matlab拟合曲线poly交点,matlab 离散曲线求交点

本文探讨了在MATLAB中求解离散曲线交点的方法,指出离散点判断距离的常见方法过于粗糙。作者提出了两种思路,一种基于高级绘图层面,另一种基于底层操作。重点介绍了第一种思路,利用离散点和线段交点来精确求解,强调了处理特殊情况和奇异点的重要性,并给出了示例代码。

引言

曾经思考过曲面求交,结果发现是学术界的一个难题,并且也想出了一个当前广泛使用方法原理一样的近似解法(追踪法)。当然网上也有很多方法,只不过那些方法非常粗糙,无非就是meshgrid出离散网格,比较两曲面在某位置的坐标是否在某一精度范围内,然后标记显示之。这个方法仅仅当离散网格非常细的时候才比较精确。除此之外,还有个非常严重的问题:上面的“精度范围”不是你随心所欲给的,而且也没规律寻找,当给得不恰当的时候,在格点处两曲面点作比较,会出很多个符合要求的点,或者一个也没有。这样就会使得交线非常曲折,甚至断裂等,严重影响精确度。

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当然,既然有曲面求交,那么也有曲线求交,其基本结构就是两曲线求交。只是曲线求交问题,事先得澄清一些注意点:

1. 数学分析层面求两曲线交点,其实就是方程组求解;

2.

“曲线”概念包括“直线”(处处曲率半径为无穷大);

3. Matlab的重点是离散点

矩阵运算,因此所有运算都是基于离散的,因而这里的曲线并不是绝对光滑的。

4.

近似试探与未知函数表达式。

对于1,我想说的是,如果你想要求得两曲线的精确交点,并且一个不漏,那就直接求解方程组,不用看本帖下文;

对于2,直线在Matlab里面是两个点确定,因此交点如果是一段线(无穷个点)的情况,可能只是显示两端点为交点;

对于3,很简单的例子,参数方程 x=cos(t),y=sin(t)

(0<=t<=2*pi)

在数学分析(即连续空间)层面上是个圆,但是如果你在离散t的时候,间距比较大,那么最后Matlab绘制的图像不是圆,而是正多边形了。因此,此时我们讨论曲线交点是这个离散点连线的图形与其他图形的交点,而非圆与其他交点。这也是我在标题中加了“离散点连成”的修饰词,防止被误会。

