Video Object Segmentation Using Eulerian Region-Based Active Contours

Video Object Segmentation Using Eulerian Region-Based Active Contours (International Conference in Computer Vision,Vancouver,Canada,juillet2001)

St′e phanie Jehan-Besson Michel Barlaud Laboratoire I3S,CNRS-UNSA

2000,route des Lucioles

06903Sophia Antipolis,France

jehan,barlaud@i3s.unice.fr

Gilles Aubert Laboratoire J.A.Dieudonn′e,CNRS-UNSA

Parc Valrose

06108Nice Cedex2,France

gaubert@math.unice.fr

Abstract

We address the problem of moving object segmentation using active contours.As far as segmentation of moving objects is concerned,region-based terms must be incorpo-rated in the evolution equation of the active contour,in ad-dition to classical boundary-based terms.In this paper,we propose a general framework for region-based active con-tours.Novel aspects of the segmentation method include a new Eulerian proof to compute the evolution equation of the active contour from the minimization of a criterion,and the introduction of functions named“descriptors”of the re-gions.In this proof,the dynamical scheme is directly intro-duced in the criterion before differentiation.With such a method,the case of descriptors depending on the evolution of the curve,i.e.depending upon features globally attached to the region,can readily be taken into account.The vari-ation of these descriptors upon the evolution of the curve induces additional terms in the evolution equation of the active contour.The proof ensures the fastest decrease of the active contour towards a minimum of the criterion.Inside this theoretical framework,a set of descriptors is evaluated on real sequences for the detection of moving objects.

1.Introduction

Detection and localization of moving objects in a se-quence of images become a crucial issue for the develop-ment of the new standard of video compression MPEG-4 [8].Generally speaking,two classes of approaches can be considered for segmentation:region-based approaches such as Markov Random Fields[17]and boundary-based ap-proaches.Originally,active contours were boundary-based methods:snakes[13],balloons[6]and geodesic active con-tours[2]are driven by the minimization of an energy to-wards the edges of an image.The information used is lo-cated strictly along the boundary.Nevertheless,active con-tours are powerful tools for the segmentation of moving ob-jects since they enclose the whole object by a continuous curve,which can be?tted to any shape.

In order to use active contours for the segmentation of mov-ing objects,region-based information must be incorporated in the evolution equation of an active contour.Previous works[3,4,5,18,19,22,23]proposed a way of integrating region-based terms in the evolution equation of an active contour for many different applications.A short survey of these methods is proposed in section2.

Goals and Contributions:Our goal is to elaborate a gen-eral framework for region-based active contours.Novel as-pects of the segmentation method include:

The introduction of functions describing each region, named“descriptors”of the regions.Thanks to these func-tions,the algorithm can easily be adapted to various appli-cations by only changing the descriptors.In this paper,a set of descriptors is evaluated for the segmentation of moving objects in a video sequence.

A new Eulerian proof to compute the evolution equa-tion of an active contour from a criterion incorporating both region-based and boundary-based terms.In this proof,the dynamical scheme is introduced immediately in the crite-rion before derivation.This method allows us to readily take into account a possible variation of the descriptors dur-ing the evolution of the curve.We consider both kinds of descriptors:time-dependent ones(dependent on the evolu-tion of the curve)and time-independent ones.The evolution equation is computed for time-independent descriptors and for some examples of time-dependent descriptors.We show that the velocity vector is not the same in the two cases. There are some additional terms in the evolution equation of time-dependent descriptors that have to be considered.

The paper is organized as follows.In section2,we present a survey of the region-based active contours found in the literature.In section3,we introduce a general frame-work for region-based active contours and a new Eulerian proof to compute the evolution equation of the active con-tour.In section4,a set of descriptors is proposed for the detection of moving objects.Finally,our method is evalu-

ated on real sequences in section5.

2.Problem statement and overview of existing

region-based active contours

We present a state-of-the-art on region-based methods

using active contours.We focus on differences and similar-

ities between all these works.

2.1.Problem statement

First,we describe the equations related to the segmen-

tation of an image in two regions.Let us de?ne the

region containing the objects to segment and the back-

ground region.Their common boundary is noted.

Let us consider an active contour

,where can be the arc length of

the contour and is an evolution parameter.It classically

evolves according to the following partial differential

equation(PDE):

where is the curvature of.

Recently,Paragios and Deriche[18]have proposed an ex-

tension of the work of Zhu and Yuille by changing the de-

scriptor of the contour in order to incorporate the image gra-

dient as in geodesic active contours[2].In their study,some

descriptors are evaluated for texture or moving objects seg-

mentation.

Chakraborty et al.[3]have introduced a similar region-

based approach for the segmentation of medical images.As

in Zhu and Yuille[23],the whole problem is reduced to

computing line integrals with the Green-Riemann theorem,

rather than both line and area integrals.The criterion is in-

troduced and numerically evaluated to maximize it.In the

same way,Chesnaud et al.[5]search to maximize a likeli-

hood function by choosing at each step the better displace-

ment of the active contour.

A later approach has been introduced by Samson et al.

[20]for classi?cation and by Chan and Vese[4]for segmen-

tation of still images.Here the level set method is directly

used by representing the curve as the zero level set of

a Lipschitz continuous function.The criterion is

then minimized with respect to and the evolution equa-

tion is directly expressed with the level set function.

What emerges from this survey is that these pioneer works are complementary.However,all proofs leading to the evolution equation of the active contour are based on the derivation of the criterion using Euler-Lagrange equations and the dynamical scheme is introduced after the compu-tation of the derivative[4,18,23].With such a method, the case of descriptors depending upon features globally attached to the region(time-dependent descriptors)cannot readily be taken into account.The major contribution of our work is to compute the evolution equation of the active contour for descriptors depending upon features globally at-tached to the region without computing the Euler-Lagrange equations.We propose the powerful idea of introducing a dynamical scheme on the criterion itself,and a therorem of ?uid dynamic to avoid computing the Euler-Lagrange equa-tions.For time-dependent descriptors,we show that addi-tional terms appear in the evolution equation of the curve. With these additional terms,we obtain the fastest decrease of the active contour towards a minimum of the criterion.

3.Setting a general framework for region-

based active contours

The main idea lies in the elaboration of a general frame-work for the segmentation of an image in two different re-gions using region-based active contours.

Each region is described using a function that we name “descriptor of the region”.The introduction of such descrip-tors is interesting for two reasons.Firstly,for a given appli-cation like detection of moving objects,various descriptors can be easily tested inside the same theoretical framework. Secondly,this framework can be applied to other applica-tions[1,7].

Once the criterion is introduced,we propose a new Eule-rian proof for the computation of the evolution equation of the contour.It fundamentally differs from other approaches: we now directly introduce a dynamical scheme in the cri-terion before differentiation.The criterion becomes a functional of the evolving parameter.In this dynamical scheme,the evolving contour appears directly in the criterion.Moreover,we can readily take into account

a possible variation of the descriptors with the evolving pa-rameter.Two cases are considered:time-dependent de-scriptors(descriptors that can vary with the evolution of the curve)and time-independent descriptors.In the case of time-dependent descriptors,the evolution equation of the active contour is not the same as the one computed for time-indepedent descriptors.Some additional terms appear and so it is of prime necessity to consider the two kinds of de-scriptors,time-dependent or not,separately.3.1.Introduction of a general criterion

An image is a function de?ned for

,where is the image domain.The image domain is considered to be made up of two parts(?g.1):the fore-ground part,containing the objects to segment,noted, and the background part noted.The discontinuities set is a curve noted that de?nes the boundary between the two domains.

