函数逼近与曲线拟合
函数逼近的几种算法及其应用汇总
函数逼近的几种算法及其应用汇总函数逼近是数值计算中非常重要的技术之一，它主要用于用已知函数逼近未知函数，从而得到未知函数的一些近似值。
在实际应用中，函数逼近广泛用于数据拟合、插值、信号处理、图像处理等领域。
下面将介绍几种常用的函数逼近算法及其应用。
1. 最小二乘法（Least Square Method）最小二乘法将函数逼近问题转化为最小化离散数据与拟合函数之间的残差平方和的问题。
它在数据拟合和插值中应用广泛。
例如，最小二乘法可以用于拟合数据点，找出最佳拟合曲线；也可以用于信号处理中的滤波器设计。
2. 插值法（Interpolation）插值法旨在通过已知数据点之间的连线或曲线，来逼近未知函数在这些数据点上的取值。
常见的插值方法有拉格朗日插值、牛顿插值和分段线性插值等。
插值法在图像处理中广泛应用，例如可以通过已知的像素点来重构图像，提高图像的质量和分辨率。
3. 最小二乘曲线拟合（Least Square Curve Fitting）最小二乘曲线拟合是一种将渐近函数与离散数据拟合的方法，常见的函数包括多项式、指数函数、对数函数等。
最小二乘曲线拟合可以在一定程度上逼近原始数据，从而得到曲线的一些参数。
这种方法在数据分析和统计学中经常使用，在实际应用中可以拟合出模型参数，从而做出预测。
4. 正交多项式逼近（Orthogonal Polynomial Approximation）正交多项式逼近是一种通过正交多项式来逼近未知函数的方法。
正交多项式具有良好的性质，例如正交性和递推关系，因此可以用于高效地逼近函数。
常见的正交多项式包括勒让德多项式、拉盖尔多项式和切比雪夫多项式等。
正交多项式逼近广泛应用于数值计算和信号处理中，例如用于图像压缩和数据压缩。
5. 插值样条曲线（Interpolating Spline）插值样条曲线是将多个局部的多项式插值片段拼接在一起，从而逼近未知函数的方法。
插值样条曲线在实现光滑拟合的同时，还能逼近离散数据点。
函数逼近理论
函数逼近理论函数逼近是数学中研究近似计算方法的重要分支，它通过寻找一个接近所需函数的近似函数来简化复杂的计算问题。
函数逼近理论涵盖了多项式逼近、三角函数逼近、最小二乘逼近等各种方法。
本文将从数学背景、函数逼近的原理和应用领域三个方面进行讨论。
一、数学背景在了解函数逼近理论之前，我们需要回顾一些数学背景知识。
首先，我们要了解函数及其性质的概念。
函数是一种将一个集合中的元素映射到另一个集合中元素的规则，常用来描述数学、物理和工程问题。
其次，我们要熟悉多项式的性质。
多项式是由常数和变量的乘积相加而成的表达式，其具有高度的可控性和计算性能。
最后，我们需要了解一些数学分析工具，如泰勒级数展开和傅里叶级数展开等。
二、函数逼近的原理函数逼近的核心思想是通过构造一个近似函数，在一定范围内保持与所需函数的接近程度。
常用的函数逼近方法包括最小二乘逼近、插值逼近和曲线拟合等。
最小二乘逼近是一种基于最小化残差平方和的方法。
其基本思想是通过寻找一个多项式函数，使得所需函数与多项式函数的差异最小化。
这种逼近方法在实际问题中应用广泛，如信号处理、数据拟合等领域。
插值逼近是一种通过在给定数据点上构造插值多项式来逼近函数的方法。
插值多项式与原函数在数据点处相等，通过连接这些数据点构造出一个逼近函数。
插值逼近在图像处理、数值计算和计算机图形学等领域具有重要应用。
曲线拟合是一种寻找一条曲线与给定数据集最匹配的方法。
常用的曲线拟合方法包括多项式拟合、指数拟合和对数拟合等。
曲线拟合方法在统计学、经济学和物理学等领域具有广泛应用。
三、函数逼近的应用领域函数逼近理论在数学和工程领域中有着广泛的应用。
在数学领域，函数逼近可用于求解复杂的数学问题，如微积分、方程求解等。
在工程领域，函数逼近可用于优化算法、信号处理、图像处理等领域。
在优化算法中，函数逼近可用于近似解决无法求得精确解的优化问题。
通过构造一个逼近函数，可以减少计算量和提高计算效率，从而更好地解决实际问题。
数据拟合与函数逼近
第十三章 数据拟合与函数逼近数据拟合与函数逼近涉及到许多内容与方法，从不同角度出发，也有多种叫法。
这一章，我们主要通地线性拟合而引出最小乘法这一根本方法。
13.1 数据拟合概念与直线拟合插值法是一种用简单函数近似代替较复杂函数的方法，它的近似标准是在插值点处的误差为零。
但有时，我们不要求具体某些点的误差为零，而是要求考虑整体的误差限制。
