范德蒙矩阵(Vandermonde 矩阵)简介:意义、用途及编程应用
参考:
Introduction to Applied Linear Algebra – Vectors, Matrices, and Least Squares
Stephen Boyd and Lieven Vandenberghe

书的网站: https://web.stanford.edu/~boyd/vmls/
Vandermonde 矩阵简介:意义、用途及编程应用
在数学和计算科学中,Vandermonde 矩阵是一种结构化的矩阵,广泛应用于插值、多项式评估和线性代数问题。它以法国数学家亚历山大·特奥菲尔·范德蒙德(Alexandre-Théophile Vandermonde)命名,在实际计算中有着重要意义。本篇博客将介绍 Vandermonde 矩阵的定义、作用及其在编程中的应用场景。
1. 什么是 Vandermonde 矩阵?
定义
Vandermonde 矩阵是一种由给定点生成的矩阵,其形式如下:
A = [ 1 t 1 t 1 2 ⋯ t 1 n − 1 1 t 2 t 2 2 ⋯ t 2 n − 1 ⋮ ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ 1 t m t m 2 ⋯ t m n − 1 ] , A = \begin{bmatrix} 1 & t_1 & t_1^2 & \cdots & t_1^{n-1} \\ 1 & t_2 & t_2^2 & \cdots & t_2^{n-1} \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 1 & t_m & t_m^2 & \cdots & t_m^{n-1} \end{bmatrix}, A= 11⋮1t1t2⋮tmt12t22⋮tm2⋯⋯⋱⋯t1n−1t2n−1⋮tmn−1 ,
其中:
- ( t 1 , t 2 , … , t m t_1, t_2, \dots, t_m t1,t2,…,tm ) 是指定的 ( m m m ) 个点;
- ( n n n ) 是多项式的最高次数加 1;
- 矩阵的每一行对应于一个点 ( t i t_i ti ) 在不同幂次下的值。
如果将多项式写成系数形式:
p ( t ) = c 1 + c 2 t + c 3 t 2 + ⋯ + c n t n − 1 , p(t) = c_1 + c_2t + c_3t^2 + \cdots + c_nt^{n-1}, p(t)=c1+c2t+c3t2+⋯+cntn−1,
Vandermonde 矩阵可以用来表示多项式在多个点 ( t 1 , t 2 , … , t m t_1, t_2, \dots, t_m t1,t2,…,tm ) 的值。其矩阵形式为:
y = A c , y = Ac, y=Ac,
其中:
- ( c = [ c 1 , c 2 , … , c n ] T c = [c_1, c_2, \dots, c_n]^T c=[c1,c2,…,cn]T ) 是多项式的系数向量;
- ( y = [ p ( t 1 ) , p ( t 2 ) , … , p ( t m ) ] T y = [p(t_1), p(t_2), \dots, p(t_m)]^T y=[p(t1),p(t2),…,p(tm)]T ) 是多项式在 ( m m m ) 个点上的值。
直观理解
Vandermonde 矩阵的每一行表示一个点的多项式值序列,而将多项式系数与 Vandermonde 矩阵相乘,相当于同时对所有点进行多项式评估。
2. Vandermonde 矩阵的意义与作用
意义
Vandermonde 矩阵的结构在多项式计算和插值问题中起到了核心作用。它的意义在于提供了一种矩阵化的方式来处理多项式操作问题,大大简化了多点评估和插值过程。
作用
-
多项式评估
通过 Vandermonde 矩阵,可以快速计算多项式在多个点的值。这在数值分析中非常常见,例如在物理建模中,需要快速计算某个函数的值。 -
多项式插值
在插值问题中,通过求解 ( A c = y Ac = y Ac=y ),可以找到满足插值条件的多项式系数 ( c c c )。 -
线性代数与特征值问题
Vandermonde 矩阵在特定条件下是非奇异的,因此常用于数值计算中的基矩阵。 -
信号处理
在傅里叶变换、频谱分析等问题中,Vandermonde 矩阵被用作计算的核心工具,尤其是在处理离散点的正弦或多项式基函数时。
3. 编程中的应用
Vandermonde 矩阵的生成和操作在数值计算中十分常见。以下是一些编程语言中的具体实现和应用场景。
生成 Vandermonde 矩阵
-
NumPy 示例
在 Python 中,可以使用numpy.vander()方法快速生成一个 Vandermonde 矩阵:import numpy as np# 给定点 t = np.array([1, 2, 3, 4])# 生成 Vandermonde 矩阵 A = np.vander(t, N=4, increasing=True) print(A)输出:
[[ 1 1 1 1][ 1 2 4 8][ 1 3 9 27][ 1 4 16 64]] -