Figure1.The two regions of an image

We then search for the two domains and which minimize the criterion given by(3).In criterion(3), the?rst two terms are region-based while the third term is boundary-based.The functions,and are respectively the descriptors of the background part,the ob-jects to segment and the contour.

To compute an optimal solution,a dynamical scheme is introduced where the unknown regions become a function of an evolving parameter.The triplet

acts as a minimizing sequence for

as evolves.So we introduce the func-tional,noted,which has to converge towards the minimum value of as.

(5)

In contrast with other active contours approaches,the dy-namical scheme is directly introduced in the criterion.With such a scheme,the introduction of an active contour evolv-ing with is straightforward.Hence is modeled as an active contour that converges towards the?nal expected segmentation.

Let be the initial curve de?ned by the user.We recall that we search for as a curve evolving according to the following PDE:

where is the velocity vector of the active contour.The main problem lies in?nding the velocity from the crite-rion(3)in order to get the fastest curve evolution towards the?nal segmentation.

https://www.360docs.net/doc/2d18068722.html,putation of the derivative of the criterion

In order to obtain the evolution equation,the criterion

must be differentiated with respect to.The inte-gral bounds depend on and the descriptors and

may also depend on.Let us de?ne the functional

such that:

if

if(7)

The functional and are de?ned on the whole image domain.The criterion writes as:

(8) where is the image domain.We de?ne:

In order to compute the derivative of the criterion,the discontinuities must explicitly be taken into account.For such a purpose,we?rst recall a general theorem concerning the derivative of a time-dependent criterion[10].Let us de?ne as a region included into.

Theorem1Let be a smooth function on where represents the jump of across:

,and the unit normal of directed from to.

Proof:We can apply Theorem1to the domain and to the domain.By adding the two equations,we obtain the corollary.

Figure2.The domains and the vectors involved in

the derivation

It is now straightforward to get the derivative of the criterion :we take the image domain(?g.2).Then, by taking explicitly into account the discontinuities thanks to the corollary,the derivative is given by:

(9)

Obviously,the second term of the derivative(9)is null since the external boundary of the image is?xed.By replac-ing by its expression,we?nd:

(10)

The derivative of is classical[2]:

(11)

where is the curvature of.Thus for the derivative of the whole criterion,we?nd:

(12)

3.3.Evolution equation with either time-dependent

or time-independent descriptors

The goal of this part is to compute the expression of the velocity vector which makes the curve evolve the fastest as possible towards a minimum of the criterion.For such a purpose,two main cases have to be considered:

a)the descriptors do not depend on(time-independent de-scriptors);

b)the descriptors depend on(time-dependent descrip-tors).

3.3.1.Evolution equation with time-independent

descriptors

In this case,we can compute the theoretical expression of the velocity vector for any descriptors.In fact,as the de-scriptors do not depend on,the derivative of the criterion reduces to:

(13)

Therefore,according to the inequality of Cauchy-Schwartz, the fastest decrease of is obtained by choosing ,where:

(14) Thus,the curve evolves according to the following PDE:

with

Region-dependent descriptors with the mean:

does not depend on

(16)

with an even positive function of class. Thus,we have:

The derivative of with respect to is computed using the-orem1:

The expression of the whole derivative is then:

(17) with:

So,for this?rst set of descriptors,the fastest decrease of is obtained by choosing,where:

(18)

In this example,the computed force is not the same as the one computed for time-independent descriptors.We re-mark that there is an additional term in the expression of the velocity.We also notice that,in this case,the force depends on the evolution parameter.

Let us consider some examples of functions.In the par-ticular case of,we have and thus,the additional term is null.However,in most cases,this addi-tional term is not null.For example,if

And if,we have:

Using theorem1,we get:

(20) And so for the derivative of,we obtain:

(22) As far as this second set of descriptors is concerned,there is also an additional term in the evolution equation of the active contour.

(23)with a positive constant.

In this case,we obtain for the derivative of:

(24)

So,for this third set of descriptors,the fastest decrease of is obtained by choosing,where:

(25) As far as this third set of descriptors is concerned,we can remark that the computed force does not depend on.

The additional terms found in equations(18),(22)and (25)cannot readily be obtained when the dynamical scheme is introduced after the computation of the derivative using Euler-Lagrange equations.Thus,it is of prime necessity to introduce the dynamical scheme on the criterion itself in order to easily get these additional terms in the case of time-dependent descriptors.Thanks to these additional terms,we ensure the fastest evolution of the curve towards a minimum of the criterion.

3.3.3.Remarks on the evolution equation

Considering equations(14),(18),(22)or(25),we no-tice that the velocity can be positive or negative.Con-sequently,region-based methods allow some parts of the curve to shrink while others expand.Thus the initialization is less constrained.

3.4.Implementation with the level set method

In a video sequence,several objects may appear in a scene.Therefore segmentation of video objects requires a method where topological changes are well handled in or-der to detect several objects from the same initial curve.On that account we use the level set method approach proposed by Osher and Sethian[21].The key idea is to introduce an auxiliary image such that is the zero level set of:.The function is often chosen to be the signed distance function of,and is then characterized by:.This Eulerian formu-lation presents several advantages[21].Firstly,the curve may break or merge as the function evolves,and topological changes are thus easily handled.Secondly,the function always remains a function allowing ef?-cient numerical schemes.Thirdly,the geometric properties of the curve,like the curvature and the normal vector?eld ,can be estimated directly from the level set function:

(26)

The evolution equation(6)then becomes:

Int.Conf.on Image Processing,Kobe,Japan,1999.

[2]V.Caselles,R.Kimmel,and G.Sapiro.Geodesic active con-

tours.

IEEE Transactions on Medical

[4]T.Chan and L.Vese.An active contour model without

edges.In

IEEE Transactions on Pattern Analysis and Computer Vision,Graphics and Image Processing:Image

IEEE Transactions on Medical

J.of Visual Communication and Image

Methods of Engineering Mathematics, chapter6.Prentice Hall,1993.

[11]S.Jehan-Besson,M.Barlaud,and G.Aubert.Detection

and tracking of moving objects using a new level set based method.In

Int.Conf.on Image Processing,Thessa-loniki,Greece,2001.

[13]M.Kass,A.Witkin,and D.Terzopoulos.Snakes:Active

contour models.

Journal of Math.

IEEE Trans.on Comm.Pure Appl.Math.,42:577–684,1989.

[17]J.Odobez and P.Bouthemy.Detection of multiple moving

objects using multiscale MRF with camera motion compen-sation.In

International Conference Int.Journal of Computer Vision,13(2):229–251,1994.

[20] C.Samson,L.Blanc-F′e raud,G.Aubert,and J.Zerubia.

A level set model for image classi?cation.In

Theories in Computer Vision,Corfu Greece,1999.

[21]J.Sethian.

International

IEEE Transactions on Pattern Analysis and

最小二乘法及其应用..