对于4,既然是求曲线交点,那么本方法可以作为求方程组的近似解。当然,如果离散点够多,解的精确度

matlab离散连成的两曲线交点-intersections.m 本帖最后由 kastin 于 2012-12-29 11:47 编辑 引言     曾经思考过曲面交,结果发现是学术界的一个难题,并且也想出了一个当前广泛使用方法原理一样的近似解法(追踪法)。当然网上也有很多方法,只不过那些方法非常粗糙,无非就是meshgrid出离散网格,比较两曲面在某位置的坐标是否在某一精度范围内,然后标记显示之。这个方法仅仅当离散网格非常细的时候才比较精确。除此之外,还有个非常严重的问题:上面的“精度范围”不是你随心所欲给的,而且也没规律寻找,当给得不恰当的时候,在格处两曲面作比较,会出很多个符合要,或者一个也没有。这样就会使得交线非常曲折,甚至断裂等,严重影响精确度。 ———————————————————分割线————————————————————————     当然,既然有曲面交,那么也有曲线交,其基本结构就是两曲线交。只是曲线交问题,事先得澄清一些注意:     1. 数学分析层面曲线交点,其实就是方程组解;     2. “曲线”概念包括“直线”(处处曲率半径为无穷大);     3. Matlab的重离散 矩阵运算,因此所有运算都是基于离散的,因而这里的曲线并不是绝对光滑的。     4. 近似试探与未知函数表达式。 对于1,我想说的是,如果你想要得两曲线的精确交点,并且一个不漏,那就直接解方程组,不用看本帖下文; 对于2,直线在Matlab里面是两个确定,因此交点如果是一段线(无穷个)的情况,可能只是显示两端交点; 对于3,很简单的例子,参数方程 x=cos,y=sin 在数学分析(即连续空间)层面上是个圆,但是如果你在离散t的时候,间距比较大,那么最后Matlab绘制的图像不是圆,而是正多边形了。因此,此时我们讨论曲线交点是这个离散连线的图形与其他图形的交点,而非圆与其他交点。这也是我在标题中加了“离散连成”的修饰词,防止被误会。 对于4,既然是曲线交点,那么本方法可以作为方程组的近似解。当然,如果离散够多,解的精确度可以保证,不过不能保证一个不漏。另外就是,对于一组离散构成的曲线,很难知道它们的解析表达式,因此想通过非线性方程组解的方法来交点,就不大可能了(不过你可以用曲线拟合出函数解析式),因此,本帖的方法将会是一个较为有效交点的方法。     废话了那么多,下面就说说曲线交点的方法吧。除了解方程组,很多人想到的方法就是“离散 判断距离是否足够接近”,这个方法原理跟引言中曲面交的方法是一样的。因此缺也是一样的——太粗糙了。网上这种方法的代码也很多,这里就不上了。 下面将阐述我的方法以及给出例子代码。     我有两种思路,一种是高级绘图层面的(不涉及到底层操作),一种是底层的。我只给出了第一种的代码,因为我不会底层操作。     思路一:既然matlab曲线绘图是通过有序离散依次连线形成,也就是说,通过“以直代曲”的过程,那么曲线交点无非就是离散(结)或者两线段交点。这比上面直接用交点附近的结替代交点的方法要精确得多了。而两直线交点很容易,只要知道四个坐标,那么交点精确坐标自然可以表示出来。这就是交点的原理。只是还有一些细节处理和要注意的地方,我会留到后面再详细说。     思路二:仔细观察两曲线交点的特性,很容易发现,其实交点就是操作系统底层绘图重叠的那些像素。因此,只要给要绘制的像素做个标记,将那些重合的突出显示(比如换个颜色),那么就相当于显示出交点了。这种方法由于是本质性的,因此不会遗漏任何交点,而且精确度极高,适用范围广。Matlab提供的plot plot3 surf等绘图函数都属于高级绘图,底层绘图(或称低级绘图)只有line surface以及patch等少数函数。但是,这里的“底层”并非真正的底层,因为它还是经过封装了的,而C 的MFC里面直接用刷子绘图,那才是依靠操作系统完成的真正的“底层”绘图操作(包括所有窗口都是操作系统绘制的)。这里扯远了,想要说明的就是底层绘图的概念而已。只是我不会用matlab实现这些底层绘图。     上面说了思路,下面就详细说说一些注意和需要处理的细节。     为了算法的健壮性,就必须考虑各种奇异的情况,防止bug。我们要考虑曲线有分支(很多代数曲线是这样的,代数几何里面研究的东西)、间断跳跃(有绝对值函数或者存在渐近线情况)、首尾是交点、在切相交,等等这些情况。而且对于定位交点处附近的四个最近端也是个问题(因为这里存在一个情况,如果曲线1上的一条线段与曲线2上的两条或者以上的线段相交,我的程序因为这个问题没能有效解决,出现在一些非常特殊的情况下会遗漏部分交点)。上面的情况如果不考虑,那么你的程序就会出现各种各样的问题。     对于通常情况,我考虑使用变号法则来判断交点(也就是高数里面“连续函数变号端内存在零”),对于上面说的特殊情况,那么预先处理,比如先看是否存在eps内的,或者为零的结,有则直接记录,没有的话,通过两线段交来确定交点。至于遍历顺序的问题,为了简便,我指考虑两曲线离散个数相同的情况(因为不同的话,会出现一些无法处理的情况),而且优先考虑离散坐标值中x或者y都相同的情况(比如x=0:0.1:pi; y1=sin, y2=x.^2这两条曲线的x值相同分布)。 下面是曲线y=cos.*exp)与y2=sin.^2 cos在[0:pi/18:2*pi]区间内的交点的代码: 注意:我没有写成接口的形式,虽然对于比那些较懒的人来说不太方便,但是这样做是为了让你能更好弄懂原理,并能自己改造代码。因此,下面的代码可以稍作修改,就能解决别的曲线交点。这样,不愿思考的懒人就没法达到自己的目的了~% 绘制两离散曲线交点 % 注意: %   1. 