最优化-最小二乘法拟合

最优化-最小二乘法拟合
最优化-最小二乘法拟合

Least Squares Fit

Abstract:

The techniques of least squares optimization have their origins in problems of curve fitting, and of finding the best possible solution for a system of linear equations with infinitely many solutions. Curve fitting problems begin with data points (t 1, S 1), . . . , (tn' sn) and a given class of functions (for example, linear functions, polynomial functions, exponential functions), and seek to identify the function S = f(t) that "best fits" the data points. On the other hand, such problems as finding the minimum distance in geometric contexts or minimum variance in statistical contexts can often be solved by finding the solution of minimum norm for an underdetermined linear system of equations.

Keyword:Least Squares、Fit、Equations

Text:Suppose that in a certain experiment or study, we record a series of observed values (t 1 , Sl), (t 2 , S2), ..., (tn, Sn) of two variables s, t that we have reason to believe are related by a function s = f(t) of a certain type. For example, we might know that sand t are related by a polynomial function

of degree < k, where k is prescribed in advance, but we do not know the specific values of the coefficients xo, Xl' ..., X k of p(t). We are interested in choosing the values of these coefficients so that the deviations

between the observed value Si at t i and the value p(tJ of p(t) at t i , are all as small as possible.

One reasonable approach to this problem is to minimize the function

over all (X o , Xl' . . . , x k ) in R k + 1. Al tho ugh the use of the "square deviation" (Si - p(tJ)2 in place of the raw deviation ISi - p(tJI can be justified purely in terms of the convenience afforded by the resulting differentiability of qJ, this choice has some theoretical advantages that will soon become evident. Recall that the customary approach to the minimization of the function qJ(x o , Xl' . .., x k ) is to set the gradient of qJ equal to zero and solve the resulting system for xo, Xl' ..., X k (cf. Exercise 18 of Chapter 1). This produces the minimizers of qJ because qJ is a convex function of xo, Xl' ..., X k (Why?) and so any critical point of qJ is a global minimizer. Our approach to this mini- mization problem is similar but somewhat more refined. We first observe that the function qJ(x o , Xl' .. . , X k ) can be expressed con- veniently in terms of the norm on Rk+l. Specifically, if we set

Then

Therefore, the gradient and Hessian of qJ are given by

Now here is the pertinent observation: Since the numbers t l' t 2' . . ., t n are distinct values of the independent variable t, the columns of the matrix A are linearly independent. This means that if Ax = 0 then x = 0 since Ax is simply a linear combination of the column vectors of A. But then, because

we see that H qJ(x) is positive definite. It follows from (2.3.7) that qJ(x) is strictly convex on Rk+l and so qJ(x) has unique global minimizer at the point x* for which VqJ(x*) = o. Since VqJ(x) = - 2A T b + 2A T Ax, we see that the minimize x* of qJ is characterized by the so-called normal equation

The matrix AT A is invertible because it is positive definite, so x* is also given by

If x* = (X6, xi, ..., xt), then the polynomial

is called the best least squares (kth degree polynomial) fit for the given

data. In the special case when k = 1, the least squares procedure fits a line

to the given data points (t 1, S1), (t 2 , S2), ..., (tn, sn). This line is called the linear regression line for the given data.

最小二乘法的基本原理和多项式拟合

最小二乘法的基本原理和多项式拟合 一 最小二乘法的基本原理 从整体上考虑近似函数)(x p 同所给数据点),(i i y x (i=0,1,…,m)误差 i i i y x p r -=)((i=0,1,…,m) 的大小,常用的方法有以下三种:一是误差 i i i y x p r -=)((i=0,1,…,m)绝对值的最大值i m i r ≤≤0max ,即误差 向量 T m r r r r ),,(10 =的∞—范数;二是误差绝对值的和∑=m i i r 0 ,即误差向量r 的1— 范数;三是误差平方和∑=m i i r 02 的算术平方根,即误差向量r 的2—范数;前两种方法简单、自然,但不便于微分运算 ,后一种方法相当于考虑 2—范数的平方,因此在曲线拟合中常采用误差平方和∑=m i i r 02 来 度量误差i r (i=0,1,…,m)的整 体大小。 数据拟合的具体作法是:对给定数据 ),(i i y x (i=0,1,…,m),在取定的函数类Φ中,求Φ∈)(x p ,使误差i i i y x p r -=)((i=0,1,…,m)的平方和最小,即 ∑=m i i r 2 = 从几何意义上讲,就是寻求与给定点),(i i y x (i=0,1,…,m)的距离平方和为最 小的曲线 )(x p y =(图6-1)。函数)(x p 称为拟合函数或最小二乘解,求拟合函数)(x p 的方法称为曲线拟合的最小二乘法。 在曲线拟合中,函数类Φ可有不同的选取方法 . 6—1 二 多项式拟合 假设给定数据点),(i i y x (i=0,1,…,m),Φ为所有次数不超过)(m n n ≤的多项式构成的函数类,现求一 Φ ∈=∑=n k k k n x a x p 0 )(,使得 [] min )(0 02 02 =??? ??-=-=∑∑∑===m i m i n k i k i k i i n y x a y x p I (1) [ ] ∑ = = - m i i i y x p 0 2 min ) (