MATLAB 示例
在 MATLAB 中,可以使用vander()方法:t = [1, 2, 3, 4]; A = vander(t); -
应用案例:多项式评估
通过矩阵乘法实现多点的多项式评估:# 多项式系数 c = np.array([1, -2, 3, 4]) # p(t) = 1 - 2t + 3t^2 + 4t^3# 评估多项式值 y = A @ c print(y)输出为每个点的多项式值。
多项式插值
假设已知 ( y y y ) 值和插值点 ( t t t ),可以通过 Vandermonde 矩阵求解系数 ( c c c ):
from numpy.linalg import solve# 已知插值点和对应值
t = np.array([1, 2, 3])
y = np.array([2, 3, 5])# 构造 Vandermonde 矩阵
A = np.vander(t, N=3, increasing=True)# 求解多项式系数
c = solve(A, y)
print(c)
输出的 ( c c c ) 即为多项式系数。
4. 实际应用场景
-
工程计算
在工程建模中,Vandermonde 矩阵常用于拟合数据。例如,拟合一个传感器的响应曲线,可以用多项式拟合并通过 Vandermonde 矩阵进行快速计算。 -
机器学习
在基于核函数的机器学习方法(如高斯核或多项式核)中,Vandermonde 矩阵可以用作特征映射工具。 -
信号处理与通信
在信号处理领域,离散傅里叶变换(DFT)可以视为一个特殊形式的 Vandermonde 矩阵计算。 -
数值插值与积分
Vandermonde 矩阵在拉格朗日插值和牛顿插值中有直接应用。
5. 结论
Vandermonde 矩阵是一种结构化矩阵,广泛用于多项式评估和插值问题。它通过矩阵化的方式简化了复杂的多点计算,在数值分析、信号处理和机器学习中有着重要的应用价值。在编程中,像 NumPy 或 MATLAB 这样强大的工具使得生成和操作 Vandermonde 矩阵变得非常简单高效。
通过深入理解 Vandermonde 矩阵的原理和用途,我们可以更加灵活地将其应用于实际问题中,从而提高计算效率并简化复杂的数学操作。
英文版
Introduction to Vandermonde Matrix: Significance, Uses, and Programming Applications
The Vandermonde matrix is a structured matrix widely used in polynomial interpolation, evaluation, and linear algebra problems. Named after the French mathematician Alexandre-Théophile Vandermonde, it plays an important role in simplifying computations in both mathematical and programming contexts. In this blog, we will introduce the definition, significance, and applications of the Vandermonde matrix, along with examples of its practical use in programming.
1. What is a Vandermonde Matrix?
Definition
A Vandermonde matrix is a matrix generated from a set of given points. It takes the following form:
A = [ 1 t 1 t 1 2 ⋯ t 1 n − 1 1 t 2 t 2 2 ⋯ t 2 n − 1 ⋮ ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ 1 t m t m 2 ⋯ t m n − 1 ] , A = \begin{bmatrix} 1 & t_1 & t_1^2 & \cdots & t_1^{n-1} \\ 1 & t_2 & t_2^2 & \cdots & t_2^{n-1} \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 1 & t_m & t_m^2 & \cdots & t_m^{n-1} \end{bmatrix}, A= 11⋮1t1t2⋮tmt12t22⋮tm2⋯⋯⋱⋯t1n−1t2n−1⋮tmn−1 ,
where:
- ( t 1 , t 2 , … , t m t_1, t_2, \dots, t_m t1,t2,…,tm ) are the ( m m m ) given points;
- ( n n n ) is the degree of the polynomial plus 1;
- Each row corresponds to a point ( t i t_i ti ) raised to increasing powers.
