liuxiaolong
2021-07-20 58d904a328c0d849769b483e901a0be9426b8209
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
// Copyright Nick Thompson, 2020
// Use, modification and distribution are subject to the
// Boost Software License, Version 1.0.
// (See accompanying file LICENSE_1_0.txt
// or copy at http://www.boost.org/LICENSE_1_0.txt)
 
// See: https://blogs.mathworks.com/cleve/2019/04/29/makima-piecewise-cubic-interpolation/
// And: https://doi.org/10.1145/321607.321609
 
#ifndef BOOST_MATH_INTERPOLATORS_MAKIMA_HPP
#define BOOST_MATH_INTERPOLATORS_MAKIMA_HPP
#include <memory>
#include <cmath>
#include <boost/math/interpolators/detail/cubic_hermite_detail.hpp>
 
namespace boost {
namespace math {
namespace interpolators {
 
template<class RandomAccessContainer>
class makima {
public:
    using Real = typename RandomAccessContainer::value_type;
 
    makima(RandomAccessContainer && x, RandomAccessContainer && y,
           Real left_endpoint_derivative = std::numeric_limits<Real>::quiet_NaN(),
           Real right_endpoint_derivative = std::numeric_limits<Real>::quiet_NaN())
    {
        using std::isnan;
        using std::abs;
        if (x.size() < 4)
        {
            throw std::domain_error("Must be at least four data points.");
        }
        RandomAccessContainer s(x.size(), std::numeric_limits<Real>::quiet_NaN());
        Real m2 = (y[3]-y[2])/(x[3]-x[2]);
        Real m1 = (y[2]-y[1])/(x[2]-x[1]);
        Real m0 = (y[1]-y[0])/(x[1]-x[0]);
        // Quadratic extrapolation: m_{-1} = 2m_0 - m_1:
        Real mm1 = 2*m0 - m1;
        // Quadratic extrapolation: m_{-2} = 2*m_{-1}-m_0:
        Real mm2 = 2*mm1 - m0;
        Real w1 = abs(m1-m0) + abs(m1+m0)/2;
        Real w2 = abs(mm1-mm2) + abs(mm1+mm2)/2;
        if (isnan(left_endpoint_derivative))
        {
            s[0] = (w1*mm1 + w2*m0)/(w1+w2);
            if (isnan(s[0]))
            {
                s[0] = 0;
            }
        }
        else
        {
            s[0] = left_endpoint_derivative;
        }
 
        w1 = abs(m2-m1) + abs(m2+m1)/2;
        w2 = abs(m0-mm1) + abs(m0+mm1)/2;
        s[1] = (w1*m0 + w2*m1)/(w1+w2);
        if (isnan(s[1])) {
            s[1] = 0;
        }
 
        for (decltype(s.size()) i = 2; i < s.size()-2; ++i) {
            Real mim2 = (y[i-1]-y[i-2])/(x[i-1]-x[i-2]);
            Real mim1 = (y[i  ]-y[i-1])/(x[i  ]-x[i-1]);
            Real mi   = (y[i+1]-y[i  ])/(x[i+1]-x[i  ]);
            Real mip1 = (y[i+2]-y[i+1])/(x[i+2]-x[i+1]);
            w1 = abs(mip1-mi) + abs(mip1+mi)/2;
            w2 = abs(mim1-mim2) + abs(mim1+mim2)/2;
            s[i] = (w1*mim1 + w2*mi)/(w1+w2);
            if (isnan(s[i])) {
                s[i] = 0;
            }
        }
        // Quadratic extrapolation at the other end:
        
        decltype(s.size()) n = s.size();
        Real mnm4 = (y[n-3]-y[n-4])/(x[n-3]-x[n-4]);
        Real mnm3 = (y[n-2]-y[n-3])/(x[n-2]-x[n-3]);
        Real mnm2 = (y[n-1]-y[n-2])/(x[n-1]-x[n-2]);
        Real mnm1 = 2*mnm2 - mnm3;
        Real mn = 2*mnm1 - mnm2;
        w1 = abs(mnm1 - mnm2) + abs(mnm1+mnm2)/2;
        w2 = abs(mnm3 - mnm4) + abs(mnm3+mnm4)/2;
 
