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两条曲线交点matlab函数

两条曲线交点matlab函数
两条曲线交点matlab函数

P2(k,:)=(A\B)'; % 解方程组,得到交点坐标

end

P=[P1;P2]; % 两种情况的交点合并

P=sortrows(P,1); % 按横坐标排序

% 函数到此结束,保存到intp.m文件中

% 下面是接你的主程序来的,就是添在你画图那段程序后面

XA=AAAA;

YA=normpdf(AAAA,AA,AAA);

XB=BBBB;

YB=normpdf(BBBB,BB,BBB);

XC=CCCC;

YC=normpdf(CCCC,CC,CCC);

P1=intp(XA,YA,XB,YB); % A,B交点,调用上面保存的那个intp函数

P2=intp(XB,YB,XC,YC); % B,C交点

P3=intp(XC,YC,XA,YA); % C,A交点

P=[P1;P2;P3];

% plot(XA,YA,XB,YB,XC,YC)

hold on

plot(P(:,1),P(:,2),'ro')

hold off

str=cell(size(P,1),1);

for k=1:size(P,1)

str{k}=sprintf('(%2.2g,%2.2g)',P(k,1),P(k,2));

end

text(P(:,1),P(:,2),str)

% 主程序到此结束

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。———————————————————分割线————————————————————————

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,解的精确度可以保证,不过不能保证一个不漏。另外就是,对于一组离散点构成的曲线,很难知道它们的解析表达式,因此想通过非线性方程组求解的方法来求交点,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求交点的方法。

废话了那么多,下面就说说曲线求交点的方法吧。除了求解方程组,很多人想到的方法就是“离散点+判断距离是否足够接近”,这个方法原理跟引言中曲面求交的方法是一样的。因此缺点也是一样的——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点依次连线形成,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点(结点)或者两线段交点。这比上面直接用交点附近的结点替代交点的方法要精确得多了。而两直线交点很容易求,只要知道四个点坐标,那么交点精确坐标自然可以表示出来。这就是求交点的原理。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点。因此,只要给要绘制的像素点做个标记,将那些重合的点突出显示(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点和需要处理的细节。

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、在切点相交,等等这些情况。而且对于定位交点处附近的四个最近端点也是个问题(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“连续函数变号端点内存在零点”),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,或者为零的结点,有则直接记录,没有的话,通过两线段求交来确定交点。至于遍历顺序的问题,为了简便,我指考虑两曲线离散点个数相同的情况(因为不同的话,会出现一些无法处理的情况),而且优先考虑离散点的坐标值中x或者y都相同的情况(比如x=0:0.1:pi; y1=sin(x), y2=x.^2这两条曲线的x值相同分布)。

下面是曲线y=cos(2*x).*exp(sin(x))与y2=sin(x).^2+cos(x)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,就能解决别的曲线求交点。这样,不愿思考的懒人就没法达到自己的目的了~

% 绘制两离散曲线的交点

% 注意:

% 1. 这里的“交点”指的是离散点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,这个程序不能作为求根来用。

% 2. 要求两曲线的离散点的个数一样。

% 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; %关闭显示求交点过程

% 曲线1

x=0:pi/18:2*pi;

y=cos(2*x).*exp(sin(x));

% 曲线2

[x1 N]=sort(x); %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(x1).^2+cos(x1); %用于作图

x2=x;

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