Annotation of researchv10no/cmd/spline.c, revision 1.1.1.1

1.1       root        1: #include <stdio.h>
                      2: #include <ctype.h>
                      3: 
                      4: #define NP 1000
                      5: #define INF 1.e37
                      6: 
                      7: struct proj { int lbf,ubf; float a,b,lb,ub,quant,mult,val[NP]; } x,y;
                      8: float *diag, *r;
                      9: float dx = 1.;
                     10: float ni = 100.;
                     11: int n;
                     12: int auta;
                     13: int periodic;
                     14: float konst = 0.0;
                     15: float zero = 0.;
                     16: 
                     17: /* Spline fit technique
                     18: let x,y be vectors of abscissas and ordinates
                     19:     h   be vector of differences h9i8=x9i8-x9i-18
                     20:     y"  be vector of 2nd derivs of approx function
                     21: If the points are numbered 0,1,2,...,n+1 then y" satisfies
                     22: (R W Hamming, Numerical Methods for Engineers and Scientists,
                     23: 2nd Ed, p349ff)
                     24:        h9i8y"9i-1988+2(h9i8+h9i+18)y"9i8+h9i+18y"9i+18
                     25:        
                     26:        = 6[(y9i+18-y9i8)/h9i+18-(y9i8-y9i-18)/h9i8]   i=1,2,...,n
                     27: 
                     28: where y"908 = y"9n+18 = 0
                     29: This is a symmetric tridiagonal system of the form
                     30: 
                     31:        | a918 h928               |  |y"918|      |b918|
                     32:        | h928 a928 h938            |  |y"928|      |b928|
                     33:        |    h938 a938 h948         |  |y"938|  =   |b938|
                     34:        |         .           |  | .|      | .|
                     35:        |            .        |  | .|      | .|
                     36: It can be triangularized into
                     37:        | d918 h928               |  |y"918|      |r918|
                     38:        |    d928 h938            |  |y"928|      |r928|
                     39:        |       d938 h948         |  |y"938|  =   |r938|
                     40:        |          .          |  | .|      | .|
                     41:        |             .       |  | .|      | .|
                     42: where
                     43:        d918 = a918
                     44: 
                     45:        r908 = 0
                     46: 
                     47:        d9i8 = a9i8 - h9i8829/d9i-18 1<i<_n
                     48: 
                     49:        r9i8 = b9i8 - h9i8r9i-18/d9i-1i8     1<_i<_n
                     50: 
                     51: the back solution is
                     52:        y"9n8 = r9n8/d9n8
                     53: 
                     54:        y"9i8 = (r9i8-h9i+18y"9i+18)/d9i8   1<_i<n
                     55: 
                     56: superficially, d9i8 and r9i8 don't have to be stored for they can be
                     57: recalculated backward by the formulas
                     58: 
                     59:        d9i-18 = h9i8829/(a9i8-d9i8) 1<i<_n
                     60: 
                     61:        r9i-18 = (b9i8-r9i8)d9i-18/h9i8       1<i<_n
                     62: 
                     63: unhappily it turns out that the recursion forward for d
                     64: is quite strongly geometrically convergent--and is wildly
                     65: unstable going backward.
                     66: There's similar trouble with r, so the intermediate
                     67: results must be kept.
                     68: 
                     69: Note that n-1 in the program below plays the role of n+1 in the theory
                     70: 
                     71: Other boundary conditions_________________________
                     72: 
                     73: The boundary conditions are easily generalized to handle
                     74: 
                     75:        y908" = ky918", y9n+18"   = ky9n8"
                     76: 
                     77: for some constant k.  The above analysis was for k = 0;
                     78: k = 1 fits parabolas perfectly as well as stright lines;
                     79: k = 1/2 has been recommended as somehow pleasant.
                     80: 
                     81: All that is necessary is to add h918 to a918 and h9n+18 to a9n8.
                     82: 
                     83: 
                     84: Periodic case_____________
                     85: 
                     86: To do this, add 1 more row and column thus
                     87: 
                     88:        | a918 h928            h918 |  |y918"|     |b918|
                     89:        | h928 a928 h938            |  |y928"|     |b928|
                     90:        |    h938 a948 h948         |  |y938"|     |b938|
                     91:        |                     |  | .|  =  | .|
                     92:        |             .       |  | .|     | .|
                     93:        | h918            h908 a908 |  | .|     | .|
                     94: 
                     95: where h908=_ h9n+18
                     96: 
                     97: The same diagonalization procedure works, except for
                     98: the effect of the 2 corner elements.  Let s9i8 be the part
                     99: of the last element in the i8th9 "diagonalized" row that
                    100: arises from the extra top corner element.