        s[n-2] = (w1*mnm3 + w2*mnm2)/(w1 + w2);
        if (isnan(s[n-2])) {
            s[n-2] = 0;
        }
 
        w1 = abs(mn - mnm1) + abs(mn+mnm1)/2;
        w2 = abs(mnm2 - mnm3) + abs(mnm2+mnm3)/2;
 
 
        if (isnan(right_endpoint_derivative))
        {
            s[n-1] = (w1*mnm2 + w2*mnm1)/(w1+w2);
            if (isnan(s[n-1])) {
                s[n-1] = 0;
            }
        }
        else
        {
            s[n-1] = right_endpoint_derivative;
        }
 
        impl_ = std::make_shared<detail::cubic_hermite_detail<RandomAccessContainer>>(std::move(x), std::move(y), std::move(s));
    }
 
    Real operator()(Real x) const {
        return impl_->operator()(x);
    }
 
    Real prime(Real x) const {
        return impl_->prime(x);
    }
 
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream & os, const makima & m)
    {
        os << *m.impl_;
        return os;
    }
 
    void push_back(Real x, Real y) {
        using std::abs;
        using std::isnan;
        if (x <= impl_->x_.back()) {
             throw std::domain_error("Calling push_back must preserve the monotonicity of the x's");
        }
        impl_->x_.push_back(x);
        impl_->y_.push_back(y);
        impl_->dydx_.push_back(std::numeric_limits<Real>::quiet_NaN());
        // dydx_[n-2] was computed by extrapolation. Now dydx_[n-2] -> dydx_[n-3], and it can be computed by the same formula.
        decltype(impl_->size()) n = impl_->size();
        auto i = n - 3;
        Real mim2 = (impl_->y_[i-1]-impl_->y_[i-2])/(impl_->x_[i-1]-impl_->x_[i-2]);
        Real mim1 = (impl_->y_[i  ]-impl_->y_[i-1])/(impl_->x_[i  ]-impl_->x_[i-1]);
        Real mi   = (impl_->y_[i+1]-impl_->y_[i  ])/(impl_->x_[i+1]-impl_->x_[i  ]);
        Real mip1 = (impl_->y_[i+2]-impl_->y_[i+1])/(impl_->x_[i+2]-impl_->x_[i+1]);
        Real w1 = abs(mip1-mi) + abs(mip1+mi)/2;
        Real w2 = abs(mim1-mim2) + abs(mim1+mim2)/2;
        impl_->dydx_[i] = (w1*mim1 + w2*mi)/(w1+w2);
        if (isnan(impl_->dydx_[i])) {
            impl_->dydx_[i] = 0;
        }
 
        Real mnm4 = (impl_->y_[n-3]-impl_->y_[n-4])/(impl_->x_[n-3]-impl_->x_[n-4]);
        Real mnm3 = (impl_->y_[n-2]-impl_->y_[n-3])/(impl_->x_[n-2]-impl_->x_[n-3]);
        Real mnm2 = (impl_->y_[n-1]-impl_->y_[n-2])/(impl_->x_[n-1]-impl_->x_[n-2]);
        Real mnm1 = 2*mnm2 - mnm3;
        Real mn = 2*mnm1 - mnm2;
        w1 = abs(mnm1 - mnm2) + abs(mnm1+mnm2)/2;
        w2 = abs(mnm3 - mnm4) + abs(mnm3+mnm4)/2;
 
        impl_->dydx_[n-2] = (w1*mnm3 + w2*mnm2)/(w1 + w2);
        if (isnan(impl_->dydx_[n-2])) {
            impl_->dydx_[n-2] = 0;
        }
 
        w1 = abs(mn - mnm1) + abs(mn+mnm1)/2;
        w2 = abs(mnm2 - mnm3) + abs(mnm2+mnm3)/2;
 
        impl_->dydx_[n-1] = (w1*mnm2 + w2*mnm1)/(w1+w2);
        if (isnan(impl_->dydx_[n-1])) {
            impl_->dydx_[n-1] = 0;
        }
    }
 
private:
    std::shared_ptr<detail::cubic_hermite_detail<RandomAccessContainer>> impl_;
};
 
}
}
}
#endif