For a polynomial written as:
p ( t ) = c 1 + c 2 t + c 3 t 2 + ⋯ + c n t n − 1 , p(t) = c_1 + c_2t + c_3t^2 + \cdots + c_nt^{n-1}, p(t)=c1+c2t+c3t2+⋯+cntn−1,
the Vandermonde matrix can represent the polynomial’s evaluation at multiple points. Specifically, in matrix-vector form:
y = A c , y = Ac, y=Ac,
where:
- ( c = [ c 1 , c 2 , … , c n ] T c = [c_1, c_2, \dots, c_n]^T c=[c1,c2,…,cn]T ) is the vector of polynomial coefficients,
- ( y = [ p ( t 1 ) , p ( t 2 ) , … , p ( t m ) ] T y = [p(t_1), p(t_2), \dots, p(t_m)]^T y=[p(t1),p(t2),…,p(tm)]T ) is the vector of polynomial values at ( m m m ) points.
Intuitive Explanation
Each row of the Vandermonde matrix represents the powers of a single point ( t i t_i ti ), while multiplying the matrix by the coefficient vector ( c c c ) computes the polynomial values at all points ( t 1 , t 2 , … , t m t_1, t_2, \dots, t_m t1,t2,…,tm ).
2. Significance and Uses of Vandermonde Matrix
Significance
The Vandermonde matrix provides a structured and efficient way to handle polynomial operations, including evaluation, interpolation, and fitting. Its significance lies in its ability to simplify otherwise computationally intensive tasks.
Applications
-
Polynomial Evaluation
The Vandermonde matrix enables quick computation of polynomial values at multiple points simultaneously, which is useful in numerical analysis and modeling. -
Polynomial Interpolation
It is used to solve interpolation problems by finding the polynomial coefficients ( c c c ) that satisfy ( A c = y Ac = y Ac=y ), where ( y y y ) contains the known function values at specific points. -
Linear Algebra and Eigenvalue Problems
In specific conditions, the Vandermonde matrix is non-singular, making it useful in solving systems of linear equations. -
Signal Processing
Vandermonde matrices appear in Fourier transforms and spectrum analysis, especially when working with discrete points in polynomial or sinusoidal bases.
3. Programming Applications
Generating a Vandermonde Matrix
-
Using NumPy in Python
Python’snumpylibrary provides a convenient functionnumpy.vander()for generating Vandermonde matrices:import numpy as np# Define the points t = np.array([1, 2, 3, 4])# Generate a Vandermonde matrix A = np.vander(t, N=4, increasing=True) print(A)Output:
[[ 1 1 1 1][ 1 2 4 8][ 1 3 9 27][ 1 4 16 64]] -
Using MATLAB
MATLAB has a built-invander()function:t = [1, 2, 3, 4]; A = vander(t); -
Practical Example: Polynomial Evaluation
Once the Vandermonde matrix is generated, you can use it to evaluate a polynomial at multiple points:# Polynomial coefficients c = np.array([1, -2, 3, 4]) # p(t) = 1 - 2t + 3t^2 + 4t^3# Evaluate the polynomial y = A @ c print(y)Output:
[ 6 49 142 311]These are the values of ( p ( t ) p(t) p(t) ) at ( t = 1 , 2 , 3 , 4 t = 1, 2, 3, 4 t=1,2,3,4).
Polynomial Interpolation
If you know the values ( y y y ) at specific points ( t t t ) and need to find the polynomial coefficients ( c c c ), you can solve the system ( A c = y Ac = y Ac=y ):
from numpy.linalg import solve# Known points and values
t = np.array([1, 2, 3])
y = np.array([2, 3, 5])# Construct the Vandermonde matrix
A = np.vander(t, N=3, increasing=True)# Solve for the coefficients
c = solve(A, y)
print(c)
The output ( c c c ) contains the coefficients of the interpolating polynomial.