最小二乘法及其应用 1. 引言 最小二乘法在19世纪初发明后,很快得到欧洲一些国家的天文学家和测地学家的广泛关注。据不完全统计,自1805年至1864年的60年间,有关最小二乘法的研究论文达256篇,一些百科全书包括1837年出版的大不列颠百科全书第7版,亦收入有关方法的介绍。同时,误差的分布是“正态”的,也立刻得到天文学家的关注及大量经验的支持。如贝塞尔( F. W. Bessel, 1784—1846)对几百颗星球作了三组观测,并比较了按照正态规律在给定范围内的理论误差值和实际值,对比表明它们非常接近一致。拉普拉斯在1810年也给出了正态规律的一个新的理论推导并写入其《分析概论》中。正态分布作为一种统计模型,在19世纪极为流行,一些学者甚至把19世纪的数理统计学称为正态分布的统治时代。在其影响下,最小二乘法也脱出测量数据意义之外而发展成为一个包罗极大,应用及其广泛的统计模型。到20世纪正态小样本理论充分发展后,高斯研究成果的影响更加显著。最小二乘法不仅是19世纪最重要的统计方法,而且还可以称为数理统计学之灵魂。相关回归分析、方差分析和线性模型理论等数理统计学的几大分支都以最小二乘法为理论基础。正如美国统计学家斯蒂格勒( S. M. Stigler)所说,“最小二乘法之于数理统计学犹如微积分之于数学”。最小二乘法是参数回归的最基本得方法所以研究最小二乘法原理及其应用对于统计的学习有很重要的意义。 2. 最小二乘法 所谓最小二乘法就是:选择参数10,b b ,使得全部观测的残差平方和最小. 用数学公式表示为: 21022)()(m in i i i i i x b b Y Y Y e --=-=∑∑∑∧ 为了说明这个方法,先解释一下最小二乘原理,以一元线性回归方程为例. i i i x B B Y μ++=10 (一元线性回归方程)

1、曲线拟合及其应用综述

曲线拟合及其应用综述 摘要:本文首先分析了曲线拟合方法的背景及在各个领域中的应用,然后详细介绍了曲线拟合方法的基本原理及实现方法,并结合一个具体实例,分析了曲线拟合方法在柴油机故障诊断中的应用,最后对全文内容进行了总结,并对曲线拟合方法的发展进行了思考和展望。 关键词:曲线拟合最小二乘法故障模式识别柴油机故障诊断 1背景及应用 在科学技术的许多领域中,常常需要根据实际测试所得到的一系列数据,求出它们的函数关系。理论上讲,可以根据插值原则构造n 次多项式Pn(x),使得Pn(x)在各测试点的数据正好通过实测点。可是, 在一般情况下,我们为了尽量反映实际情况而采集了很多样点,造成了插值多项式Pn(x)的次数很高,这不仅增大了计算量,而且影响了函数的逼近程度;再就是由于插值多项式经过每一实测样点,这样就会保留测量误差,从而影响逼近函数的精度,不易反映实际的函数关系。因此,我们一般根据已知实际测试样点,找出被测试量之间的函数关系,使得找出的近似函数曲线能够充分反映实际测试量之间的关系,这就是曲线拟合。 曲线拟合技术在图像处理、逆向工程、计算机辅助设计以及测试数据的处理显示及故障模式诊断等领域中都得到了广泛的应用。 2 基本原理 2.1 曲线拟合的定义 解决曲线拟合问题常用的方法有很多,总体上可以分为两大类:一类是有理论模型的曲线拟合,也就是由与数据的背景资料规律相适应的解析表达式约束的曲线拟合;另一类是无理论模型的曲线拟合,也就是由几何方法或神经网络的拓扑结构确定数据关系的曲线拟合。 2.2 曲线拟合的方法 解决曲线拟合问题常用的方法有很多,总体上可以分为两大类:一类是有理论模型的曲线拟合,也就是由与数据的背景资料规律相适应的解析表达式约束的曲线拟合;另一类是无理论模型的曲线拟合,也就是由几何方法或神经网络的拓扑结构确定数据关系的曲线拟合。 2.2.1 有理论模型的曲线拟合 有理论模型的曲线拟合适用于处理有一定背景资料、规律性较强的拟合问题。通过实验或者观测得到的数据对(x i,y i)(i=1,2, …,n),可以用与背景资料规律相适应的解析表达式y=f(x,c)来反映x、y之间的依赖关系,y=f(x,c)称为拟合的理论模型,式中c=c0,c1,…c n是待定参数。当c在f中线性出现时,称为线性模型,否则称为非线性模型。有许多衡量拟合优度的标准,最常用的方法是最小二乘法。 2.2.1.1 线性模型的曲线拟合 线性模型中与背景资料相适应的解析表达式为: ε β β+ + =x y 1 (1) 式中,β0,β1未知参数,ε服从N(0,σ2)。 将n个实验点分别带入表达式(1)得到: i i i x yε β β+ + = 1 (2) 式中i=1,2,…n,ε1, ε2,…, εn相互独立并且服从N(0,σ2)。 根据最小二乘原理,拟合得到的参数应使曲线与试验点之间的误差的平方和达到最小,也就是使如下的目标函数达到最小: 2 1 1 ) ( i i n i i x y Jε β β- - - =∑ = (3) 将试验点数据点入之后,求目标函数的最大值问题就变成了求取使目标函数对待求参数的偏导数为零时的参数值问题,即: ) ( 2 1 1 = - - - - = ? ?∑ = i i n i i x y J ε β β β (4)

最小二乘法原理及应用【文献综述】

毕业论文文献综述 信息与计算科学 最小二乘法的原理及应用 一、国内外状况 国际统计学会第56届大会于2007年8月22-29日在美丽的大西洋海滨城市、葡萄牙首都里斯本如期召开。应大会组委会的邀请,以会长李德水为团长的中国统计学会代表团一行29人注册参加了这次大会。北京市统计学会、山东省统计学会,分别组团参加了这次大会。中国统计界(不含港澳台地区)共有58名代表参加了这次盛会。本届大会的特邀论文会议共涉及94个主题,每个主题一般至少有3-5位代表做学术演讲和讨论。通过对大会论文按研究内容进行归纳,特邀论文大致可以分为四类:即数理统计,经济、社会统计和官方统计,统计教育和统计应用。 数理统计方面。数理统计作为统计科学的一个重要部分,特别是随机过程和回归分析依然展现着古老理论的活力,一直受到统计界的重视并吸引着众多的研究者。本届大会也不例外。 二、进展情况 数理统计学19世纪的数理统计学史, 就是最小二乘法向各个应用领域拓展的历史席卷了统计大部分应用的几个分支——相关回归分析, 方差分析和线性模型理论等, 其灵魂都在于最小二乘法; 不少近代的统计学研究是在此法的基础上衍生出来, 作为其进一步发展或纠正其不足之处而采取的对策, 这包括回归分析中一系列修正最小二乘法而导致的估计方法。 数理统计学的发展大致可分 3 个时期。① 20 世纪以前。这个时期又可分成两段,大致上可以把高斯和勒让德关于最小二乘法用于观测数据的误差分析的工作作为分界线,前段属萌芽时期,基本上没有超出描述性统计量的范围。后一阶段可算作是数理统计学的幼年阶段。首先,强调了推断的地位,而摆脱了单纯描述的性质。由于高斯等的工作揭示了最小二乘法的重要性,学者们普遍认为,在实际问题中遇见的几乎所有的连续变量,都可以满意地用最小二乘法来刻画。这种观点使关于最小二乘法得到了深入的发展,②20世纪初到第二次世界大战结束。这是数理统计学蓬勃发展达到成熟的时期。许多重要的基本观点和方法,以及数理统计学的主要分支学科,都是在这个时期建立和发展起来的。这个时期的成就,包含了至今仍在广泛使用的大多数统计方法。在其发展中,以英国统计学家、生物学家费希尔为代表的英国学派起了主导作用。③战后时期。这一时期中,数理统计学在应用和理论两方面继续获得很大的进展。