这里的“交点”指的是离散连线绘出的图形的交点,而非函数或者方程理论分析上的交点, %      因此,这个程序不能作为根来用。 %   2. 要曲线离散的个数一样。 %   3. 两个曲线出现参数方程的话,大多数情况正常。但是经测试发现,对于某些非常特殊的情况会出现bug, %      除非调用ezplot的数据(xdata,ydata)。 % %   by kastin @Mar 21, 2012 clear; debug=false; %关闭显示交点过程 % 曲线1 x=0:pi/18:2*pi; y=cos.*exp); % 曲线2 [x1 N]=sort;  %此处对于C1参数方程,C2为显式函数;或者均为参数方程时候有用 % 下面几句代码在本个案下没有什么特殊作用,但是当出现参数方程的时候,下面的方法改动一下就会有用。 y1=sin.^2 cos; %用于作图 x2=x; y2=sin.^2 cos; %用于寻 h=plot; y<=eps)=0; y20; neg=cy<=0; %确定变号位置 fro=diff~=0; %变号的前导位置 rel=diff~=0; %变号的尾巴位置 zpf=find; %记录索引 zpr=find 1; %记录索引 zpfr=[zpf; zpr]; hold on % 观看交点过程 if debug, hp=plot,y,'r.-',x2,y2,'g.-'); end %线性交 x0=.*-y)-x.*-y))./ y2-y-y2); y0=y ).*-y)./-x); if any), y0=y2; end %加入已经判断为零的位置 x0=[x<=eps) x0].'; y0=[y<=eps) y0].'; hc=plot; %绘制交点 if debug, legend;hp],'C1','C2','交点','微线段1','微线段2',0); end legend xlabel, ylabel, zlabel; title axis equal hold off disp disp) %排除重复的复制代码经测试十几种奇怪的曲线相交(包括参数方程形式的曲线),目前发现上述代码的方法有四种情况会出现遗漏一两个交点。(其实上面代码本意是显式函数的曲线交点,或者未知表达式的离散曲线交点,并未针对参数方程,隐函数方程做优化,但是可以凑合着用用。)
Matlab生成一个小艇追逐模型;任务区由Q1(194.0, 177.6)Q2(173.4, 106.9) Q3(42.5, 81.2) Q4(68.1, 220.7) Q5(144.6, 211.5)连线而成。目前我方任务小艇由 J1、J2、J3、J4组成,J1、J2、J3、J4的最高航速(节)分别为20、24 、26、30;小艇位(海里)分别为:J1(187, 175)J2(169, 112)J3(50, 88) J4(73, 214) 。针对的敌方任务对象共有5类小艇,分别为S1、S2、S3、S4,S5,其中S1、S4,S5处于静止状态位(海里)分别为:S1 (53, 119) S4 (120, 110) S5 (80,190);S2、S3起始位(海里)分别为:S2 (207, 143) S3 (35, 100),S2航速15节,S3航速15节;S2航向309度,S3航向86.08度;S1现场处置时间为2h ,S4的现场处置时间均2h,S5的现场处置时间为4h,S2、S3仅需驱离,无需计算现场处置用时。 现我方任务小艇J1、J2、J3、J4接到下达的任务,须前往现场对S1、S2、S3、S4,S5;五艘敌方小艇进行处置。 假设可行方案及小艇行动路径: •让J1负责跟监S2,跟监距离需小于等于3海里。S2侵入任务区线后,我方小艇须对其保持全程跟监,直至其驶出我任务区线外,即可认为任务完成。 • 让J2负责跟监S3;J2小艇以最快方式向其机动并对其开展跟监驱离(应保持在1海里距离内)。此时S3和 J2将会有遭遇位,尔后我方小艇J2须对其保持全程跟监,直至其驶出我任务区线外。 • 让J3负责S1任务;小艇J3前往S1的现场处置时间为2h,后续将S1护送至O5位置,护送时我方小艇以最大航速航行 • 让负责S4、S5时,驱逐路线为我方J4小艇直线航行至S5处置 → 将S5驱逐至任务区外(即从S5作Q4-Q3连线的垂线为最短路径)→ 后直线至S4处置 → 将S4驱逐至任务区外(即从S4作Q2-Q3连线的垂线为最短路径)。 约束条件: ①我方小艇J1、J2、J3、J4禁止离开任务区。 ②其中 S1、S2、S3任务一旦开始执行不能中途中止。对于S1,任务需要处置的时刻是任务的发生时刻; 对于应对S2,任务需要处置的时刻是指S2实际达到任务区线的时刻; 对于S3,任务需要处置的时刻是指S3达到任务区线的时刻;对于S4,任务需要处置的时刻是任务发生时刻,对于S5,任务需要处置的时刻是任务发生时刻。 ⑦注意所有任务中只要敌方小艇在我方小艇的最大处置半径内即可进行处置(J1、J2、J3、J4的最大处置半径(海里)分别为5、3、1、1,);即无论是驱离还是跟监,我方小艇无需至任务区线,只需保证地方小艇在最大处置半径内即可。 ⑧以T0时作为任务开始的时刻,此时所有我方小艇和敌方S2、S3小艇开始行进。 ⑨航向的定义:指小艇艇首的朝向,以坐标正北为 0°,顺时针为正,取值范围为 0-360。 请根据上述说明建立相关数学模型,用Matlab生成一个模型示意图,表达出各位位置(代号)和限制区域,标记出以及我方小艇行进路径和敌方小艇的运动轨迹(小艇的运动轨迹用虚线表示,用不同颜色区分)。表达出解题思路和计算过程
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