4. Real-World Applications
-
Engineering Computations
Vandermonde matrices are commonly used to fit models to real-world data. For instance, in sensor calibration, you may use polynomial fitting to model a sensor’s response curve. -
Machine Learning
In kernel-based machine learning methods (e.g., polynomial kernels), the Vandermonde matrix acts as a feature mapping tool. -
Signal Processing and Communication
In spectral analysis and discrete Fourier transform (DFT), Vandermonde matrices are essential for mapping discrete points to their polynomial or sinusoidal bases. -
Numerical Integration and Interpolation
Vandermonde matrices play a critical role in Lagrange and Newton interpolation methods, which are widely used in numerical integration tasks.
5. Conclusion
The Vandermonde matrix is a structured and powerful tool for polynomial evaluations and interpolations. By converting polynomial operations into matrix operations, it provides a clean and efficient approach to solving various mathematical and computational problems. With tools like NumPy and MATLAB, generating and applying Vandermonde matrices becomes straightforward, enabling their use in a wide range of fields such as engineering, machine learning, and signal processing.
Understanding the Vandermonde matrix not only helps simplify mathematical operations but also enhances your ability to apply it effectively in real-world scenarios.
后记
2024年12月20日13点46分于上海,在GPT4o大模型辅助下完成。
相关文章:
范德蒙矩阵(Vandermonde 矩阵)简介:意义、用途及编程应用
参考: Introduction to Applied Linear Algebra – Vectors, Matrices, and Least Squares Stephen Boyd and Lieven Vandenberghe 书的网站: https://web.stanford.edu/~boyd/vmls/ Vandermonde 矩阵简介:意义、用途及编程应用 在数学和计算科学中&a…...
【中标麒麟服务器操作系统实例分享】java应用DNS解析异常分析及处理
了解更多银河麒麟操作系统全新产品,请点击访问 麒麟软件产品专区:https://product.kylinos.cn 开发者专区:https://developer.kylinos.cn 文档中心:https://document.kylinos.cn 情况描述 中标麒麟服务器操作系统V7运行在 ARM…...
网安瞭望台第17期:Rockstar 2FA 故障催生 FlowerStorm 钓鱼即服务扩张现象剖析
国内外要闻 Rockstar 2FA 故障催生 FlowerStorm 钓鱼即服务扩张现象剖析 在网络安全的复杂战场中,近期出现了一个值得关注的动态:名为 Rockstar 2FA 的钓鱼即服务(PhaaS)工具包遭遇变故,意外推动了另一个新生服务 Flo…...
玩转OCR | 探索腾讯云智能结构化识别新境界
📝个人主页🌹:Eternity._ 🌹🌹期待您的关注 🌹🌹 ❀ 玩转OCR 腾讯云智能结构化识别产品介绍服务应用产品特征行业案例总结 腾讯云智能结构化识别 腾讯云智能结构化OCR产品分为基础版与高级版&am…...
idea2024创建JavaWeb项目以及配置Tomcat详解
今天呢,博主的学习进度也是步入了JavaWeb,目前正在逐步杨帆旗航,迎接全新的狂潮海浪。 那么接下来就给大家出一期有关JavaWeb的配置教学,希望能对大家有所帮助,也特别欢迎大家指点不足之处,小生很乐意接受正…...
外连接转AntiJoin的应用场景与限制条件 | OceanBase SQL 查询改写系列
在《SQL 改写系列:外连接转内连接的常见场景与错误》一文中,我们了解到谓词条件可以过滤掉连接结果中的 null 情形的,将外连接转化为内连接的做法是可行的,正如图1中路径(a)所示。此时,敏锐的你或许会进一步思考&#…...
华为实训课笔记 2024 1223-1224
华为实训 12/2312/24 12/23 [Huawei]stp enable --开启STP display stp brief --查询STP MSTID Port Role STP State Protection 实例ID 端口 端口角色 端口状态 是否开启保护[Huawei]display stp vlan xxxx --查询制定vlan的生成树计算结…...