                    101: 
                    102:                s918 = h918
                    103: 
                    104:                s9i8 = -s9i-18h9i8/d9i-18       2<_i<_n+1
                    105: 
                    106: After "diagonalizing", the lower corner element remains.
                    107: Call t9i8 the bottom element that appears in the i8th9 colomn
                    108: as the bottom element to its left is eliminated
                    109: 
                    110:                t918 = h918
                    111: 
                    112:                t9i8 = -t9i-18h9i8/d9i-18
                    113: 
                    114: Evidently t9i8 = s9i8.
                    115: Elimination along the bottom row
                    116: introduces further corrections to the bottom right element
                    117: and to the last element of the right hand side.
                    118: Call these corrections u and v.
                    119: 
                    120:        u918 = v918 = 0
                    121: 
                    122:        u9i8 = u9i-18-s9i-18*t9i-18/d9i-18
                    123: 
                    124:        v9i8 = v9i-18-r9i-18*t9i-18/d9i-18    2<_i<_n+1
                    125: 
                    126: The back solution is now obtained as follows
                    127: 
                    128:        y"9n+18 = (r9n+18+v9n+18)/(d9n+18+s9n+18+t9n+18+u9n+18)
                    129: 
                    130:        y"9i8 = (r9i8-h9i+18*y9i+18-s9i8*y9n+18)/d9i8    1<_i<_n
                    131: 
                    132: Interpolation in the interval x9i8<_x<_x9i+18 is by the formula
                    133: 
                    134:        y = y9i8x9+8 + y9i+18x9-8 -(h8299i+18/6)[y"9i8(x9+8-x9+8839)+y"9i+18(x9-8-x9-8839)]
                    135: where
                    136:        x9+8 = x9i+18-x
                    137: 
                    138:        x9-8 = x-x9i8
                    139: */
                    140: 
                    141: float
                    142: rhs(i)
                    143: {
                    144:        int i_;
                    145:        double zz;
                    146:        i_ = i==n-1?0:i;
                    147:        zz = (y.val[i]-y.val[i-1])/(x.val[i]-x.val[i-1]);
                    148:        return(6*((y.val[i_+1]-y.val[i_])/(x.val[i+1]-x.val[i]) - zz));
                    149: }
                    150: 
                    151: spline()
                    152: {
                    153:        float d,s,u,v,hi,hi1;
                    154:        float h;
                    155:        float D2yi,D2yi1,D2yn1,x0,x1,yy,a;
                    156:        int end;
                    157:        float corr;
                    158:        int i,j,m;
                    159:        if(n<3) return(0);
                    160:        if(periodic) konst = 0;
                    161:        d = 1;
                    162:        r[0] = 0;
                    163:        s = periodic?-1:0;
                    164:        for(i=0;++i<n-!periodic;){      /* triangularize */
                    165:                hi = x.val[i]-x.val[i-1];
                    166:                hi1 = i==n-1?x.val[1]-x.val[0]:
                    167:                        x.val[i+1]-x.val[i];
                    168:                if(hi1*hi<=0) return(0);
                    169:                u = i==1?zero:u-s*s/d;
                    170:                v = i==1?zero:v-s*r[i-1]/d;
                    171:                r[i] = rhs(i)-hi*r[i-1]/d;
                    172:                s = -hi*s/d;
                    173:                a = 2*(hi+hi1);
                    174:                if(i==1) a += konst*hi;
                    175:                if(i==n-2) a += konst*hi1;
                    176:                diag[i] = d = i==1? a:
                    177:                    a - hi*hi/d; 
                    178:        }
                    179:        D2yi = D2yn1 = 0;
                    180:        for(i=n-!periodic;--i>=0;){     /* back substitute */
                    181:                end = i==n-1;
                    182:                hi1 = end?x.val[1]-x.val[0]:
                    183:                        x.val[i+1]-x.val[i];
                    184:                D2yi1 = D2yi;
                    185:                if(i>0){
                    186:                        hi = x.val[i]-x.val[i-1];
                    187:                        corr = end?2*s+u:zero;
                    188:                        D2yi = (r[i]-hi1*D2yi1-s*D2yn1+end*v)/
                    189:                                (diag[i]+corr);
                    190:                        if(end) D2yn1 = D2yi;
                    191:                        if(i>1){
                    192:                                a = 2*(hi+hi1);
                    193:                                if(i==1) a += konst*hi;
                    194:                                if(i==n-2) a += konst*hi1;
                    195:                                d = diag[i-1];
                    196:                                s = -s*d/hi; 
                    197:                        }
                    198:                }
                    199:                else D2yi = D2yn1;
                    200:                if(!periodic) {
                    201:                        if(i==0) D2yi = konst*D2yi1;
                    202:                        if(i==n-2) D2yi1 = konst*D2yi;
                    203:                        }
                    204:                if(end) continue;
                    205:                m = hi1>0?ni:-ni;
