Java 线性插值填充缺失点

Posted 2021-12-08 smile-yan

问题描述

已知时间戳与对应的值，需要根据时间戳找到缺失的点，然后进行值的填充。

例如：

timestamp	value
1	1.0
2	2.0
/	/
4	4.0
5	5.0
/	/
/	/
8	8.0
9	9.0

填充其中三个缺失的地方分别：

timestamp	value
/	3.0
/	6.0
/	7.0

源码

<!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.apache.commons/commons-math3 -->
<dependency>
    <groupId>org.apache.commons</groupId>
    <artifactId>commons-math3</artifactId>
    <version>3.6.1</version>
</dependency>

引入相应的依赖包

import java.util.LinkedList;
import java.util.List;
import org.apache.commons.math3.analysis.interpolation.LinearInterpolator;
import org.apache.commons.math3.analysis.polynomials.PolynomialSplineFunction;

缺失值填充的源码：

/**
 * 根据时间戳进行填充value
 * @param timestamps 时间戳数组
 * @param values 对应的值
 * @param interval 时间戳
 * @return 填充后的list
 */
public static List<Double> insertMissingByTimestamps(List<Long> timestamps,
                                                     List<Double> values,
                                                     Long interval) {
    // 检查问题
    if (timestamps == null || values == null ||
            timestamps.size() == 0 || values.size() == 0) {
        return null;
    }
    
    // 准备好线性插值
    LinearInterpolator interp = new LinearInterpolator();
    double[] timestampsAry = timestamps.stream().mapToDouble(d -> d).toArray();
    double[] valuesAry = values.stream().mapToDouble(d -> d).toArray();
    PolynomialSplineFunction insertMissingFunc = interp.interpolate(timestampsAry, valuesAry);

    // 计算正常情况下有多少个点
    final int normalSize = countMissingPoints(timestamps, interval);
    long current = timestamps.get(0);
    List<Double> target = new LinkedList<>();

    // 填充
    for (int i=0; i<timestamps.size() && target.size() < normalSize; ) {
        // 如果存在，则添加
        if (current == timestamps.get(i)) {
            target.add(values.get(i));
            i++;
        } else {
            // 如果不存在，则插值
            double value = insertMissingFunc.value(current);
            target.add(value);
        }
        current += interval;
    }

    return target;
}

测试用例

double[] x = { 1,  3, 4,   7, 8, 9, 10};
double[] y = { 1,  3, 4,   7, 8, 9, 10};

LinearInterpolator interp = new LinearInterpolator();
PolynomialSplineFunction f = interp.interpolate(x, y);

System.out.println("Piecewise functions:");
Arrays.stream(f.getPolynomials()).forEach(System.out::println);

double value = f.value(5);
double value2 = f.value(6);

System.out.println("x = 3, y = " + f.value(3));
System.out.println("x = 6, y = " + f.value(6));
System.out.println("x = 7, y = " + f.value(7));

测试输出内容：

1 + x
2 + x
4 + x
5 + x
8 + x
x = 3, y = 3.0
x = 6, y = 6.0
x = 7, y = 7.0

注意：如果是边界外的是不能计算的。比如这个题目中不能计算 f.value(10) 。

总结

很简单的东西，但是找了很久才找到这个库文件以及使用例子。总结一下，希望能够帮到需要的小伙伴们。

Smileyan
2021.11.5 17:30