MySQL超详细安装配置教程(亲测有效)
目录 1.下载mysql 2.环境配置 3.安装mysql 4.navicat工具下载与连接 5总结 1.下载mysql mysql下载--MySQL :: 下载 MySQL 社区服务器 下载的时候这里直接逃过就行 我这里的版本是最新的mysql8.0.37 下载完成之后,将压缩包进行解压 这里我建议大…...
MySQL 8.0:explain analyze 分析 SQL 执行过程
介绍 MySQL 8.0.16 引入一个实验特性:explain formattree ,树状的输出执行过程,以及预估成本和预估返 回行数。在 MySQL 8.0.18 又引入了 EXPLAIN ANALYZE,在 formattree 基础上,使用时,会执行 SQL &#…...
信管通低代码信息管理系统应用平台
目前,国家统一要求事业单位的电脑都要进行国产化替代,替代后使用的操作系统都是基于linux的,所有以前在WINDOWS下运行的系统都不能使用了,再者,各单位的软件都很零散,没有统一起来。需要把日常办公相关的软…...
git推送本地仓库到远程(Gitee)
目录 一、注册创建库 二、创建仓库 三、推送本地仓库到远程 1.修改本地仓库用户名和邮箱 2.本地库关联远程仓库 3.拉取远程仓库的文件 4.推送本地库的文件 5.查看远程仓库 四、远程分支查看 1.查看远程分支 2.修改test.txt文件 一、注册创建库 Gitee官网࿱…...
【C++语言】多态
一、多态的概念 多态的概念:通俗来说,就是多种形态,具体点就是去完成某种行为,当不同的对象去完成时会产生出不同的状态。 我们可以举一个例子: 比如买票这种行为,当普通人买票时,是全价买票&am…...
ThinkPHP 吸收了Java Spring框架一些特性
ThinkPHP 吸收了Java Spring框架一些特性,下面介绍如下: 1、controller 控制器层 存放控制器层的文件,用于处理请求和响应 2、model 实体类 存放实体类的文件,用于定义数据模型 3、dao DAO层 存放DAO(数据访问…...
自动控制系统综合与LabVIEW实现
自动控制系统综合是为了优化系统性能,确保其可靠性、稳定性和灵活性。常用方法包括动态性能优化、稳态误差分析、鲁棒性设计等。结合LabVIEW,可以通过图形化编程、高效数据采集与处理来实现系统综合。本文将阐述具体方法,并结合硬件选型提供实…...
记录一个SVR学习
1、为什么使用jupter来做数据预测?而不是传统pycharm编辑器 1、Jupyter Notebook 通过anaconda统一管理环境,可以运行python、R、Sql等数据分析常用语言。 2、做到交互式运行,可以逐步运行代码块,实时查看结果,便于调…...
Java内存区域进一步详解
方法区 方法区属于是 JVM 运行时数据区域的一块逻辑区域,是各个线程共享的内存区域。 《Java 虚拟机规范》只是规定了有方法区这么个概念和它的作用,方法区到底要如何实现那就是虚拟机自己要考虑的事情了。也就是说,在不同的虚拟机实现上&am…...
SpiderFlow平台v0.5.0流程的执行过程
流程执行过程: 1. 流程启动 流程的执行通常从一个 开始节点 开始,该节点是整个爬虫任务的起点。开始节点没有实际的功能作用,主要作用是标记流程的起始。 执行顺序:在执行过程中,系统按照流程中的连接线顺序依次执行…...
利用.NET Upgrade Assitant对项目进行升级
本教程演示如何把WPF程序从 <TargetFrameworkVersion>v4.8</TargetFrameworkVersion>升级到<TargetFramework>net8.0-windows</TargetFramework>. 下载并安装.NET Upgrade Assistant - Visual Studio Marketplace Supported .NET upgrades: .NET Frame…...