最小二乘法的多项式拟合

用最小二乘法进行多项式拟合(m a t l a b 实现) 西安交通大学 徐彬华 算法分析: ,1,2,3,..,m),一共m+1 个数据点,取多项式P(x),使 函数P(x)称为拟合函数或最小二乘解,令似的 使得 其中,a0,a1,a2,…,an 为待求未知数,n 为多项式的最高次幂,由此,该问题化为求 的极值问题。由多元函数求极值的必要条件: j=0,1,…,n 得到: 总共有7个数据点,令m=6 第一步:画出已知数据的的散点图,确定拟合参数n; x=::;y=[,,,,,,]; plot(x,y,'*') xlabel 'x 轴' ylabel 'y 轴' title '散点图' hold on

因此将拟合参数n设为3. 第二步:计算矩阵 A= 注意到该矩阵为(n+1)*(n+1)矩阵, 多项式的幂跟行、列坐标(i,j)的关系为i+j-2,由此可建立循环来求矩阵的各个元素,程序如下: m=6;n=3; A=zeros(n+1); for j=1:n+1 for i=1:n+1 for k=1:m+1 A(j,i)=A(j,i)+x(k)^(j+i-2) end end end; 再来求矩阵 B= B=[0 0 0 0]; for j=1:n+1 for i=1:m+1 B(j)=B(j)+y(i)*x(i)^(j-1) end end 第三步:写出正规方程,求出a0,,a1…,an.

B=B'; a=inv(A)*B; 第四步:画出拟合曲线 x=[::]; z=a(1)+a(2)*x+a(3)*x.^2+a(4)*x.^3; plot(x,z) legend('离散点','y=a(1)+a(2)*x+a(3)*x.^2+a(4)*x.^3') title('拟合图') 总程序附下: x=::;y=[,,,,,,]; plot(x,y,'*') xlabel 'x轴' ylabel 'y轴' title '散点图' hold on m=6;n=3; A=zeros(n+1); for j=1:n+1 for i=1:n+1 for k=1:m+1 A(j,i)=A(j,i)+x(k)^(j+i-2) end end end; B=[0 0 0 0]; for j=1:n+1 for i=1:m+1 B(j)=B(j)+y(i)*x(i)^(j-1) end end B=B'; a=inv(A)*B; x=[::]; z=a(1)+a(2)*x+a(3)*x.^2+a(4)*x.^3; plot(x,z) legend('离散点','y=a(1)+a(2)*x+a(3)*x.^2+a(4)*x.^3') title('拟合图')

最小二乘法曲线拟合原理及maab实现

曲线拟合(curve-fitting ):工程实践中,用测量到的一些离散的数据},...2,1,0),,{(m i y x i i =求一个近似的函数)(x ?来拟合这组数据,要求所得的拟合曲线能最好的反映数据的基本趋势(即使)(x ?最好地逼近()x f ,而不必满足插值原则。因此没必要取)(i x ?=i y ,只要使i i i y x -=)(?δ尽可能地小)。 原理: 给定数据点},...2,1,0),,{(m i y x i i =。求近似曲线)(x ?。并且使得近似曲线与()x f 的偏差最小。近似曲线在该点处的偏差i i i y x -=)(?δ,i=1,2,...,m 。 常见的曲线拟合方法: 1.使偏差绝对值之和最小 2.使偏差绝对值最大的最小 3.使偏差平方和最小 最小二乘法: 按偏差平方和最小的原则选取拟合曲线,并且采取二项式方程为拟合曲线的方法,称为最小二乘法。 推导过程: 1. 设拟合多项式为: 2. 各点到这条曲线的距离之和,即偏差平方和如下: 3. 问题转化为求待定系数0a ...k a 对等式右边求i a 偏导数,因而我们得到了: ....... 4、 把这些等式化简并表示成矩阵的形式,就可以得到下面的矩阵: 5. 将这个范德蒙得矩阵化简后可得到: 6. 也就是说X*A=Y ,那么A = (X'*X)-1*X'*Y ,便得到了系数矩阵A ,同时,我们也就得到了拟合曲线。 MATLAB 实现: MATLAB 提供了polyfit ()函数命令进行最小二乘曲线拟合。 调用格式:p=polyfit(x,y,n) [p,s]= polyfit(x,y,n) [p,s,mu]=polyfit(x,y,n) x,y 为数据点,n 为多项式阶数,返回p 为幂次从高到低的多项式系数向量p 。x 必须是单调的。矩阵s 包括R (对x 进行QR 分解的三角元素)、df(自由度)、normr(残差)用于生成预测值的误差估计。 [p,s,mu]=polyfit(x,y,n)在拟合过程中,首先对x 进行数据标准化处理,以在拟合中消除量纲等影响,mu 包含标准化处理过程中使用的x 的均值和标准差。 polyval( )为多项式曲线求值函数,调用格式: y=polyval(p,x)

