Введение
Метод оценки новых данных за пределами известных точек данных. В математике экстраполяция – это тип оценки значения переменной на основе её связи с другой переменной, выходящий за пределы исходного диапазона наблюдений. Она схожа с интерполяцией, которая позволяет оценивать значения между известными наблюдениями, однако экстраполяция сопряжена с большей неопределённостью и более высоким риском получения бессмысленных результатов. Экстраполяция может также означать расширение метода, предполагая применимость аналогичных подходов. Экстраполяция применима и к человеческому опыту, позволяя спроецировать, расширить или обобщить известные знания на незнакомую или ранее неисследованную область, чтобы получить (обычно предположительное) понимание неизвестного (например, водитель экстраполирует дорожные условия за пределами видимости во время движения). Метод экстраполяции может быть использован при решении задачи внутренней реконструкции.
In mathematics, extrapolation is a type of estimation, beyond the original observation range, of the value of a variable on the basis of its relationship with another variable. It is similar to interpolation, which produces estimates between known observations, but extrapolation is subject to greater uncertainty and a higher risk of producing meaningless results. Extrapolation may also mean extension of a method, assuming similar methods will be applicable. Extrapolation may also apply to human experience to project, extend, or expand known experience into an area not known or previously experienced so as to arrive at a (usually conjectural) knowledge of the unknown (e. g. a driver extrapolates road conditions beyond his sight while driving). The extrapolation method can be applied in the interior reconstruction problem.
Метод
Правильный выбор метода экстраполяции зависит от предварительного знания процесса, который породил существующие точки данных. Некоторые эксперты предложили использовать причинные факторы при оценке методов экстраполяции. Важные вопросы, например, заключаются в том, можно ли предположить, что данные непрерывны, гладки, возможно, периодичны и т.д.
Полиномиальный
Многочленная кривая может быть построена по всем известным данным или только вблизи конца (две точки для линейной экстраполяции, три точки для квадратичной экстраполяции и т. д.). Полученная кривая может быть затем продолжена за пределы известных данных. Полиномиальная экстраполяция обычно выполняется с помощью интерполяции Лагранжа или методом конечных разностей Ньютона для создания ряда Ньютона, аппроксимирующего данные. Полученный полином может быть использован для экстраполяции данных. Экстраполяция полиномами высокого порядка требует осторожности. Для приведенного выше набора данных и задачи, экстраполяция порядка выше 1 (линейной) может давать непригодные значения; оценка погрешности экстраполированного значения будет возрастать с увеличением степени полинома экстраполяции. Это связано с феноменом Рунге.
Коническая
Конический разрез можно построить, используя пять точек вблизи конца известных данных. Если построенный конический разрез является эллипсом или окружностью, при экстраполяции он замкнется, возвращаясь к началу. Экстраполированная парабола или гипербола не замкнется, но может изгибаться в обратном направлении относительно оси X. Такая экстраполяция может быть выполнена с помощью шаблона конических сечений (на бумаге) или компьютера.
Французская кривая
Французская экстраполяция кривой – это метод, подходящий для любого распределения, демонстрирующего тенденцию к экспоненциальному росту, но с факторами ускорения или замедления. Этот метод успешно применялся для прогнозирования распространения ВИЧ/СПИДа в Великобритании с 1987 года и варианта болезни Крейтцфельдта-Якоба (CJD) в Великобритании на протяжении нескольких лет. Другое исследование показало, что экстраполяция может обеспечивать качество прогнозирования, сопоставимое с более сложными стратегиями прогнозирования.
