Методика сглаживания графиков

Данные, получаемые в процессе экспериментов, как правило, содержат случайные отклонения (погрешности), поэтому построенные по ним графики не являются плавными линиями, они чаще всего имеют вид зубчатых линий, т.е. линий, отличающихся от плавных наличием “выбросов” и “впадин”. Наличие таких выбросов и впадин иногда затрудняет не только визуальное восприятие закономерности изменения данной величины и, соответственно, анализ полученных графиков, но и выбор гипотезы возможного математического описания графика. Поэтому экспериментальные данные в большинстве случаев необходимо сглаживать, используя методы усреднения ординат на основе интерполяционных формул.

Идея, положенная в основу всех методик математического сглаживания графиков, аналогична идее выравнивания пересеченной местности с помощью бульдозера – срезание выступов почвы и перемещение полученного материала в ближайшие ямы.

Все методики сглаживания графиков основаны на использовании нечетного количества ординат (3, 5, 7,...) и работоспособны только в том случае, когда шаг точек по оси абсцисс одинаков. Самым простым методом сглаживания является метод сглаживания по трем ординатам.

Сглаживание по методу трех ординат выполняется следующим образом. Пусть в результате экспериментов получена зависимость у = f(x), данные сведены в соответствующую таблицу и по ним построен график. В таблице выбираются первые три соседние ординаты, начиная с крайней левой, и они условно обозначаются:

- левая в рассматриваемой тройке ординат (т.е. в данном случае самая первая ордината);

- средняя из выделенных ординат;

- правая в данной тройке ординат.

Сглаженное значение крайней левой ординаты определяется по следующей формуле:

/ 6 (1)

Сглаженное значение второй (средней) ординаты определяется по формуле:

/ 3 (2)

Далее сдвигаются вправо на одну точку и выделяют вторую тройку соседних ординат, в которой та ордината, которая была средней в первой тройке, станет крайней левой в новой тройке ординат. В этой новой тройке ординат определяют сглаженное значение только средней ординаты по формуле (2). Затем сдвигаются на один шаг вправо и получают следующую тройку соседних ординат, в которой средняя ордината предыдущей тройки станет крайней левой, определяют сглаженное значение средней ординаты в полученной новой тройке ординат и так поступают до тех пор, пока в последней тройке соседних ординат в качестве третьей ординаты не окажется крайняя правая ордината.

В последней тройке ординат определяют сглаженное значение средней ординаты по формуле (2), а затем сглаженное значение крайней правой ординаты по формуле:

/ 6 (3)

Если в исходных экспериментальных данных имеются точки с половинным шагом по оси абсцисс по сравнению с шагом остальных точек, то усредненное (сглаженное) значение ординаты каждой такой точки определяется точно так же, как и описано выше, т.е. выделяется тройка соседних ординат, в которой условной средней ординатой является ордината точки с половинным шагом по оси абсцисс, а условной левой ординатой и условной правой ординатами считаются ординаты, находящиеся непосредственно слева и справа от нее.

В результате получается сглаженная по ординатам зависимость .

В случае, если исходная зависимость имеет большой разброс точек (большие “выбросы” и “впадины“), то однократного сглаживания может быть недостаточно, и будет необходимо провести еще одно или несколько повторных сглаживаний. В качестве исходных значений ординат при каждом повторном сглаживании следует использовать результаты предыдущего сглаживания.

Методы сглаживания по пяти, семи и большему количеству ординат позволяют получить сглаженный график более быстро, но при этом более сильно искажают вид исходного графика. Из всех известных методов сглаживания метод сглаживания по трем ординатам является самым «нежным» и щадящим.

Следует иметь ввиду, что при многократном повторении сглаживания исходного графика по любому количеству ординат любой исходный график превратится в конечном итоге в прямую линию, поэтому ко многократному повторению сглаживания следует относиться осторожно.

Если исходный график похож на некую пилообразную или кусочно-линейную фигуру, состоящую из более или менее прямолинейных отрезков, то представляется целесообразным сглаживать по отдельности эти отрезки. При этом крайние сглаженные ординаты соседних отрезков, как правило, совпадать не будут. За сглаженное значение таких ординат следует принять их среднее арифметическое.