最小二乘法数据拟合

最小二乘法数据拟合 设给定数据),(i i f x ,),,2,1(m i = 在集合},,,{Span 10n ??? =Φ中找一个函数 )()(* 0** x a x S k n k k ?∑==,)(m n < (1) 其误差是 i i i f x S -=)(*δ,),,2,1(m i = (2) 使)(* x S 满足 2 1 )(2 *1 1 2 ])()[(min ])()[(i i m i i x S i i m i i m i i f x S x f x S x -=-=∑∑∑=Φ ∈==ωωδ (3) 0)(≥x ω是],[b a 上给定的权函数。上述求逼近函数)(*x S 的方法就称为曲线拟合的最小二 乘法。满足关系式(3)的函数)(* x S 称为上述最小二乘问题的最小二乘解。 并且有结论: 1)对于给定的函数表),(i i f x ,),,2,1(m i =,在函数类},,,{Span 10n ??? =Φ中存在唯一的函数)()(*0** x a x S k n k k ?∑== ,使得关系式(3)成立。 2)最小二乘解的系数* *1*0,,,n a a a 可以通过解法方程 ),(),(0 ???f a k n k j k =∑=,),,2,1,0(n j = (4) 作为曲线拟合的一种常用的情况,如果讨论的是代数多项式拟合,即取 },,,,1{},,,{210n n x x x =??? 那么相应的法方程(4)就是 ??????????????=???????????????????????? ??∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑++i n i i i i i i i n n i i n i i n i i n i i i i i i n i i i i i f x f x f a a a x x x x x x x x ωωωωωωωωωωωω 102112 (5)

数值计算_第6章 曲线拟合的最小二乘法

第6章曲线拟合的最小二乘法 6.1 拟合曲线 通过观察或测量得到一组离散数据序列,当所得数据比较准确时,可构造插值函数逼近客观存在的函数,构造的原则是要求插值函数通过这些数据点,即。此时,序列与 是相等的。 如果数据序列,含有不可避免的误差(或称“噪音”),如图6.1 所示;如果数据序列无法同时满足某特定函数,如图6.2所示,那么,只能要求所做逼近函数最优地靠近样点,即向量与的误差或距离最小。按与之间误差最小原则作为“最优”标准构造的逼近函数,称为拟合函数。 图6.1 含有“噪声”的数据

图6.2 一条直线公路与多个景点 插值和拟合是构造逼近函数的两种方法。插值的目标是要插值函数尽量靠近离散点;拟合的目标是要离散点尽量靠近拟合函数。 向量与之间的误差或距离有各种不同的定义方法。例如: 用各点误差绝对值的和表示: 用各点误差按模的最大值表示: 用各点误差的平方和表示: 或(6.1) 其中称为均方误差,由于计算均方误差的最小值的方法容易实现而被广泛采用。按 均方误差达到极小构造拟合曲线的方法称为最小二乘法。本章主要讲述用最小二乘法构造拟合曲线的方法。 在运筹学、统计学、逼近论和控制论中,最小二乘法都是很重要的求解方法。例如,它是统计学中估计回归参数的最基本方法。

关于最小二乘法的发明权,在数学史的研究中尚未定论。有材料表明高斯和勒让德分别独立地提出这种方法。勒让德是在1805年第一次公开发表关于最小二乘法的论文,这时高斯指出,他早在1795年之前就使用了这种方法。但数学史研究者只找到了高斯约在1803年之前使用了这种方法的证据。 在实际问题中,怎样由测量的数据设计和确定“最贴近”的拟合曲线?关键在选择适当的拟合曲线类型,有时根据专业知识和工作经验即可确定拟合曲线类型;在对拟合曲线一无所知的情况下,不妨先绘制数据的粗略图形,或许从中观测出拟合曲线的类型;更一般地,对数据进行多种曲线类型的拟合,并计算均方误差,用数学实验的方法找出在最小二乘法意义下的误差最小的拟合函数。 例如,某风景区要在已有的景点之间修一条规格较高的主干路,景点与主干路之间由各具特色的支路联接。设景点的坐标为点列;设主干路为一条直线 ,即拟合函数是一条直线。通过计算均方误差最小值而确定直线方程(见图6.2)。 6.2线性拟合和二次拟合函数 线性拟合 给定一组数据,做拟合直线,均方误差为 (6.2) 是二元函数,的极小值要满足

曲线拟合的最小二乘法讲解

实验三 函数逼近与曲线拟合 一、问题的提出: 函数逼近是指“对函数类A 中给定的函数)(x f ,记作A x f ∈)(,要求在另一类简的便于计算的函数类B 中求函数A x p ∈)(,使 )(x p 与)(x f 的误差在某中度量意义下最小”。函数类A 通常是区间],[b a 上的连续函数,记作],[b a C ,称为连续函数空间,而函数类B 通常为n 次多项式,有理函数或分段低次多项式等,函数逼近是数值分析的基础。主要内容有: (1)最佳一致逼近多项式 (2)最佳平方逼近多项式 (3)曲线拟合的最小二乘法 二、实验要求: 1、构造正交多项式; 2、构造最佳一致逼近; 3、构造最佳平方逼近多项式; 4、构造最小二乘法进行曲线拟合; 5、求出近似解析表达式,打印出逼近曲线与拟合曲线,且打印出其在数据点上的偏差; 6、探讨新的方法比较结果。 三、实验目的和意义: 1、学习并掌握正交多项式的MATLAB 编程; 2、学习并掌握最佳一致逼近的MATLAB 实验及精度比较;

