['TK'], data['Cp'], function = "gaussian")
plt.plot(data['TK'], data['Cp'], 'k+')
p = plt.plot(data['TK'], cp_rbf(data['TK']), 'r-')
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-U3HwOd5C-1576402113346)(04.02-interpolation-with-scipy_files/04.02-interpolation-with-scipy_61_0.png)]
使用 nverse_multiquadric 核：
cp_rbf = Rbf(data['TK'], data['Cp'], function = "inverse_multiquadric")
plt.plot(data['TK'], data['Cp'], 'k+')
p = plt.plot(data['TK'], cp_rbf(data['TK']), 'r-')
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-dOyJKHaK-1576402113346)(04.02-interpolation-with-scipy_files/04.02-interpolation-with-scipy_63_0.png)]
不同的 RBF 核的结果也不同。
高维 RBF 插值
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
三维数据点：
x, y = np.mgrid[-np.pi/2:np.pi/2:5j, -np.pi/2:np.pi/2:5j]
z = np.cos(np.sqrt(x**2 + y**2))
fig = plt.figure(figsize=(12,6))
ax = fig.gca(projection="3d")
ax.scatter(x,y,z)
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-YNxrRKMk-1576402113347)(04.02-interpolation-with-scipy_files/04.02-interpolation-with-scipy_69_1.png)]
3维 RBF 插值：
zz = Rbf(x, y, z)
xx, yy = np.mgrid[-np.pi/2:np.pi/2:50j, -np.pi/2:np.pi/2:50j]
fig = plt.figure(figsize=(12,6))
ax = fig.gca(projection="3d")
ax.plot_surface(xx,yy,zz(xx,yy),rstride=1, cstride=1, cmap=plt.cm.jet)
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-GtKDPsUT-1576402113347)(04.02-interpolation-with-scipy_files/04.02-interpolation-with-scipy_72_1.png)]