Качество
Как правило, качество конкретного метода экстраполяции ограничено предположениями о функции, сделанными этим методом. Если метод предполагает, что данные гладкие, то функция с разрывами будет экстраполироваться плохо. В отношении сложных временных рядов некоторые эксперты обнаружили, что экстраполяция оказывается более точной при выполнении через разложение причинных факторов. Даже при верных предположениях о функции экстраполяция может существенно отклоняться от истинного значения функции. Классическим примером служит усеченное степенное разложение функций sin(x) и других тригонометрических функций. Например, используя только данные вблизи x = 0, можно оценить, что функция ведет себя как sin(x) ≈ x. В окрестности x = 0 это очень хорошее приближение. Однако, удаляясь от x = 0, экстраполяция неограниченно удаляется от оси x, в то время как sin(x) остается в интервале [-1, 1]. То есть, ошибка возрастает безгранично. Увеличение числа членов в степенном разложении sin(x) вблизи x = 0 приведет к лучшему согласию на большем интервале вокруг x = 0, но экстраполяции будут отклоняться от оси x еще быстрее, чем линейное приближение. Это расхождение является специфическим свойством методов экстраполяции и может быть преодолено только тогда, когда функциональные формы, используемые методом экстраполяции (непреднамеренно или намеренно, благодаря дополнительной информации), точно отражают природу экстраполируемой функции. Для конкретных задач такая дополнительная информация может быть доступна, но в общем случае невозможно учесть все возможные варианты поведения функции с помощью небольшого и практически применимого набора потенциальных моделей.
В сложной плоскости
В комплексном анализе задача экстраполяции может быть преобразована в задачу интерполяции посредством замены переменной. Это преобразование меняет местами часть комплексной плоскости внутри единичной окружности с частью комплексной плоскости вне единичной окружности. В частности, точка компактификации в бесконечности отображается в начало координат и наоборот. Однако с этим преобразованием следует обращаться осторожно, поскольку исходная функция могла иметь особенности, например полюса и другие сингулярности, в бесконечности, которые не были видны из имеющихся данных. Другая проблема экстраполяции тесно связана с задачей аналитического продолжения, где (как правило) степенное разложение функции расширяется в одной из точек сходимости, чтобы получить степенной ряд с большим радиусом сходимости. По сути, набор данных из небольшой области используется для экстраполяции функции на большую область. Аналитическое продолжение может быть затруднено особенностями функции, которые не были очевидны из исходных данных. Кроме того, можно использовать преобразования последовательностей, такие как аппроксиманты Паде и преобразования последовательностей типа Левина, как методы экстраполяции, приводящие к суммированию степенных рядов, расходящихся за пределами исходного радиуса сходимости. В этом случае часто получают рациональные аппроксиманты.
rational approximants.
Быстро.
Экстраполированные данные часто приводят к свёртке с ядром. После экстраполяции размер данных увеличивается в N раз, где N приблизительно равно 2–3. Если эти данные необходимо свернуть с известной функцией ядра, объём численных вычислений возрастёт в Nlog(N) раз, даже при использовании быстрого преобразования Фурье (FFT). Существует алгоритм, который аналитически вычисляет вклад от части экстраполированных данных. Время вычисления этим алгоритмом пренебрежимо мало по сравнению с исходным вычислением свёртки. Таким образом, использование этого алгоритма практически не увеличивает вычислительную сложность свёртки с экстраполированными данными. Это называется быстрой экстраполяцией. Быстрая экстраполяция была применена к реконструкции изображений компьютерной томографии (КТ).
Аргументы экстраполяции
Аргументы экстраполяции – это неформальные и неколичественные аргументы, которые утверждают, что что-то, вероятно, верно за пределами диапазона значений, для которых это известно. Например, мы верим в реальность того, что видим через увеличительные стекла, потому что это согласуется с тем, что видим невооруженным глазом, но простирается за его пределы; мы верим в то, что видим через световые микроскопы, потому что это согласуется с тем, что видим через увеличительные стекла, но простирается за их пределы; и то же самое относится к электронным микроскопам. Такие аргументы широко используются в биологии при экстраполяции результатов исследований на животных на людей и результатов пилотных исследований на более широкую популяцию. Как и аргументы о скользком склоне, аргументы экстраполяции могут быть сильными или слабыми в зависимости от таких факторов, как степень выхода экстраполяции за пределы известного диапазона.