3、学习并掌握最佳平方逼近多项式的MATLAB 实验及精度比较; 4、掌握曲线拟合的最小二乘法; 5、最小二乘法也可用于求解超定线形代数方程组; 6、 探索拟合函数的选择与拟合精度之间的关系; 四、 算法步骤: 1、正交多项式序列的生成 {n ?(x )}∞ 0:设n ?(x )是],[b a 上首项系数a ≠n 0的n 次多项式,)(x ρ为],[b a 上权函数,如果多项式序列{n ?(x )} ∞0 满足关系式???=>≠==?.,0,, 0)()()()(),(k j A k j x d x x x k k j b a k j ??ρ?? 则称多项式序列{n ?(x )}∞ 0为在],[b a 上带权)(x ρ正交,称n ?(x )为],[b a 上带权)(x ρ 的n 次正交多项式。 1)输入函数)(x ρ和数据b a ,; 2)分别求))(),(()),(,(x x x x j j j n ???的内积; 3)按公式①)()) (),(()) (,()(,1)(1 0x x x x x x x x j n j j j j n n n ??? ???∑-=- ==计算)(x n ?,生成正交多项式; 流程图: 开始

最小二乘法拟合原理

最小二乘拟合 在物理实验中经常要观测两个有函数关系的物理量。根据两个量的许多组观测数据来确定它们的函数曲线,这就是实验数据处理中的曲线拟合问题。这类问题通常有两种情况:一种是两个观测量x 与y 之间的函数形式已知,但一些参数未知,需要确定未知参数的最佳估计值;另一种是x 与y 之间的函数形式还不知道,需要找出它们之间的经验公式。后一种情况常假设x 与y 之间的关系是一个待定的多项式,多项式系数就是待定的未知参数,从而可采用类似于前一种情况的处理方法。 一、最小二乘法原理 在两个观测量中,往往总有一个量精度比另一个高得多,为简单起见把精度较高的观测量看作没有误差,并把这个观测量选作x ,而把所有的误差只认为是y 的误差。设x 和y 的函数关系由理论公式 y =f (x ;c 1,c 2,……c m ) (0-0-1) 给出,其中c 1,c 2,……c m 是m 个要通过实验确定的参数。对于每组观测数据(x i ,y i )i =1,2,……,N 。都对应于xy 平面上一个点。若不存在测量误差,则这些数据点都准确 落在理论曲线上。只要选取m 组测量值代入式(0-0-1),便得到方程组 y i =f (x ;c 1,c 2,……c m ) (0-0-2) 式中i =1,2,……,m.求m 个方程的联立解即得m 个参数的数值。显然Nm 的情况下,式(0-0-2)成为矛盾方程组,不能直接用解方程的方法求得m 个参数值,只能用曲线拟合的方法来处理。设测量中不存在着系统误差,或者说已经修正,则y 的观测值y i 围绕着期望值 摆动,其分布为正态分布,则y i 的概率密度为 ()()[] ??? ???? ???--= 2 2 212,......,,;exp 21i m i i i i c c c x f y y p σσπ, 式中i σ 是分布的标准误差。为简便起见,下面用C 代表(c 1,c 2,……c m )。考虑各次测量是相互独立的,故观测值(y 1,y 2,……c N )的似然函数 ( ) ()[]?? ? ???????-- = ∑ =N i i i N N C x f y L 1 2 2 21;2 1exp (21) σσ σσπ . 取似然函数L 最大来估计参数C ,应使 ()[]min ;1 1 2 2 =-∑=N i i i i C x f y σ (0-0-3) 取最小值:对于y 的分布不限于正态分布来说,式(0-0-3)称为最小二乘法准则。若为正态分布的情况,则最大似然法与最小二乘法是一致的。因权重因子 2 /1i i σω=,故式 (0-0-3)表明,用最小二乘法来估计参数,要求各测量值y i 的偏差的加权平方和为最小。 根据式(0-0-3)的要求,应有

最小二乘法线性拟合y

%最小二乘法线性拟合y=ax+b x=[0:0.2:4.0]; y=[0.02 0.375 0.73 1.06 1.335 1.595 1.84 2.045 2.23 2.38 2.485 2.565 2.625 2.67 2.705 2.73 2.76 2.78 2.79 2.81 2.82]; p=polyfit(x,y,1); z=polyval(p,x); plot(x,y,'+'); title(‘V-X曲线’) grid on xlabel(‘X/mm’) ylabel(‘V/v’) hold on x=[0:0.2:-4.0]; y=[0.01 -0.385 -0.8 -1.22 -1.64 -2.055 -2.455 -2.825 -3.165 -3.64 -3.74 -3.915 -4.06 -4.155 -4.235 -4.295 -4.345 -4.385 -4.415 -4.445 -4.47]; p=polyfit(x,y,1); z=polyval(p,x); plot(x,y,'+'); x=[0:0.2:4.0]; y=[0.02 0.375 0.73 1.06 1.335 1.595 1.84 2.045 2.23 2.38 2.485 2.565 2.625 2.67 2.705 2.73 2.76 2.78 2.79 2.81 2.82]; p=polyfit(x,y,1); x=[0:-0.2:-4.0]; y=[0.01 -0.385 -0.8 -1.22 -1.64 -2.055 -2.455 -2.825 -3.165 -3.64 -3.74 -3.915 -4.06 -4.155 -4.235 -4.295 -4.345 -4.385 -4.415 -4.445 -4.47]; p=polyfit(x,y,1); x=[0:0.2:4.0]; y=[0.02 0.375 0.73 1.06 1.335 1.595 1.84 2.045 2.23 2.38 2.485 2.565 2.625 2.67 2.705 2.73 2.76 2.78 2.79 2.81 2.82]; xmean=mean(x);ymean=mean(y); sumx2=(x-xmean)*(x-xmean)'; sumxy=(y-ymean)*(x-xmean)'; a=sumxy/sumx2;%解出直线斜率a(即传感器灵敏度) b=ymean-a*xmean;%解出直线截距b z=((a*(x(1,11))+b-(y(1,11)))/(y(1,11))); a b z figure plot(x,y,'+'); hold on