                    206:                m = 1.001*m*hi1/(x.ub-x.lb);
                    207:                if(m<=0) m = 1;
                    208:                h = hi1/m;
                    209:                for(j=m;j>0||i==0&&j==0;j--){   /* interpolate */
                    210:                        x0 = (m-j)*h/hi1;
                    211:                        x1 = j*h/hi1;
                    212:                        yy = D2yi*(x0-x0*x0*x0)+D2yi1*(x1-x1*x1*x1);
                    213:                        yy = y.val[i]*x0+y.val[i+1]*x1 -hi1*hi1*yy/6;
                    214:                        printf("%f ",x.val[i]+j*h);
                    215:                        printf("%f\n",yy);
                    216:                }
                    217:        }
                    218:        return(1);
                    219: }
                    220: readin()
                    221: {
                    222:        for(n=0;n<NP;n++){
                    223:                if(auta) x.val[n] = n*dx+x.lb;
                    224:                else if(scanf("%f",&x.val[n])!=1)
                    225:                        break;
                    226:                if(scanf("%f",&y.val[n])!=1)
                    227:                        break;
                    228:        }
                    229: }
                    230: 
                    231: getlim(p)
                    232: struct proj *p;
                    233: {
                    234:        int i;
                    235:        for(i=0;i<n;i++) {
                    236:                if(!p->lbf && p->lb>(p->val[i])) p->lb = p->val[i];
                    237:                if(!p->ubf && p->ub<(p->val[i])) p->ub = p->val[i];
                    238:        }
                    239: }
                    240: 
                    241: 
                    242: main(argc,argv)
                    243: char *argv[];
                    244: {
                    245:        extern char *malloc();
                    246:        int i;
                    247:        x.lbf = x.ubf = y.lbf = y.ubf = 0;
                    248:        x.lb = INF;
                    249:        x.ub = -INF;
                    250:        y.lb = INF;
                    251:        y.ub = -INF;
                    252:        while(--argc > 0) {
                    253:                argv++;
                    254: again:         switch(argv[0][0]) {
                    255:                case '-':
                    256:                        argv[0]++;
                    257:                        goto again;
                    258:                case 'a':
                    259:                        auta = 1;
                    260:                        numb(&dx,&argc,&argv);
                    261:                        break;
                    262:                case 'k':
                    263:                        numb(&konst,&argc,&argv);
                    264:                        break;
                    265:                case 'n':
                    266:                        numb(&ni,&argc,&argv);
                    267:                        break;
                    268:                case 'p':
                    269:                        periodic = 1;
                    270:                        break;
                    271:                case 'x':
                    272:                        if(!numb(&x.lb,&argc,&argv)) break;
                    273:                        x.lbf = 1;
                    274:                        if(!numb(&x.ub,&argc,&argv)) break;
                    275:                        x.ubf = 1;
                    276:                        break;
                    277:                default:
                    278:                        fprintf(stderr, "spline: bad argument\n");
                    279:                        exit(1);
                    280:                }
                    281:        }
                    282:        if(auta&&!x.lbf) x.lb = 0;
                    283:        readin();
                    284:        getlim(&x);
                    285:        getlim(&y);
                    286:        i = (n+1)*sizeof(dx);
                    287:        diag = (float *)malloc((unsigned)i);
                    288:        r = (float *)malloc((unsigned)i);
                    289:        if(r==NULL||!spline()) for(i=0;i<n;i++){
                    290:                printf("%f ",x.val[i]);
                    291:                printf("%f\n",y.val[i]);
                    292:        }
                    293: }
                    294: 
                    295: numb(np, argcp, argvp)
                    296: int *argcp;
                    297: float *np;
                    298: register char ***argvp;
                    299: {
                    300:        register char c;
                    301:        extern double atof();
                    302: 
                    303:        if(*argcp <= 1)
                    304:                return(0);
                    305:        while((c=(*argvp)[1][0]) == '+')
                    306:                (*argvp)[1]++;
                    307:        if(!(isdigit(c) || c=='-'&&(*argvp)[1][1]<'A' || c=='.'))
                    308:                return(0);
                    309:        *np = atof((*argvp)[1]);
                    310:        (*argcp)--;
                    311:        (*argvp)++;
                    312:        return(1);
                    313: }
                    314: 

unix.superglobalmegacorp.com

This archive runs on limited infrastructure. Preserving old code on modern bandwidth. Automated agents are requested to crawl responsibly.