JAVA开发Erp时日志报错:SQL 当 IDENTITY_INSERT 设置为 OFF 时,不能为表 ‘***‘ 中的标识列插入显式值
错误提示 ### SQL: INSERT INTO sys_user ( user_id, username, password, status, create_time, update_time ) VALUES ( ?, ?, ?, ?, ?, ? ) ### Cause: com.microsoft.sqlserver.jdbc.SQLServerException: 当 IDENTITY_INSERT 设置为 OFF 时&…...
[计算机网络]ARP协议的故事:小明找小红的奇妙旅程
1.ARP小故事 在一个繁忙的网络世界中,每个设备都有自己的身份标识——MAC地址,就像每个人的身份证号码一样。在这个故事里,我们的主角小明(主机)需要找到小红(目标主机)的MAC地址,才…...
工业安全零事故的智能守护者:一体化AI智能安防平台
前言: 通过AI视觉技术,为船厂提供全面的安全监控解决方案,涵盖交通违规检测、起重机轨道安全、非法入侵检测、盗窃防范、安全规范执行监控等多个方面,能够实现对应负责人反馈机制,并最终实现数据的统计报表。提升船厂…...
全球首个30米分辨率湿地数据集(2000—2022)
数据简介 今天我们分享的数据是全球30米分辨率湿地数据集,包含8种湿地亚类,该数据以0.5X0.5的瓦片存储,我们整理了所有属于中国的瓦片名称与其对应省份,方便大家研究使用。 该数据集作为全球首个30米分辨率、覆盖2000–2022年时间…...
工业自动化时代的精准装配革新:迁移科技3D视觉系统如何重塑机器人定位装配
AI3D视觉的工业赋能者 迁移科技成立于2017年,作为行业领先的3D工业相机及视觉系统供应商,累计完成数亿元融资。其核心技术覆盖硬件设计、算法优化及软件集成,通过稳定、易用、高回报的AI3D视觉系统,为汽车、新能源、金属制造等行…...
Java面试专项一-准备篇
一、企业简历筛选规则 一般企业的简历筛选流程:首先由HR先筛选一部分简历后,在将简历给到对应的项目负责人后再进行下一步的操作。 HR如何筛选简历 例如:Boss直聘(招聘方平台) 直接按照条件进行筛选 例如:…...
GC1808高性能24位立体声音频ADC芯片解析
1. 芯片概述 GC1808是一款24位立体声音频模数转换器(ADC),支持8kHz~96kHz采样率,集成Δ-Σ调制器、数字抗混叠滤波器和高通滤波器,适用于高保真音频采集场景。 2. 核心特性 高精度:24位分辨率,…...
C++ 设计模式 《小明的奶茶加料风波》
👨🎓 模式名称:装饰器模式(Decorator Pattern) 👦 小明最近上线了校园奶茶配送功能,业务火爆,大家都在加料: 有的同学要加波霸 🟤,有的要加椰果…...
解析奥地利 XARION激光超声检测系统:无膜光学麦克风 + 无耦合剂的技术协同优势及多元应用
在工业制造领域,无损检测(NDT)的精度与效率直接影响产品质量与生产安全。奥地利 XARION开发的激光超声精密检测系统,以非接触式光学麦克风技术为核心,打破传统检测瓶颈,为半导体、航空航天、汽车制造等行业提供了高灵敏…...
c# 局部函数 定义、功能与示例
C# 局部函数:定义、功能与示例 1. 定义与功能 局部函数(Local Function)是嵌套在另一个方法内部的私有方法,仅在包含它的方法内可见。 • 作用:封装仅用于当前方法的逻辑,避免污染类作用域,提升…...
起重机起升机构的安全装置有哪些?
起重机起升机构的安全装置是保障吊装作业安全的关键部件,主要用于防止超载、失控、断绳等危险情况。以下是常见的安全装置及其功能和原理: 一、超载保护装置(核心安全装置) 1. 起重量限制器 功能:实时监测起升载荷&a…...
RabbitMQ 各类交换机
为什么要用交换机? 交换机用来路由消息。如果直发队列,这个消息就被处理消失了,那别的队列也需要这个消息怎么办?那就要用到交换机 交换机类型 1,fanout:广播 特点 广播所有消息:将消息…...