最优化-最小二乘法拟合

Least Squares Fit Abstract: The techniques of least squares optimization have their origins in problems of curve fitting, and of finding the best possible solution for a system of linear equations with infinitely many solutions. Curve fitting problems begin with data points (t 1, S 1), . . . , (tn' sn) and a given class of functions (for example, linear functions, polynomial functions, exponential functions), and seek to identify the function S = f(t) that "best fits" the data points. On the other hand, such problems as finding the minimum distance in geometric contexts or minimum variance in statistical contexts can often be solved by finding the solution of minimum norm for an underdetermined linear system of equations. Keyword:Least Squares、Fit、Equations Text:Suppose that in a certain experiment or study, we record a series of observed values (t 1 , Sl), (t 2 , S2), ..., (tn, Sn) of two variables s, t that we have reason to believe are related by a function s = f(t) of a certain type. For example, we might know that sand t are related by a polynomial function of degree < k, where k is prescribed in advance, but we do not know the specific values of the coefficients xo, Xl' ..., X k of p(t). We are interested in choosing the values of these coefficients so that the deviations between the observed value Si at t i and the value p(tJ of p(t) at t i , are all as small as possible. One reasonable approach to this problem is to minimize the function

曲线拟合的最小二乘法

曲线拟合的最小二乘法 吕英楷 1014202033 在物理实验中经常要观测两个有函数关系的物理量。根据两个量的许多组观测数据来确定它们的函数曲线,这就是实验数据处理中的曲线拟合问题。这类问题通常有两种情况:一种是两个观测量x 与y 之间的函数形式已知,但一些参数未知,需要确定未知参数的最佳估计值;另一种是x 与y 之间的函数形式还不知道,需要找出它们之间的经验公式。后一种情况常假设x 与y 之间的关系是一个待定的多项式,多项式系数就是待定的未知参数,从而可采用类似于前一种情况的处理方法。 一、曲线拟合的最小二乘法原理: 由已知的离散数据点选择与实验点误差最小的曲线 )(...)()()(1100x a x a x a x S n n ???+++= 称为曲线拟合的最小二乘法。 若记 ),()()(),(0 i k i j m i i k j x x x ??ω??∑== k i k i m i i k d x x f x f ≡=∑=)()()(),(0 ?ω? 上式可改写为),...,1,0(;),(n k d a k j n o j j k -=∑=??这个方程成为法方程,可写成距阵 形式 d Ga = 其中,),...,,(,),...,,(1010T n T n d d d d a a a a == ???? ?? ??????=),(),(),()(),(),(),(),(),(10 1110101000n n n n n n G ?????????????????? 。 它的平方误差为:.)]()([)(||||20 22i i m i i x f x S x -= ∑=ωδ

最小二乘法matlab多项式拟合

最小二乘法拟合探究 吴春晖 (中国海洋大学海洋环境学院山东青岛 266100) 摘要: 本文的拟合对象为含多个变量的待定系数的多项式。通过最小二乘法对多项式作出拟合,以向量矩阵的形式来解出待定的系数。在matlab中,通过算法,写出具体的解法。之后,先对最小二乘法的准确性作出检验,分析该方法在应对复杂情况的误差。在检验该方法的可行性之后,对给定的变量值进行拟合与解题。同时,本文将对基于Laguerre多项式的最小二乘法进行分析检验, 关键词:最小二乘法拟合多变量Laguerre多项式 引言: 在之前的计算方法中,在给出已知节点后,如果需要根据给出的节点来确定未知节点的值,我们需要运用插值。在对插值的精准性进行分析后,我们发现不同插值方式的误差都极大,而且插值所得出的函数的特征由插值方式所决定,并不能反映具体的节点原来可能的规律与分布。所以,拟合的方法相比插值而言,并不要求函数值在原节点处的值相等,却能在一定程度上反映原函数的规律。在该文中,我们主要运用最小二乘法进行拟合。

目录 第一章matlab最小二乘法拟合程序 (3) 1.1最小二乘法拟合的数学法 (3) 1.2 编写最小二乘法的matlab拟合程序 (3) 1.2.1程序算法 (3) 1.2.2 最小二乘法拟合的程序 (4) 1.3程序的分析说明 (4) 第二章最小二乘拟合法的检验及应用 (5) 2.1 最小二乘法拟合的检验 (5) 2.2最小二乘法拟合的实际应用 (7) 第三章Laguerre多项式的最小二乘拟合 (8) 3.1 算法与程序 (8) 3.2检验与分析 (9) 第四章最小二乘法拟合的分析总结 (11)