动物运动方式的多样性练习题

第16章第1节动物运动方式的多样性同步练习 一、选择题 1.下列有关动物运动的说法正确的是() A.动物运动方式的多样性是对不同生活环境的适应,虽然它们的运动器官不同,但它们的共同特点是:具有适应不同环境的特化的运动器官。 B.鸟类在不同的季节里都有迁徙行为。 C.能在空中飞行的动物只有鸟类和昆虫。 D.海蛇、草履虫、野鸭、河蚌的运动方式均是游泳。 2.世界上最大的鸟――鸵鸟的运动方式主要是() A.飞行 B.爬行 C.游泳 D.行走 3.选出运动方式相同的一组动物() A.河蟹、野鸭 B.袋鼠、鸵鸟 C.企鹅、麻雀 D.鳄鱼、蜥蜴 4.下列动物的运动方式主要为飞行的是: A 、鸵鸟 B、企鹅 C、蝙蝠 D、蚕蛹 5.动物通过运动提高了适应环境的能力,蜥蜴的主要运动方式为: A 、飞行 B、跳跃 C、爬行 D、奔跑 6.下列哪项不是鸟类迁徙的意义: A、获取足够的食物 B、寻找适宜的生活环境 C、产生有利变异 D、有利完成生殖活动 7.变形虫的运动依靠:

A、纤毛 B、鞭毛 C、伪足 D、伸缩泡 8.生活在亚洲丛林中的鼹鼠在伸展四肢的时候,可以看到其身体两侧皮肤的飞膜,由此可推测鼹鼠的运动方式是: A、滑翔 B、奔跑 C、爬行 D、飞翔 二、非选择题 1.阅读下面短文,回答问题: 一只可爱的小兔子在长满青草和开有小花的山坡上,一边沐浴着灿烂的阳光,一边品尝着清香可口的小草。它不时地移动着身体,走到最嫩的小草旁。突然,可爱的小精灵发现天空中一只老鹰迅速向下飞来,它飞快地向坡那边的林子里跑去。小白兔拼命地奔跑着,越过小沟,老鹰迅速地飞着、追着。小白兔终于躲进了林子,老鹰灰溜溜地飞走了。敌情解除后,小白兔发现林子那边的草长得更茂盛,花开的更艳丽,又自由地在这边草地上快活地舞蹈着。 (1)说出上面短文中描述了动物哪些运动方式_______________________________。 (2)试说出小白兔具有的运动本领对它有哪些意义。__________________________ ________________________________________________。 2.动物的运动因种类而不同,根据常见的类别填写下表:(填写对应序号)

最小二乘法综述及举例

最小二乘法综述及算例 一最小二乘法的历史简介 1801年,意大利天文学家朱赛普·皮亚齐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寻找谷神星,但是根据大多数人计算的结果来寻找谷神星都没有结果。时年24岁的高斯也计算了谷神星的轨道。奥地利天文学家海因里希·奥尔伯斯根据高斯计算出来的轨道重新发现了谷神星。 高斯使用的最小二乘法的方法发表于1809年他的著作《天体运动论》中。 经过两百余年后,最小二乘法已广泛应用与科学实验和工程技术中,随着现代电子计算机的普及与发展,这个方法更加显示出其强大的生命力。 二最小二乘法原理 最小二乘法的基本原理是:成对等精度测得的一组数据),...,2,1(,n i y x i i =,是找出一条最佳的拟合曲线,似的这条曲线上的个点的值与测量值的差的平方和在所有拟合曲线中最小。 设物理量y 与1个变量l x x x ,...,2,1间的依赖关系式为:)(,...,1,0;,...,2,1n l a a a x x x f y =。 其中n a a a ,...,1,0是n +l 个待定参数,记()2 1 ∑=- = m i i i y v s 其中 是测量值, 是由己求 得的n a a a ,...,1,0以及实验点),...,2,1)(,...,(;,2,1m i v x x x i il i i =得出的函数值 )(,...,1,0;,...,2,1n il i i a a a x x x f y =。 在设计实验时, 为了减小误差, 常进行多点测量, 使方程式个数大于待定参数的个数, 此时构成的方程组称为矛盾方程组。通过最小二乘法转化后的方程组称为正规方程组(此时方程式的个数与待定参数的个数相等) 。我们可以通过正规方程组求出a 最小二乘法又称曲线拟合, 所谓“ 拟合” 即不要求所作的曲线完全通过所有的数据点, 只要求所得的曲线能反映数据的基本趋势。 三曲线拟合 曲线拟合的几何解释: 求一条曲线, 使数据点均在离此曲线的上方或下方不远处。 (1)一元线性拟合 设变量y 与x 成线性关系x a a y 10+=,先已知m 个实验点),...,2,1(,m i v x i i =,求两个未知参数1,0a a 。 令()2 1 10∑ =--=m i i i x a a y s ,则1,0a a 应满足1,0,0==??i a s i 。 即 i v i v

动物的活动方式教案

动物的活动方式教案 【篇一:科学活动:动物的活动方式】 领域活动计划 科学活动:动物的活动方式(动植物) 一、活动目标: 1、发现动物的活动方式是多种多样的。 2、尝试用肢体动作模仿动作的活动方式。 二、活动准备: 经验准备:请家长带幼儿到动物园观察动物。 教材配套:教育挂图《领域活动—科学— 动物的活动方式》,操作材料:《送动物回家》,亲子手册:《领 域活动—谁会跑?》。 三、活动过程: 1、引导幼儿观察挂图,说说挂图上有哪些动物。 引导幼儿观察挂图上动物的活动方式,说说:挂图上的动物都有哪 些活动方式?哪些动物是用脚行走的?哪些动物主要是在天空飞行的?哪些动物是在水里游的? 2、说说动物都有哪些活动方式。 引导幼儿说说动物都有哪些活动方式?。 教师结合挂图,小结:小鸟有两只脚,能在地上行走,但主要是在 天上飞。河里的小鱼只能在水里游;而鳄鱼也有脚,既可以在水里游,也能在陆地上行走。猴子、老虎、小兔、斑马都是靠脚来行走的。蛇是靠身上的鳞片和地面摩擦来行走的。动物们的活动方式多 种多样。 3、送小动物回家。 引导幼儿完成操作材料《送动物回家》,按照动物的活动方式将贴 纸贴在合适的位置。 4、模仿游戏。 引导幼儿玩模仿动物活动的游戏。 玩法:有而模仿动物活动,边做动作边说:我是xxx,我会飞(跑、走、游、跳)。 5、引导幼儿放松,活动结束。 活动反思:

