Interpolationsmethoden – Lineare Interpolation

Interpolation einer Funktion zwischen Stützpunkten
Lineare, Kubische und mit Spline Interpolation zwischen Stützpunkten. | Bild: Johannes Horak

Linear interpolieren in einer Dimension

Exemplarisches Beispiel für Datenpunkte.
Menge von Datenpunkten

Wir starten mit $N$ Stützstellen $x_i$ wobei jeder ein Wert $F_i$ zugeordnet ist und alle $x_i$ paarweise verschieden sind. Es ist $0\leq i < N$. Dies entspricht anschaulich einer Situation wie in der einleitenden Abbildung (rechts nochmals gezeigt) angedeutet.

Für jedes der $N-1$ Intervalle $x_i$ bis $x_{i+1}$ wollen wir nun eine lineare Funktion $f_j(x)$ erzeugen ($ 0 \leq j < N – 1$). Picken wir also ein beliebiges Intervall davon heraus und sehen wir uns an, was wir tun müssen.

Ausgangslage bei der Linearen Interpolation. Gesucht ist die Gleichung der Verbindungslinie beider Datenpunkte.
Ausgangslage bei der linearen Interpolation. Gesucht ist die Gleichung der Verbindungslinie beider Datenpunkte.

Wir sind nun auf der Suche nach einer linearen Funktion $f_j(x)$ welche an den Stützstellen gleich dem Funktionswert ist. Die Gesuchte Funktion muss also folgende mathematische Form haben

\[ f_j(x) = a_0 + a_1 x\]

und die Bedingungen an den Stützstellen erfüllen:

\[ f_j(x_i) = F_i \quad \text{und} \quad f_j(x_{i+1}) = F_{i+1} \]

Zwei Gleichungen – zwei Unbekannte – wunderbar.

\[ a_0 + a_1 x_i = F_ i \]

\[ a_0 + a_1 x_{i+1} = F_{i+1} \]

Umformen und auflösen führt auf

\[ a_1 = \frac{F_{i+1}-F_i}{x_{i+1}-x_i} \]

\[ a_0 = F_i – \frac{F_{i+1}-F_i}{x_{i+1}-x_i} x_i \]

Damit haben wir alles notwendige bestimmt und können das Verbindungsstück plotten! Darüber, dass $x_{i+1}-x_i=0$ sein könnte brauchen wir uns übrigens keine Gedanken machen. Wir hatten eingangs gefordert, dass alle Stützstellen paarweise verschieden sind. Abgesehen davon gäbe es für $x_{i+1}=x_i$ entweder nichts zu interpolieren oder man hätte ein Eindeutigkeitsproblem wenn in diesem Fall $F_{i+1} \neq F_i$.

Lineare Interpolation zwischen zwei Punkten
Lineare Interpolation zwischen zwei Punkten

Führen wir dies für alle Intervalle durch können wir so stückweise auf dem gesamten Bereich interpolieren. Die gesamte Interpolationsfunktion $f_\text{linear}(x)$setzt sich hierbei aus den Teilfunktionen $f_j$ in den jeweiligen Intervallen zusammen.

Stückweise lineare Interpolation auf dem gesamten Bereich
Stückweise lineare Interpolation auf dem gesamten Bereich

Wie sich dieses Verfahren nun auf weitere Dimensionen verallgemeinern lässt, damit gehts auf der nächsten Seite weiter!

Johannes Horak
Johannes Horak hat sein Physikstudium an der Universität Wien mit Schwerpunkt Quantennanophysik abgeschlossen. Anschließend arbeitete er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer Ernst-Mach-Institut auf dem Gebiet der Laser-Materie Wechselwirkung. Von Dezember 2015 bis Juni 2020 war er an der Universität Innsbruck tätig und beschäftigte sich mit der feineren Auflösung von globalen Klimamodellen in Gletscherregionen. Beginnend mit Juni 2020 arbeitet er für die Stadt Linz als Stadtklimatologe.

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