最小二乘法多项式拟合

最小二乘法多项式拟合 对于给定的数据点N i y x i i ≤≤1),,(,可用下面的n 阶多项式进行拟合,即 为了使拟合出的近似曲线能尽量反映所给数据的变化趋势,要求在所有数据点上的残差 都较小。为达到上述目标,可以令上述偏差的平方和最小,即 称这种方法为最小二乘原则,利用这一原则确定拟合多项式)(x f 的方法即为最小二乘法多项式拟合。 确定上述多项式的过程也就是确定)(x f 中的系数n k a k ≤≤0,的过程,根据最小二乘原则,则偏差平方和应该是这些系数的函数,即 为使上式取值最小,则其关于n k a k ≤≤0,的一阶导数应该为零,即有 将上面各等式写成方程组的形式可有 写成矩阵形式有 上述方程组可以通过克莱姆法则来计算,从而解出各系数n k a k ≤≤0,得到拟合方程。 考虑到一般情况提高拟合多项式的阶数并不能提高拟合精度,所以常用的多项拟合阶数为一阶和二阶,即线性拟合和二次拟合。两者的计算公式如下: 关于线性拟合,除上面按克莱姆法则来计算外,还可以有另一思路,下面对此进行说明。由于是线性拟合,最后得到的是一条直线,因此,直线可以由斜率和截距两个参数来确定,因此,求出这两个参数即可。首先对克莱姆法的求解结果进行展开可以得到 下面考虑先计算斜率再计算截距的方法,从下图可见,斜率计算与坐标系的位置无关,所以可以将坐标原点平移到样本的i x 和i y 坐标的均值所在点上 图中 则在新的坐标系),(y x ''下斜率的计算公式与前面1a 的计算公式相同,将其中的坐标),(y x 换成),(y x ''即可得到下面的计算公式 由样本在新坐标系下的坐标i x '和i y '的均值为零,或者由下面推导可知 x '

最小二乘法拟合

4.最小二乘法线性拟合 我们知道,用作图法求出直线的斜率a 和截据b ,可以确定这条直线所对应的经验公式,但用作图法拟合直线时,由于作图连线有较大的随意性,尤其在测量数据比较分散时,对同一组测量数据,不同的人去处理,所得结果有差异,因此是一种粗略的数据处理方法,求出的a 和b 误差较大。用最小二乘法拟合直线处理数据时,任何人去处理同一组数据,只要处理过程没有错误,得到的斜率a 和截据b 是唯一的。 最小二乘法就是将一组符合Y=a+bX 关系的测量数据,用计算的方法求出最佳的a 和b 。显然,关键是如何求出最佳的a 和b 。 (1) 求回归直线 设直线方程的表达式为: bx a y += (2-6-1) 要根据测量数据求出最佳的a 和b 。对满足线性关系的一组等精度测量数据(x i ,y i ),假定自变量x i 的误差可以忽略,则在同一x i 下,测量点y i 和直线上的点a+bx i 的偏差d i 如下: 111bx a y d --= 222bx a y d --= n n n bx a y d --= 显然最好测量点都在直线上(即d 1=d 2=……=d n =0),求出的a 和b 是最理想的,但测量点不可能都在直线上,这样只有考虑d 1、d 2、……、d n 为最小,也就是考虑d 1+d 2+……+d n 为最小,但因d 1、d 2、……、d n 有正有负,加起来可能相互抵消,因此不可取;而|d 1|+ |d 2|+……+ |d n |又不好解方程,因而不可行。现在采取一种等效方法:当d 12+d 22+……+d n 2 对a 和b 为最小时,d 1、d 2、……、d n 也为最小。取(d 12+d 22+……+d n 2 )为最小值,求a 和b 的方法叫最小二乘法。 令 ∑== n i i d D 1 2=21 1 2][i i n i n i i b a y d D --== ∑∑== (2-6-2) D 对a 和b 分别求一阶偏导数为: ][211∑∑==---=??n i i n i i x b na y a D ][21 2 11∑∑∑===---=??n i i n i i n i i i x b x a y x b D

MATLAB最小二乘法拟合直线的程序

最小二乘法拟合直线 程序: function linear_fit %最小二乘法拟合直线clear; clc; prompt={'Name of data file'}; title='Linear_fit'; lineNo=2; def={'Linearfit.dat'}; outval=inputdlg(prompt,title,lineNo,def); if isempty(outval)==1,return,end filename=outval{1}; data=load(filename); x=data(:,1); y=data(:,2); [a,b]=linearfit(x,y); yy=a+b*x; func=['y=',num2str(a),'+',num2str(b),'*x']; plot(x,y,'bx','markersize',10); hold on plot(x,yy,'r-','linewidth',1.5) xlabel('T(^oC)'); ylabel('R(\Omega)'); text(x(2),yy(length(yy)-1),func) function [a,b]=linearfit(x,y) xy=x.*y; x2=x.^2; x_mean=mean(x); y_mean=mean(y); xy_mean=mean(xy); x2_mean=mean(x2); b=(xy_mean-x_mean*y_mean)/(x2_mean-x_mean^2); a=y_mean-b*x_mean; return

运行情况: 按“run”运行时,弹出窗口 注:在Linearfit.dat文件中数据为: 0 4.38 10 4.56 20 4.70 30 4.86 40 5.08 50 5.24 60 5.40 70 5.58 80 5.74 90 5.96 100 6.06 110 6.26 120 6.44 点击图框中的“OK”,在“command window”中输出结果为:130 6.58 140 6.74 150 6.94 160 7.12 170 7.28 180 7.42 190 7.60 200 7.78

最小二乘法的二次数据拟合

最小二乘法的二次数据拟合 专业班级: 信计061 姓名:袁金龙 学号:156206012 一 实验目的 1.熟悉Mablab 编程; 2.学习最小二乘法及程序设计算法 二 实验题目: 最小二乘法求拟合数据的二次多项式 三 实验原理与理论基础 算法设计: Ⅰ 由题意决定span(1,x,x^2,…),即决定拟合多项式. Ⅱ 分别计算1 (,)(,) n i j i j m k k k k == ∑ ,1 (,)(,) n i i j m k y k y - == ∑ . Ⅲ 用(,)i j k k 组成方阵A,用(,)i k y - 组成矩阵B. Ⅳ 利用A/B 求出该多项式的系数,再利用1 (())^2n i i i f x y =-∑求出平方误差. 四 实验内容 (一)问题重述 给定数据点 (,)i j x y 如表所示。 (二)用matlab 编写M 文件如下: function []=zuixiaoercinihe2(x,y) n=length(x); k00=0; for i=1:n k00=k00+1; end k01=0; for i=1:n k01=k01+x(i);

end k02=0; for i=1:n k02=k02+x(i)*x(i); end k11=0; for i=1:n k11=k11+x(i)*x(i); end k12=0; for i=1:n k12=k12+x(i)*x(i)*x(i); end k22=0; for i=1:n k22=k22+x(i)*x(i)*x(i)*x(i); end k0y=0; for i=1:n k0y=k0y+y(i); end k1y=0; for i=1:n k1y=k1y+x(i)*y(i); end k2y=0; for i=1:n k2y=k2y+x(i)*x(i)*y(i); end A=[k00 k01 k02;k01 k11 k12;k02 k12 k22]; B=[k0y;k1y;k2y]; C=A\B; p=C(1); q=C(2); r=C(3); syms m; '拟合的二次函数为:' f=p+q*m+r*m*m l=0; for i=1:n l=l+((p+q*x(i)+r*x(i)*x(i))-y(i))*((p+q*x(i)+r*x(i)*x(i))-y(i)); end '该拟合函数的平方误差为:' l

曲线拟合的最小二乘法论文

“数值计算方法与算法”论文 题目:浅谈曲线拟合的最小二乘法 院系:化学与材料工程学院20系 姓名: 学号: 时间:2015年春季学期

浅谈曲线拟合的最小二乘法 【摘要】 数值计算方法,一种研究并解决数学问题的数值近似解的方法,主要解决那些理论上有解但是无法轻易且准确求解的数学问题。在当今计算机技术日渐成熟的背景下,数值计算方法的应用被大大的推广,并且极大的推动了自然科学的规律探索及理论验证。本文主要探讨了一种重要的数值计算方法——曲线拟合的最小二乘法的历史发展、理论核心以及应用价值。 关键词:数值计算方法最小二乘法应用 【正文】 数值计算方法,是一种研究并解决数学问题的数值近似解方法,现在通常在计算机上使用来求解数学问题。它主要的计算对象是那些在理论上有解而又无法直接手工计算的数学问题【1】。例如,用已知的数据点来构造合适的插值函数或拟合出合适的曲线来近似代替原函数,从而解决了因难以求得原函数表达式而无法计算相关函数值的难题;又如,对于一个一般的非线性方程,可能在计算方程的根时既无一定章程可循,也无理论解法可言,那么这时就可以构造合适的迭代格式如Newton迭代,通过对一个近似的初值进行有限次迭代,就可以得到较精准的根值,从而有效避免了冗长而又复杂的理论求解的过程。 在学习完计算方法与算法这门课程后,我收获了许多实用的计算方法、技巧和思想,而对书中的某些问题的解法的深入思考也让我加深了对这门课程的理解。由于专业的相关需要,我对曲线拟合的最小二乘法这部分知识点进行了重点的学习和深刻的反思,也收获了许多。 1.最小二乘法的发展历史 18世纪中期以后,欧拉(L. Euler, 1707-1783)、梅耶(T. Meiyer, 1723-1762)、拉普拉斯(P. S. Laplace, 1749—1827)等科学家在研究一些天体运动规律时,都得到了一些含有m个变量n个()方程的线性方程组(也就是我们现在所说的线性矛盾方程组),并且各自运用了一些方法解出了方程组的较优解。虽然方法繁琐且奇特,但不失为数学史一次伟大的尝试。 有关于最小二乘法的首次应用于实际计算并成功的记载,是关于第一颗小行星位置的预测,十分之有趣。1801年,意大利天文学家朱塞普·皮亚齐(Giuseppe Piazzi,1746-1826)发现了第一颗小行星谷神星。经过40天的跟踪观测后,由于谷神星运行至太阳背后,使得皮亚齐失去了谷神星的位置。随后,全世界的科学家利用皮亚齐的观测数据,开始了寻找谷神星之旅。但是,根据大多数人的计算结果来寻找谷神星,都以失败告终。时年24岁的伟大的数学家高斯(C.F.Gauss, 1777-1855)也随即参与了这次的计算。最终德国天文学家奥伯斯(Heinrich Olbers)

曲线拟合_线性最小二乘法及其MATLAB程序

1 曲线拟合的线性最小二乘法及其MATLAB 程序 例7.2.1 给出一组数据点),(i i y x 列入表7–2中,试用线性最小二乘法求拟合曲线,并用(7.2),(7.3)和(7.4)式估计其误差,作出拟合曲线. 表7–2 例7.2.1的一组数据),(y x 解 (1)在MATLAB 工作窗口输入程序 >> x=[-2.5 -1.7 -1.1 -0.8 0 0.1 1.5 2.7 3.6]; y=[-192.9 -85.50 -36.15 -26.52 -9.10 -8.43 -13.12 6.50 68.04]; plot(x,y,'r*'), legend('实验数据(xi,yi)') xlabel('x'), ylabel('y'), title('例7.2.1的数据点(xi,yi)的散点图') 运行后屏幕显示数据的散点图(略). (3)编写下列MA TLAB 程序计算)(x f 在),(i i y x 处的函数值,即输入程序 >> syms a1 a2 a3 a4 x=[-2.5 -1.7 -1.1 -0.8 0 0.1 1.5 2.7 3.6]; fi=a1.*x.^3+ a2.*x.^2+ a3.*x+ a4 运行后屏幕显示关于a 1,a 2, a 3和a 4的线性方程组 fi =[ -125/8*a1+25/4*a2-5/2*a3+a4, -4913/1000*a1+289/100*a2-17/10*a3+a4, -1331/1000*a1+121/100*a2-11/10*a3+a4, -64/125*a1+16/25*a2-4/5*a3+a4, a4, 1/1000*a1+1/100*a2+1/10*a3+a4, 27/8*a1+9/4*a2+3/2*a3+a4, 19683/1000*a1+729/100*a2+27/10*a3+a4, 5832/125*a1+324/25*a2+18/5*a3+a4] 编写构造误差平方和的MATLAB 程序 >> y=[-192.9 -85.50 -36.15 -26.52 -9.10 -8.43 -13.12 6.50 68.04]; fi=[-125/8*a1+25/4*a2-5/2*a3+a4, -4913/1000*a1+289/100*a2-17/10*a3+a4, -1331/1000*a1+121/100*a2-11/10*a3+a4, -64/125*a1+16/25*a2-4/5*a3+a4, a4, 1/1000*a1+1/100*a2+1/10*a3+a4, 27/8*a1+9/4*a2+3/2*a3+a4, 19683/1000*a1+729/100*a2+27/10*a3+a4, 5832/125*a1+324/25*a2+18/5*a3+a4]; fy=fi-y; fy2=fy.^2; J=sum(fy.^2) 运行后屏幕显示误差平方和如下 J= (-125/8*a1+25/4*a2-5/2*a3+a4+1929/10)^2+(-4913/1000*a1+2 89/100*a2-17/10*a3+a4+171/2)^2+(-1331/1000*a1+121/100*a2-11/10*a3+a4+723/20)^2+(-64/125*a1+16/25*a2-4/5*a3+a4+663/25)^2+(a4+91/10)^2+(1/1000*a1+1/100*a2+1/10*a3+a4+843/100)^2+(27/8*a1+9/4*a 2+3/2*a3+a4+328/25)^2+(19683/1000*a1+729/100*a2+27/10*a3+a4-13/ 2)^2+(5832/125*a1+324/25*a2+18/5*a3+a4-1701/25)^2 为求4321,,,a a a a 使J 达到最小,只需利用极值的必要条件0=??k a J )4,3,2,1(=k ,

最小二乘法线性拟合

最小二乘法线性拟合 函数masdap_meas_lsq_fit_data 的功能就是对采集到的三组样本传感器位置数据进行最小二乘法线性拟合。其计算公式如下: 设采集到一组N 个(,)i i x y 样本数据,对这组数据做y ax b =+线性拟合,求出拟合(,)a b 值。 由每个样本数据做误差求和计算:2 [()]i i err y ax b = -+∑,err 值由(,)a b 值 确定,因此,误差和分别做偏微分计算,当每个偏微分值为0时,误差和最小。故有: ()()2 2 2[()] 20 [()] 20 i i i i i i i i i i y ax b err x y a x b x a a y ax b err y a x N b b b ?-+?==---=???-+?= =---=??∑∑∑∑∑∑∑ 进而解出 ()() 22222i i i i i i i i i i i i i N x y x y a N x x y x x x y b N x x - = --= -∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑ 函数masdap_meas_lsq_fit_data 最后返回(,)a b 值。 基于最小二乘法作圆回归拟合 在一维短触故障拟合计算中,需要对一组数据点作圆拟合,在此介绍基于最小二乘法的圆回归算法。 已知条件:平面上一组点坐标; 求解目标:回归圆的半径R 和圆心坐标(),c c x y 。 由圆曲线公式的两种形式: ()()2 2 2 2 2 i c i c i i i i x x y x R x y ax by c ?-+-=??++++=?? ,即知:22c c a x b y R ?=-??=-??= ?? 根据最小二乘法,

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