透过一个故事,遇到危险的长颈鹿,将孩子带进这个活动,长颈鹿在遇到危 险的时候,生活在不同地方的动物纷纷给出意见,以此来了解动物们分别生活的地方并有什么不同。孩子们兴趣很浓厚,特别是故事也很有吸引力。除了个别孩子讲话,大家都积极参与活动,有的积极发言。 【篇二:《动物运动的方式》教学设计(2)】 第一节动物的运动方式 教学过程 【篇三:《动物运动的方式》教学设计(1)】 动物的运动方式 ●教学目标 知识目标 1.列举生物多样性三个层次,概述它们之间的关系。 2.认识我国生物多样性的现状及其独特性。 3.说明保护多样性的重要意义。 能力目标 1.通过对课本资料分析,培养学生思考分析、归纳总结能力,学会收集和整理信息的方法。 2.培养学生在已有知识和生活经验的基础上获取新知识的能力、综合运用知识能力。 情感目标 1.通过本章学习,主要在同学心目中建立起生物(包括人)与环境相适应的辩证观点。 2.激发同学们保护生物栖息环境、保护生态系统的多样性的热情、渗透爱国主义教育。 ●教学重点 1.生物多样性的三个方面内容及它们之间的关系。 2.基因多样性。 3.说明保护多样性的意义。 4.培养学生收集和整理信息的能力。 ●教学难点 1.生物多样性的三个方面内容以及它们之间的关系。 2.基因多样性。

初二生物动物运动方式的多样性教案

初二生物动物运动方式的多样性教案 第16章第1节动物运动方式的多样性 知识与能力目标: 举例说出动物运动方式的多样性;举例说明动物运动的重要性。 过程与方法目标: 通过调查、观察等,收集有关动物运动的资料,培养学生应用资料分析问题、解决问题的能力;通过观察、讨论、交流等进一步培养学生自主学习、合作学习、探究学习的能力。情感态度与价值观目标: 通过合作讨论,培养爱护大自然的情感,建立起生物(包括人)与环境相适应的辩证观点。激发同学们保护生物栖息环境、保护生态系统的多样性的热情。 教学重点: 举例说出动物运动方式的多样性;举例说明动物运动的重要性。 教学难点: 举例说明动物运动的重要性。 课前准备: 学生准备: ①调查和观察生活在水中、空中、地面下、地面上动物的运动方式并记录在表格中以及收集动物运动方式与生活环境

的关系的有关资料。 主要活动区域动物运动方式 天空 陆地 水中 ②收集有关动物运动的图片和画册。 ③准备各种典型的易于捕捉的较小型的动物。 教师准备: 制作多媒体课件;准备观察实验的用的小动物。 教学进程 课堂流程教师活动学生活动 情境导入 多媒体展示视频 去年东南亚发生海啸时,在泰国的普吉岛,有头大象驮着许多的孩子快速奔跑逃离了危险的海滩。那么动物的运动对动物有什么意义呢? 人们常说:海阔凭鱼跃,天高任鸟飞。不同的动物有着不同的运动方式。鹰击长空、鱼翔浅坻、麋鹿奔跑、企鹅游弋等等构成了大自然动态的美丽画卷。 下面我们先来欣赏一段大自然中动物运动的片段。 自然界中各种动物的运动 通过刚才的欣赏你看到了什么?有什么感受? 激起学生的好

奇心和求知欲,激发学习的主动性,提高学习兴趣 感受自然界中动物运动方式的多样性。说出动物在运动并感受大自然的美。

最小二乘法在误差分析中的应用

误差理论综述与最小二乘法讨论 摘要:本文对误差理论和有关数据处理的方法进行综述。并且针对最小二乘法(LS)的创立、发展、思想方法等相关方面进行了研究和总结。同时,将近年发展起来的全面最小二乘法(TLS)同传统最小二乘法进行了对比。 1.误差的有关概念 对科学而言,各种物理量都需要经过测量才能得出结果。许多物理量的发现,物理常数的确定,都是通过精密测量得到的。任何测试结果,都含有误差,因此,必须研究,估计和判断测量结果是否可靠,给出正确评定。对测量结果的分析、研究、判断,必须采用误差理论,它是我们客观分析的有力工具 测量基本概念 一个物理量的测量值应由数值和单位两部分组成。按实验数据处理的方式,测量可分为直接测量、间接测量和组合测量。 直接测量:可以用测量仪表直接读出测量值的测量。 间接测量:有些物理量无法直接测得,需要依据待测物理量与若干直接测量量的函数关系求出。 组合测量:如有若干个待求量,把这些待求量用不同方法组合起来进行测量,并把测量结果与待求量之间的函数关系列成方程组,用最小二乘法求出这个待求量的数值,即为组合测量。 误差基本概念 误差是评定测量精度的尺度,误差越小表示精度越高。若某物理量的测量值为y,真值为Y,则测量误差dy=y-Y。虽然真值是客观存在的,但实际应用时它一般无从得知。按照误差的性质,可分为随机误差,系统误差和粗大误差三类。 随机误差:是同一测量条件下,重复测量中以不可预知方式变化的测量误差分量。 系统误差:是同一测量条件下,重复测量中保持恒定或以可预知方式变化的测量误差分量。 粗大误差:指超出在规定条件下预期的误差。 等精度测量的随机误差 当对同一量值进行多次等精度的重复测量,得到一系列的测量值,每个测量

动物运动方式的多样性

动物运动方式的多样性 课题 : 《动物运动方式的多样性》学案时间: 2019年10月20日 主备: 张成班级:八年级()班学生____________ 【学习目标】 1、举例说出动物运动方式的多样性。 2、举例说明动物运动的重要性。 【自学导航】 自主学习:阅读课文50-51页,完成以下练习。 1、自然环境 2、动物的运动方式多种多样,主要有 3、动物在长期的进化过程中,逐渐形成一系列通过运动能力。 4、动物通过运动能迅速迁移到更为适宜的和,从而有利于自身的和。 【合作探究】 小组展开讨论,交流展示 E.飞行或滑翔 F.旋转式运动 G.翻筋斗运动 H.奔跑探究二:举例说动物运动的重要 性 动物通过运动主动的适应______________ 1. ___________________________________________________________________ 如:___________________________________________________________________ 2. ____________________________________________________________________ 如:__________________________________________________________________ 【分层检测】 一、应知应会 1、下列动物的运动方式主要为飞行的是: A 、鸵鸟 B、企鹅 C、蝙蝠 D、蚕蛹

2、动物通过运动提高了适应环境的能力,蜥蜴的主要运动方式为: A 、飞行 B、跳跃 C、爬行 D、奔跑 3、下列哪项不是鸟类迁徙的意义: A、获取足够的食物 B、寻找适宜的生活环境 C、产生有利变异 D、有利完成生殖活动 二、达标测评 1.世界上最大的鸟――鸵鸟的运动方式主要是------------------------------------------------------------------() A.飞行 B.爬行 C.游泳 D.行走 2.选出运动方式相同的一组动物-------------------------------------------------------------------------------------() A.河蟹、野鸭 B.袋鼠、鸵鸟 C.企鹅、麻雀 D.鳄鱼、蜥蜴 3.下列动物的运动方式主要为飞行的是:------------------------------------------------() A 、鸵鸟 B、企鹅 C、蝙蝠 D、蚕蛹 4.动物通过运动提高了适应环境的能力,蜥蜴的主要运动方式为:--------------------------() A 、飞行 B、跳跃 C、爬行 D、奔跑 6.下列哪项不是鸟类迁徙的意义:------------------------------------------------------() A、获取足够的食物 B、寻找适宜的生活环境 C、产生有利变异 D、有利完成生殖活动 7.生活在亚洲丛林中的鼹鼠在伸展四肢的时候,可以看到其身体两侧皮肤的飞膜,由此可推测鼹鼠的运动方式是:------------------------------------------------------------------------------() A、滑翔 B、奔跑 C、爬行 D、飞翔 三、拓展提升 一些鸟类通过迁徙来度过严寒的冬天,而其他动物是怎样度过冬天的?

