¿Por qué la interpolación spline es mejor que la interpolación polinómica?

No creo que pueda decir que las splines son siempre mejores, pero para muchos conjuntos de datos puede ser beneficioso. El problema con tener muchos datos, especialmente si están separados aproximadamente por igual, es que la interpolación polinómica sufre los fenómenos de Runge. Esto significa que a medida que agrega más datos, las derivadas en cada uno de los puntos de datos tienden a crecer. Esto da como resultado grandes oscilaciones entre los puntos de datos que generalmente no tienden a ser “correctos”.

La interpolación de spline tiende a reducir en gran medida la oscilación entre puntos de datos. Parte de esto está en la derivación de las splines. Para splines típicas de tercer orden, en realidad puede derivar las ecuaciones de spline utilizando las ecuaciones de haz 1D. Dado eso, puede usar algo de intuición física para comprender por qué las splines pueden tener menos errores entre los datos. Puede ver el resultado de la spline al intentar doblar una viga para tocar cada uno de los puntos de datos. Como es un rayo, desviará una cantidad mínima entre los puntos de datos, haciendo lo suficiente para llegar al siguiente punto de datos.

Por lo tanto, la interpolación spline a menudo no tiene tanto error como la interpolación polinómica. Sin embargo, es posible espaciar los datos de tal manera que el ajuste polinómico realmente funcione bien. Pero las splines hacen un trabajo bastante bueno para un conjunto de datos genéricos (suponiendo que no haya valores atípicos), por lo que es un poco más confiable.

El documento original que introdujo la interpolación spline era una bestia diferente de lo que actualmente se llama interpolación spline. ¿Tal vez se ajustaba a la superficie de un ala de avión? Este es un artículo de finales de la década de 1960: no puedo pensar en los autores.

En cualquier caso, resolvieron la ecuación diferencial para una placa delgada. La solución para la superficie de ajuste minimizó la energía almacenada en la placa delgada. Este fue un buen análogo físico para la spline del dibujante: una herramienta de dibujo hecha de metal y utilizada para interpolar entre puntos con papel y lápiz.

Probablemente esto esté mal, pero de memoria la ecuación es algo así como a + bx + cy + ln (x ^ 2 + y ^ 2).

En cualquier caso, dado que existe un análogo físico, estaba más o menos garantizado de que las cosas no tendrían sentido. Lo que sea que haga la interpolación correspondería a lo que haría la herramienta de dibujo de placa delgada.

Las estrías modernas suelen ser polinomios por partes, de modo que son una forma de interpolación polinómica y han perdido la ventaja analógica física del original. Pueden hacer cosas raras al igual que otros esquemas de interpolación polinómica, pero tienen una gran caja de herramientas. Casi siempre hay un poco de sabor de interpolación spline que funcionará para su problema.

La interpolación polinómica es increíblemente suave ([matemática] C ^ \ infty [/ matemática]) y también increíblemente rígida. Para ver esto, trace el ajuste polinómico de grado 10 [matemática] f (x) = 0 [/ matemática] para [matemática] x = 0,1, \ ldots 10 [/ matemática], excepto [matemática] f (7) = 1 [/ matemáticas].

Recuerde, esta función es infinitamente diferenciable en todas partes. Pero esto se logra al tener un término de [matemáticas] x ^ {10} / 30240 [/ matemáticas], que crece muy rápidamente cuando [matemáticas] x> 10 [/ matemáticas].

La interpolación spline cúbica es bastante suave ([matemática] C ^ 2 [/ matemática]) y tiene cierta rigidez. Si tiene una calculadora spline, puede ajustarla al mismo conjunto de datos y ver el efecto.

La interpolación lineal no es uniforme ([matemática] C ^ 0 [/ matemática]), pero a cambio de eso, la respuesta a un cambio local (como cambiar [matemática] f (7) [/ matemática] de 0 a 1, o 1 a 2) también serán locales.

Esta compensación entre suavidad y localidad es inevitable (aunque es posible alejarse de la “frontera eficiente” de la compensación y encontrar interpoladores que no sean fluidos ni locales).

Aquí, solo porque puedo, hay una “spline quíntica” ajustada a los mismos datos, que tiene cuatro derivadas continuas: