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定义Definition

样条空间与节点重数

Spline space · Knot multiplicity · 节点重数与连续性

用节点重数规定分段多项式的拼接条件,计算空间维数,并明确跳变和端点取值。

形式陈述 ​

先固定次数 p≥0、区间 a<b 和内部断点 a<ξ1<⋯<ξm<b。给每个断点指定整数重数 1≤rj≤p+1。样条空间 Sp(ξ,r) 由各段次数至多 p 的实多项式组成,在 ξj 要求左右导数直到 p−rj 阶相等。rj=p+1 时不施加拼接条件,允许函数值跳变;这里不把 C−1 当作通常的连续函数空间。

为使跳变处也是单值函数,规定内部断点取右段值,b 取末段左极限。连续时两侧值当然相同。零长度区间不贡献一段多项式。一个断点重复书写多次,是记下允许放松多少条件,并不是要求在同一位置重复采集同一个函数值。

本页使用端点夹持的节点向量

t=(a,…,a⏟p+1,ξ1,…,ξ1⏟r1,…,ξm,…,ξm⏟rm,b,…,b⏟p+1).

向量非降排列。若有 N+p+1 个节点,编号为 t0,…,tN+p,则

N=p+1+∑j=1mrj=dim⁡Sp(ξ,r).

“次数 p”与“阶数 p+1”只差一,却会使下标和连续性公式全部错位;后文统一按次数记。

直觉

最左一段可自由选 p+1 个系数。跨过一个重数为 r 的断点时,右段原有 p+1 个系数,其中 p−r+1 个被左段的值与导数固定,只剩 r 个自由度。因此简单节点只多一个自由度,满重数节点则让下一段完全独立。

这也给维数的严格证明。把右段写成 ∑q=0paq(x−ξ)q,拼接条件逐项固定 q=0,…,p−r 的系数,因为第 q 阶导数在 ξ 为 q!aq。余下 r 个系数任意,沿断点从左到右推进,不会产生隐藏的相依约束。

还可以写出一组显式基:1,x,…,xp,以及每个 ξj 对应的

(x−ξj)+p−rj+1,…,(x−ξj)+p.

对 q>0,(x−ξ)+q 在 x≤ξ 为零,在右侧为 (x−ξ)q;q=0 时约定为右连续阶跃 1[ξ,b]。先确定最左多项式,再用这些项逐次修正右段新增的 Taylor 系数,就证明它们张成;若组合为零,逐段读取首个尚未消失的 Taylor 系数便证明线性无关。

例子与边界

取 p=2、[a,b]=[0,3],内部 1 的重数二、2 的重数一:

t=(0,0,0,1,1,2,3,3,3),dim⁡S=3+2+1=6.

在 1 只要求值连续,在 2 要求值与一阶导数连续。截断幂基可取 1,x,x2,(x−1)+,(x−1)+2,(x−2)+2。这组基容易证明维数;B样条基则用局部支撑组织同一个六维空间。

把 1 的重数升到三,空间维数升到七,可加入阶跃 1[1,3]。它在 1 的左极限为零、函数值和右极限为一,说明满重数确实允许跳变。原先连续的曲线仍属于新空间,不会因为节点表多写一次就自动跳起来。

重数给的是整个空间共同保证的最低光滑度。常数函数在任意节点向量中都无限可微,不能用 Cp−r 宣称每条曲线恰好只有这么光滑。把重数提高到 p+2 也不会创造新的分段多项式自由度;本文拒绝这种冗余输入。

推论与应用

端点夹持使B样条表示在两端直接读取首末系数。“夹持节点”是表示约定;三次插值中的 clamped 边界条件是指定端点导数,两者不是同一条件。自然三次样条还须满足插值和两条二阶导数边界方程,本页的空间本身并未选定那条曲线。

增加一个内部节点,或把已有重数增加一,会放宽拼接限制,因此旧空间嵌入新空间。节点插入计算同一旧函数在新基下的坐标。改系数可以改曲线,改表示也可以完全不改曲线。

参考资料
  • Carl de Boor,B(asic)-Spline Basics,§§5–6,Theorems 5–6,尤其有限区间约定 (6.3) 与节点重数规则。本页用逐段 Taylor 系数另写维数证明。
  • Carl de Boor,On calculating with B-splines,Journal of Approximation Theory 6 (1972), 50–62,§1:重节点和右连续规范。
关系图谱16 个相邻概念 · 2 类关系

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