最小二乘法的综述及算例

题目:最小二乘法的综述及算例院系:航天学院自动化 班级: 学号: 学生签名: 指导教师签名: 日期:2011年12月6日

目录 1.综述 (3) 2.概念 (3) 3.原理 (4) 4.算例 (6) 5.总结 (10) 参考文献 (10)

1.综述 最小二乘法最早是由高斯提出的,这是数据处理的一种很有效的统计方法。高斯用这种方法解决了天文学方面的问题,特别是确定了某些行星和彗星的天体轨迹。这类天体的椭圆轨迹由5个参数确定,原则上,只要对它的位置做5次测量就足以确定它的整个轨迹。但由于存在测量误差,由5次测量所确定的运行轨迹极不可靠,相反,要进行多次测量,用最小二乘法消除测量误差,得到有关轨迹参数的更精确的值。最小二乘法近似将几十次甚至上百次的观察所产生的高维空间问题降到了椭圆轨迹模型的五维参数空间。 最小二乘法普遍适用于各个科学领域,它在解决实际问题中发挥了重要的作用。它在生产实践、科学实验及经济活动中均有广泛应用。比如说,我们引入等效时间的概念,根据Arrhenius 函数和指数函数研究水化热化学反应速率随温度的变化,最后采用最小二乘法回归分析试验数据,确定绝热温升和等效时间的关系式。 为了更好地掌握最小二乘法,我们引入以下两个问题: (1)假设已知一组二维数据(i i y x ,),(i=1,2,3···n ),怎样确定它的拟合曲线y=f(x)(假设为多项式形式f(x)=n n x a x a a +++...10),使得这些点与曲线总体来说尽量接近? (2)若拟合模型为非多项式形式bx ae y =,怎样根据已知的二维数据用最小二乘线性拟合确定其系数,求出曲线拟合函数? 怎样从给定的二维数据出发,寻找一个简单合理的函数来拟合给定的一组看上去杂乱无章的数据,正是我们要解决的问题。 2.概念 在科学实验的统计方法研究中,往往要从一组实验数(i i y x ,)(i=1,2,3···m )中寻找自变量x 与y 之间的函数关系y=F(x).由于观测数据往往不准确,此时不要求y=F(x)经过所有点(i i y x ,),而只要求在给定i x 上误差i δ=F (i x )i y -(i=1,2,3···m )按某种标准最小。 若记δ=( )δδδm T 2 ,1,就是要求向量δ的范数δ 最小。如果用最大范数,计算上困 难较大,通常就采用Euclid 范数2 δ 作为误差度量的标准。 关于最小二乘法的一般提法是:对于给定的一组数据(i i y x ,) (i=0,1,…m)要求在函数空间Φ=span{ n ???,....,,10}中找一个函数S*(x),使加权的误差平方和22 δ =

苏教版生物-八年级上册-八年级生物 动物运动方式的多样性精品教案

动物运动方式的多样性 知识与能力目标: 举例说出动物运动方式的多样性;举例说明动物运动的重要性。 过程与方法目标: 通过调查、观察等,收集有关动物运动的资料,培养学生应用资料分析问题、解决问题的能力;通过观察、讨论、交流等进一步培养学生自主学习、合作学习、探究学习的能力。情感态度与价值观目标: 通过合作讨论,培养爱护大自然的情感,建立起生物(包括人)与环境相适应的辩证观点。激发同学们保护生物栖息环境、保护生态系统的多样性的热情。 教学重点: 举例说出动物运动方式的多样性;举例说明动物运动的重要性。 教学难点: 举例说明动物运动的重要性。 课前准备: 学生准备: ①调查和观察生活在水中、空中、地面下、地面上动物的运动方式并记录在表格中以及收集动物运动方式与生活环境的关系的有关资料。 主要活动区域动物运动方式 天空 陆地 水中 ②收集有关动物运动的图片和画册。 ③准备各种典型的易于捕捉的较小型的动物。 教师准备: 制作多媒体课件;准备观察实验的用的小动物。 教学进程 课堂流程教师活动学生活动

动物运动方式的多样性 相互交流,探讨体验 多媒体展示图表 描述动物的运动 观察实验小结 大自然真是多姿多彩,令人赏心悦目。草 木荣枯,候鸟去来,蚂蚁搬家,蜻蜓低飞。动 物的运动是大自然最丰富也是最有韵律的动 态语言。 课前请同学们观察和调查了各种动物的 运动并将各种动物及运动方式按照活动区域 填入表格中,另外还请同学们收集动物运动的 图片。下面请同学们四人一组进行交流,①举 例说出各种动物的运动方式,并关注它们生活 的环境。②说出图片中各种动物的运动方式。 动物的运动方式多种多样,由于生活环境 的不同运动方式也不同。经过交流,引导学 生举例说出动物的运动方式有哪些? 主要活动区域运动方式 空中 陆地 水中 动物的运动让我们感受到了大自然无穷 的魅力。下面我请几个同学描述几种动物的 运动。 自然界中的各种动物的运动都有着自己 的韵律和美感。现在我们亲自观察几种动物 的运动。注意观察动物的运动方式?如何完成 运动的? 引导学生形象描述几种动物的运动方式 及如何完成运动的。 不同生活环境中的动物运动方式也不同, 课前观察各种动物的运动方式 并记录,将记录的信息交流, 说出图片中各种动物的运动方 式。 按照活动区域,说出动物的运 动方式:空中的有飞行、滑翔; 陆地上的有爬行、奔跑、跳跃、 攀缘、行走等;水中的有游泳、 漂浮等。 用图片和文字描述几种动物的 运动 将各种典型的易于捕捉的较小 型的动物带到学校进行观察探 究。各小组观察小螃蟹和小虾 子的运动。 学生描述动物的运动 描述所观察的现象。

【文献综述】最小二乘法原理及应用

文献综述 信息与计算科学 最小二乘法的原理及应用 一、国内外状况 国际统计学会第56届大会于2007年8月22-29日在美丽的大西洋海滨城市、葡萄牙首都里斯本如期召开。应大会组委会的邀请,以会长李德水为团长的中国统计学会代表团一行29人注册参加了这次大会。北京市统计学会、山东省统计学会,分别组团参加了这次大会。中国统计界(不含港澳台地区)共有58名代表参加了这次盛会。本届大会的特邀论文会议共涉及94个主题,每个主题一般至少有3-5位代表做学术演讲和讨论。通过对大会论文按研究内容进行归纳,特邀论文大致可以分为四类:即数理统计,经济、社会统计和官方统计,统计教育和统计应用。 数理统计方面。数理统计作为统计科学的一个重要部分,特别是随机过程和回归分析依然展现着古老理论的活力,一直受到统计界的重视并吸引着众多的研究者。本届大会也不例外。 二、进展情况 数理统计学19世纪的数理统计学史, 就是最小二乘法向各个应用领域拓展的历史席卷了统计大部分应用的几个分支——相关回归分析, 方差分析和线性模型理论等, 其灵魂都在于最小二乘法; 不少近代的统计学研究是在此法的基础上衍生出来, 作为其进一步发展或纠正其不足之处而采取的对策, 这包括回归分析中一系列修正最小二乘法而导致的估计方法。 数理统计学的发展大致可分 3 个时期。① 20 世纪以前。这个时期又可分成两段,大致上可以把高斯和勒让德关于最小二乘法用于观测数据的误差分析的工作作为分界线,前段属萌芽时期,基本上没有超出描述性统计量的范围。后一阶段可算作是数理统计学的幼年阶段。首先,强调了推断的地位,而摆脱了单纯描述的性质。由于高斯等的工作揭示了最小二乘法的重要性,学者们普遍认为,在实际问题中遇见的几乎所有的连续变量,都可以满意地用最小二乘法来刻画。这种观点使关于最小二乘法得到了深入的发展,②20世纪初到第二次世界大战结束。这是数理统计学蓬勃发展达到成熟的时期。许多重要的基本观点和方法,以及数理统计学的主要分支学科,都是在这个时期建立和发展起来的。这个时期的成就,包含了至今仍在广泛使用的大多数统计方法。在其发展中,以英国统计学家、生物学家费希尔为代表的英国学派起了主导作用。③战后时期。这一时期中,数理统计学在应用和理论两方面继续获得很大的进展。

