Розглянемо найбільш відомий й поширений інтерполяційний сплайн порядку 3 дефекту 1. Ці сплайни порівняно недавно почали широко вживатися в обчислювальній математиці. В машинобудівельному кресленні вони застосовуються багато років, тому що це і є лекала чи гнучкі лінійки, які деформуються так, щоб з їх допомогою можна було провести криву через задані точки Можна показати (вживаючи теорію згину брусу при малих деформаціях), що сплайн – це група сполучених кубічних багаточленів, в місцях сполучення яких перша та друга похідні безперервні. Такі функції звуться кубічними сплайнами. Для їх побудови необхідно задати коефіцієнти, які однозначно визначають поліном у проміжку між двома точками.
Наведемо математичний опис кубічних сплайнів:
Нехай на відрізку дійсної осі
задана сітка
, в вузлах якої визначені значення
функції
. Потрібно побудувати на відрізку
неперервну функцію – сплайн
, яка задовольняє такі вимоги:
1) На кожному відрізку сплайн
є багаточленом
третього степеня:
(6.5)
2) У вузлах сплайн
приймає задані значення
,
, тобто
(6.6)
Умови (6.6) потрібні для проходження сплайнів через вузли заданої сітки ,
. Попередні дві умови утворюють
рівнянь.
3) У внутрішніх вузлах ,
сплайн має неперервну першу і другу похідну, тобто:
В точках спряження сплайнів, їх перші та другі похідні повинні бути рівними. Таких умов . Для знаходження сплайна потрібно знайти коефіцієнти
,
,
,
багаточленів
,
, тобто
невідомих, які задовольняють
рівнянь.
Для отримання розв’язку системи потрібно два додаткових рівняння. Їх отримують, визначивши значення кривизни графіка сплайна на кінцях:
Якщо , тоді такий сплайн називають природним. Коли є додаткові відомості про поведінку функції на кінцях інтервалу інтерполяції, то записуються інші краєві умови. Таким чином, кубічний сплайн «склеєний» з кубічних парабол проходить через задані точки, є гладеньким і має безперервну кривизну.
Для побудови кривої (6.5) розраховується чотири коефіцієнти. Запишемо вираз (6.5) у формі, що дозволяє зменшити кількість обчислювальних операцій, запропонованій Чарльзом Ермітом.
Введемо позначення:
(6.7)
де – довжина підінтервалу;
і
– допоміжні змінні;
– проміжна точка на відрізку
.
Штучною змінною виконується нормалізація змінної
на кожному відрізку інтерполювання між двома вузловими точками сітки.
Якщо , то
; якщо
, то
.
Тобто, коли приймає всі значення в інтервалі
, змінна
змінюється від 0 до 1, а змінна
змінюється від 1 до 0.
Поліноміальний сплайн третього степеня, що має неперервну першу та другу похідні на відрізку , запишеться:
(6.8)
Номер сплайна збігається з індексом кінцевої точки відрізка . Для запису виразу сплайна на сусідньому
-му відрізку достатньо в (6.8) зменшити всі індекси на одиницю:
(6.9)
Змінні і
визначаються відповідно до конкретного відрізка інтерполяції, тому вирази (6.8) та (6.9) містять фактично різні змінні
і
. Знайдемо значення сплайна
на кінцях відрізка
.
Маємо є початком для відрізка
, тому
,
і відповідно до (6.6)
.
На кінці відрізка
,
, отримаємо
.
Для інтервалу точка
є кінцевою, тому
,
з формули (6.9) отримаємо
.
Отже, виконується умова неперервності функції у вузлах спряження кубічних багаточленів і функція
інтерполює задані значення незалежно від вибору похідних
. Для зручності запису в подальших розділах зробимо заміну
.
Для того, щоб визначити коефіцієнти ,
, продиференціюємо (6.8) двічі як складну функцію від
, враховуючи, що
та
. Тоді
Зменшуючи індекс на одиницю, отримаємо:
(6.10)
Для сплайна (6.9) виконується умова рівності другої похідної у внутрішніх точках інтерполяційної сітки. Тому для знаходження невідомих коефіцієнтів записують систему рівнянь
, використовуючи (6.10). Однозначний розв’язок системи отримаємо введенням додаткових крайових умов.