SciPy 插值

什么是插值？

在数学的数值分析领域中，插值（英语：interpolation）是一种通过已知的、离散的数据点，在范围内推求新数据点的过程或方法。

简单来说插值是一种在给定的点之间生成点的方法。

例如：对于两个点 1 和 2，我们可以插值并找到点 1.33 和 1.66。

插值有很多用途，在机器学习中我们经常处理数据缺失的数据，插值通常可用于替换这些值。

这种填充值的方法称为插补。

除了插补，插值经常用于我们需要平滑数据集中离散点的地方。

如何在 SciPy 中实现插值？

SciPy 提供了 scipy.interpolate 模块来处理插值。

一维插值

一维数据的插值运算可以通过方法 interp1d() 完成。

该方法接收两个参数 x 点和 y 点。

返回值是可调用函数，该函数可以用新的 x 调用并返回相应的 y，y = f(x)。

对给定的 xs 和 ys 插值，从 2.1、2.2... 到 2.9：

from scipy.interpolate import interp1d
import numpy as np

xs = np.arange(10)
ys = 2*xs + 1

interp_func = interp1d(xs, ys)

newarr = interp_func(np.arange(2.1, 3, 0.1))

print(newarr)

输出结果为：

[5.2  5.4  5.6  5.8  6.   6.2  6.4  6.6  6.8]

注意：新的 xs 应该与旧的 xs 处于相同的范围内，这意味着我们不能使用大于 10 或小于 0 的值调用 interp_func()。

单变量插值

在一维插值中，点是针对单个曲线拟合的，而在样条插值中，点是针对使用多项式分段定义的函数拟合的。

单变量插值使用 UnivariateSpline() 函数，该函数接受 xs 和 ys 并生成一个可调用函数，该函数可以用新的 xs 调用。

分段函数，就是对于自变量 x 的不同的取值范围，有着不同的解析式的函数。

为非线性点找到 2.1、2.2...2.9 的单变量样条插值：

from scipy.interpolate import UnivariateSpline
import numpy as np

xs = np.arange(10)
ys = xs**2 + np.sin(xs) + 1

interp_func = UnivariateSpline(xs, ys)

newarr = interp_func(np.arange(2.1, 3, 0.1))

print(newarr)

输出结果为：

[5.62826474 6.03987348 6.47131994 6.92265019 7.3939103  7.88514634
   8.39640439 8.92773053 9.47917082]

径向基函数插值

径向基函数是对应于固定参考点定义的函数。

曲面插值里我们一般使用径向基函数插值。

Rbf() 函数接受 xs 和 ys 作为参数，并生成一个可调用函数，该函数可以用新的 xs 调用。

from scipy.interpolate import Rbf
import numpy as np

xs = np.arange(10)
ys = xs**2 + np.sin(xs) + 1

interp_func = Rbf(xs, ys)

newarr = interp_func(np.arange(2.1, 3, 0.1))

print(newarr)

输出结果为：

  [6.25748981  6.62190817  7.00310702  7.40121814  7.8161443   8.24773402
   8.69590519  9.16070828  9.64233874]