【开题报告】最小二乘法的原理和应用

开题报告 数学与应用数学 最小二乘法的原理和应用 一、选题的意义 最小二乘法在很多领域都的到了广泛的应用。在研究两个变量之间的关系时,可以用回归分析的方法进行分析。当确定了描述两个变量之间的回归模型后,就可以使用最小二乘法估计模型中的参数,进而建立经验方程。简单的说,最小二乘法思想就是要使得观测点和估计点的距离的平方和达到最小。这里的“二乘”指的是用平方来度量观测点与估计点的远近,“最小”指的是参数的估计值要保证各个观测点与估计点的距离的平方和达到最小。从计算角度看,最小二乘法与插值法类似,都是处理数据的算法。但从创设的思想看,二者却有本质的不同,前者寻求一条曲线,使其与观测数据“最接近”,目的是代表观测数据的趋势;后者则是使曲线严格通过给定的观测数据,其目的是通过来自函数模型的数据来接近近似刻画函数。在观测数据带有测量误差的情况下,就会使得这些观测数据偏离函数曲线,结果使得观测数据保持一致的插值法不如最小二乘法得到的曲线更符合客观实际。 最小二乘法能在统计学中得到应用,也是因为测量误差的存在。事实上,在高斯等人创立了测量误差理论,对最小二乘法进行了分析后,这种方法才在统计界获得了合法地位,正式成为了一张统计方法。最小二乘法逐步渗入到统计数据分析领域,对统计学的发展产生了重大影响。 二、研究的主要内容,拟解决的主要问题(阐述的主要观点) 最小二乘法(又称最小平方法)是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据,并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最

小。最小二乘法还可用于曲线拟合。其他一些优化问题也可通过最小化能量或最大化熵用最小二乘法来表达。曲线拟合中最基本和最常用的是直线拟合。用最小二乘法估计参数时,要求观测值的偏差的加权平方和为最小。由于直线参数的估计值是根据由误差的观测数据点计算出来的,他们不可避免地存在着偏差。 三、研究(工作)步骤、方法及措施(思路) 研究(工作)步骤: 1.2010.12.15-2010.12.31 根据选题,广泛查阅资料,填写任务书有关事项,明确任务要求,初步形成研究方向。 2.2011.1.1-2011.3.6利用课余时间、假期仔细研读参考文献,初步拟定论文提纲,收集所要翻译的外文资料,完成两篇外文翻译,以及撰写开题报告和文献综述。 3.2011.3.6-2011.3.12修改开题报告、文献综述和外文翻译,进一步整理论文大纲。 4.2011.3.13-2011.3.16根据论文大纲翻阅相关详细资料。 5.2011.3.17-2011.3.26整理收集的相关材料,开始写论文工作。 6.2011.3.27-2011.4.10撰写论文初稿,上交论文、译文、开题报告、指导记录、中期检查表。 7.2011.4.11-2011.4.25修改论文,上交所有相关材料。 8.2011.4.26-2011.5.18补充必要的内容,论文打印、定稿。 9. 2011.5.19-2011.5.28准备毕业论文答辩。 方法及措施:主要采用举例分析、探讨的方法。 四、毕业论文(设计)提纲 1. 最小二乘法的引入 1.1最小二乘法及其证明 1.2最小二乘法的简单运用

动物运动方式的多样性 教案2(苏教版八年级下册)

动物运动方式的多样性教案2(苏教版八年 级下册) 《动物运动方式的多样性》的教学设计 一、教材结构与内容地位简析 《新生物课程标准》课程内容的设定是以“人与生物圈”为主线,精选了十个主题,即①科学探究;②生物与环境;③生物体的结构层次;④生物圈中的绿色植物;⑤生物圈中的人;⑥生物的生殖、发育与遗传;⑦动物的运动和行为;⑧生物的多样性;⑨生物技术;⑩健康的生活。而“动物运动方式的多样性”是新课标的第六大主题《动物的运动和行为》中的具体内容之一,它被编排在苏教版义务教育课程标准实验教科书生物八年级上册的第6单元《动物的运动和行为》的第16章《动物的运动》的首节。介绍了动物运动的各种方式及动物运动的意义。于前一章节学习了遗传和变异的有关知识,因此学生可以理解于自然环境的复杂多变,动物在长期的进化过程中,逐渐形成了独特的运动器官,从而扩大了活动范围,提高了适应环境的能力.同学们对动物的运动方式不会感到陌生,这方面的知识和经验积累应当很丰富,通过本节的学习之后,可以为后面《动物的行为》的学习起到了很好铺垫作用。 二、教学目标

根据上述教材结构与内容分析,考虑到学生已有的认知结构心理特征,我制定了如下教学目标: 1.基础知识目标:举例说出动物运动方式的多样性和动物运动的重要性。 2.能力目标:培养学生的观察能力,收集和处理信息的能力,分析和解决问题的能力以及交流与合作能力。 3.情感目标:通过学生对动物运动方式的了解,使同学们能更加关注自然界的动物,让他们能与之和谐相处,彼此成为永远的朋友,并深刻理解人与自然和谐发展的意义,提高环境保护意识。 三、教学重点、难点 本节是学生学习本章甚至是本单元的基础,动物运动知识对学生认识动物的本质特征非常重要,动物的运动依赖于一定的结构,动物的结构与功能是统一的。所以重点是要能举例说出动物运动方式的多样性。于动物的行为是一种本能的无意识的行为,是自然选择过程中长期进化的结果。因此,要理解动物运动的意义对学生来说是一个难点。 四、教法:在立足于课堂教学同时,要注意引导学生到大自然中去观察动物的运动,这样既满足了学生的好奇心又可激发学生的求知欲,同时培养了学生的观察能力、动手能力,更重要的是教给了学生探究生物世界的方法,同时增强了学生关爱生命、热爱大自然的意识。

【开题报告】浅谈最小二乘法的原理及其应用

开题报告 信息与计算科学 浅谈最小二乘法的原理及其应用 一、综述本课题国内外研究动态, 说明选题的依据和意义 最小二乘法(Least Square Method )是提供“观测组合”主要工具之一, 它依据对某事件的大量观测而获得“最佳”结果或“最可能”表现形式. 如已知两变量为线性关系, 对其进行次观测而获得对数据. 若将这对数据代入方程求y a bx =+(2)n n >n n 解的值则无确定解, 而最小二乘法提供了一个求解方法, 其基本思想是寻找“最接,a b 近”这个观测点的直线. n 最小二乘法创立与十九世纪初, 是当时最重要的统计方法, 在长期的发展中, 人们一直处于不断的研究中, 在传统最小二乘法的基础上, 出现了许多更为科学先进的方法, 如移动最小二乘法、加权最小二乘法、偏最小二乘法、模糊最小二乘法和全最小二乘法等, 使得最小二乘法在参数估计、系统辨识以及预测、预报等纵多领域都有着广泛的应用. 相关回归分析、方差分析和线性模型理论等数理统计学的几大分支都以最小二乘法为理论基础, 所以最小二乘法被称之为数理统计学的灵魂. 正如美国统计学家斯蒂格勒(S. M. Stigler )所说, “最小二乘法之于数理统计学犹如微积分之于数学”. 因此对最小二乘法的研究就显得意义重大. 国内外的学者们一直在对传统最小二乘法做进一步的研究. 勒让德(A. M. Legender )于1805年发表了论著《计算彗星轨道的新方法》, 在书中勒让德描述了最小二乘法的思想、具体做法及其优点, 他认为: 赋予误差的平方和为极小, 则意味着在这些误差间建立了一种均衡性, 它阻止了极端情形所施加的过分影响. 1809年高斯 (C. F. Gauss )在著作《天体沿圆锥截面围绕太阳运动的理论》中发表有关最小二乘法的理论, 随后在1826年的著作中阐述了最小二乘法的全部内容. 统计学者对最小二乘法做了进一步的研究探讨, 1970年, 由霍尔(A. E. Horel )和肯纳德(R. W. Kennard )提出的岭估计(Ridge Estimate ), 用取代, ()()11?n i i i k S kI x y β -==+∑?β有效的降低了原方法的病态性.

基于最小二乘法的数据处理问题研究综述

基于最小二乘法的数据处理问题研究综述 摘要:对基于最小二乘法的数据处理方法进行了介绍。首先对传统最小二乘法基本原理进行了介绍,然后根据例子来说明怎样运用传统最小二乘法来解决实际辨识问题。而且本文针对传统最小二乘存在的缺陷进一步阐述了一些改进型最小二乘法,综述了最小二乘法的研究现状,最后对最小二乘的发展趋势做了预测。 关键字:最小二乘法数据处理改进型最小二乘法发展趋势 1引言 在科学实验中经常要把离散的测量数据转化为直观的便于研究的曲线方程,即曲线拟合[1]。由于在实验室或实际应用中,误差是不可避免的,所以为了不把原有离散数据中的误差引入,人们经常用拟合来确定模拟函数。拟合方法不要求模拟函数通过已知离散的点,而追求的是所有点到模拟函数达到某种误差指标的最小化,是一种整体上的逼近性质。最小二乘法是解决这类曲线拟合中一种较为常用的方法,根据最小二乘法的定义[2]:“最小二乘法是一种数学优化技术,它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。”最小二乘法是从误差拟合角度对回归模型进行参数估计或系统辨识,因此最小二乘在参数估计、系统辨识以及预测、预报等众多领域中得到极为广泛的应用。 本文在阐述最小二乘法理论的基础上对于其在实际问题中的辨识应用做了简单介绍,并指出实际应用中存在的不足,列举了几种改

进型的最小二乘算法来进行优化比较,最后给出了最小二乘法的发展趋势。 2 最小二乘法的理论基础及应用 2.1最小二乘法的理论基础 最小二乘法作为一种传统的参数估计方法,早已经被大家所了 解。 然而大多同学对最小二乘法的认识都比较模糊,仅仅把最小二乘法理解为简单的线性参数估计。 事实上,最小二乘法在参数估计、系统辨识以及预测、预报等众多领域都有着广泛的应用[3]。特别是针对动态系统辨识的方法有很多[4],但其中应用最广泛,辨识效果良好的就是最小二乘辨识方法,研究最小二乘法的应用在就要对其基本原理有较为深刻的理解。 下面是一般的最小二乘法问题:求实系数线性方程组 11112211211222221122 .........00......0n n n n m m mn n m b b b a x a x a x a x a x a x a x a x a x ++-++-++-?+=?+=????+=? (1) 方程组可能无解。即很可能不存在一组实数x 1,x 2,……,x n 使 2112120()i i in n i m i a x a x a x b =++?+-=∑ (2) 恒成立。因此我们转而求其次,设法找到实数组 x 1,x 2,…,x n 使误差的平方和最小,这样的 x 1,x 2,…,x n 称为方程组的最小二乘解,这样问题就叫最小二乘法问题[5]。

最小二乘法的综述及算例

题目:最小二乘法的综述及算例 院系:航天学院自动化 班级: 学号: 学生签名: 指导教师签名: 日期:2011年12月6日 目录 1.综述 (3) 2.概念 (3) 3.原理 (4) 4.算例 (6) 5.总结 (10) 参考文献 (10) 1.综述 最小二乘法最早是由高斯提出的,这是数据处理的一种很有效的统计方法。高斯用这种方法解决了天文学方面的问题,特别是确定了某些行星和彗星的天体轨迹。这类天体的椭圆轨迹由5个参数确定,原则上,只要对它的位置做5次测量就足以确定它的整个轨迹。但由

于存在测量误差,由5次测量所确定的运行轨迹极不可靠,相反,要进行多次测量,用最小二乘法消除测量误差,得到有关轨迹参数的更精确的值。最小二乘法近似将几十次甚至上百次的观察所产生的高维空间问题降到了椭圆轨迹模型的五维参数空间。 最小二乘法普遍适用于各个科学领域,它在解决实际问题中发挥了重要的作用。它在生产实践、科学实验及经济活动中均有广泛应用。比如说,我们引入等效时间的概念,根据Arrhenius 函数和指数函数研究水化热化学反应速率随温度的变化,最后采用最小二乘法回归分析试验数据,确定绝热温升和等效时间的关系式。 为了更好地掌握最小二乘法,我们引入以下两个问题: (1)假设已知一组二维数据(i i y x ,),(i=1,2,3···n ),怎样确定它的拟合曲线y=f(x)(假 设为多项式形式f(x)=n n x a x a a +++...10),使得这些点与曲线总体来说尽量接近? (2)若拟合模型为非多项式形式bx ae y =,怎样根据已知的二维数据用最小二乘线性拟合确定其系数,求出曲线拟合函数? 怎样从给定的二维数据出发,寻找一个简单合理的函数来拟合给定的一组看上去杂乱无章的数据,正是我们要解决的问题。 2.概念 在科学实验的统计方法研究中,往往要从一组实验数(i i y x ,)(i=1,2,3···m )中寻找自变量x 与y 之间的函数关系y=F(x).由于观测数据往往不准确,此时不要求y=F(x)经过所有点(i i y x ,),而只要求在给定i x 上误差i δ=F (i x )i y -(i=1,2,3···m )按某种标准最小。 若记δ=()δδδm T 2,1,就是要求向量δ的范数δ最小。如果用最大范数,计算上困难较大,通常就采用Euclid 范数2δ作为误差度量的标准。 关于最小二乘法的一般提法是:对于给定的一组数据(i i y x ,) (i=0,1,…m)要求在函数空间Φ=span{ n ???,....,,10}中找一个函数S*(x),使加权的误差平方和22δ=2 0))()((i i m i i y x S x -∑=ω最小,其中,0)(>=i x ω是[a,b]上的权函数,它表示反应数据(i i y x ,) 在实验中所占数据的比重。 我们说,S(x)=)()()(1100x a x a x a n n ???+++ (n

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