对了达到这一目的，就需要引入拟合的方法，所以数据拟合与插值相比：数据拟合--不要求近似 函数过所有的数据点，而要求它反映原函数整体的变化趋势。
插值法--在节点处取函数值。
实际给出的数据，总有观测误差的，而所求的插值函数要通过所有的节点，这样就会保留全部观测误差的影响，如果不是要求近似函数过所有的数据点，而是要求它反映原函数整的变化趋势，那么就可以用数据拟合的方法得到更简单活用的近似函数。
13.1.1 直线拟合由给定的一组测定的离散数据(,)i i x y （1,2,,i N = ），求自变量x 和因变量y 的近似表达式()y x ϕ=的方法。
影响因变量y 只有一个自变量x 的数据拟合方法就是直线拟合。
直线拟合最常用的近似标准是最小二乘原理，它也是流行的数据处理方法之一。
直线拟合步骤如下：(1) 做出给定数据的散点图（近似一条直线）。
(2) 设拟合函数为：i bx a y +=*(13.1.1)然后，这里得到的*i y 和i y 可能不相同，记它们的差为：i i i i i bx a y y y --=-=*δ (13.1.2)称之为误差。
在原始数据给定以后，误差只依赖于b a ,的选取，因此，可以把误差的大小作为衡量b a ,的选取是否优良的主要标志。
最小二乘法便是确定“最佳” 参数的方法，也就是要误差的平方和达到最小。
(3) 写出误差和表达式：),()(1212b a bx a yQ Ni i iNi iϕδ=--==∑∑== (13.1.3)要选择b a ,而使得函数),(b a ϕ最小，可以用数学分析中求极值的方法，即先分别对b a ,求偏导，再使偏导等于零。
曲线拟合的实用方法与原理
曲线拟合的实用方法与原理曲线拟合是一种常用的数据分析方法，它可以通过寻找最佳拟合曲线来描述一组数据的趋势和关系。
在科学研究、工程技术、金融分析等领域中，曲线拟合被广泛应用于数据模型的建立、预测和优化等方面。
本文将介绍曲线拟合的实用方法和原理，帮助读者更好地理解和运用这一分析工具。
一、曲线拟合的基本概念曲线拟合是指通过一组已知数据点，寻找一条函数曲线来逼近这些数据点的过程。
拟合曲线的选择通常基于拟合误差最小化的原则，即找到一条曲线，使得它与实际数据点之间的误差最小。
二、常见的曲线拟合方法1. 最小二乘法最小二乘法是一种常见的曲线拟合方法，它通过最小化拟合曲线与实际数据点之间的残差平方和来确定最佳拟合曲线。
最小二乘法在实际应用中较为简单和灵活，能够拟合各种类型的曲线，如线性曲线、多项式曲线、指数曲线等。
2. 多项式拟合多项式拟合是一种通过多项式函数来拟合数据点的方法。
它可以通过最小二乘法来确定多项式的系数，从而得到最佳拟合曲线。
多项式拟合可以适用于不同阶数的多项式，阶数越高，拟合曲线越复杂，能够更好地逼近实际数据。
3. 曲线拟合工具除了最小二乘法和多项式拟合外，还有一些专门的曲线拟合工具可供使用。
例如，MATLAB和Python中的Scipy库提供了丰富的曲线拟合函数，可以根据实际需求选择合适的拟合方法和工具。
三、曲线拟合的实际应用曲线拟合在各个领域都有广泛的应用。
以下是几个典型的实际应用案例：1. 经济数据分析曲线拟合可以用于分析经济数据的趋势和关系。
例如，通过对历史GDP数据进行曲线拟合，可以预测未来的经济增长趋势，为政策制定和投资决策提供参考。
2. 工程建模在工程领域，曲线拟合可以用于建立物理模型和优化设计。
例如，通过对实验数据进行曲线拟合，可以得到物质的力学性质曲线，从而优化材料的设计和使用。
3. 股票价格预测曲线拟合可以用于股票价格的预测和交易策略的制定。
通过对历史股票价格数据进行曲线拟合，可以找到潜在的趋势和周期性，从而为投资者提供决策依据。
数值分析第四章函数逼近与拟合讲解
m
2 [P(xi )
i 1
yi
]
P( x ak
i
)
n
m
m
2
aj
x jk i
yi xik
j0
i 1
i 1
m
m
记 bk xik , ck yi xik
i1
i1
mn
2
[
a
j
x
j i
yi ]
x
k i
回归系数
i1 j0
b00
i 1
| xn | xn2
③ -范数：
x
max
1in
xi
（最大范数）
赋范线性空间
赋范线性空间 C[a, b]
线性空间 C[a, b] ，f(x)C[a, b]
① 1-范数： f ( x) 1
b a
f (x)
dx
② 2-范数： f ( x) b f 2( x) dx
(1) (u, v) (v, u)
(2) (u, v) (u, v), K
(3) (u v, w) (u, v) (u, w), w X (4) (u, u) 0 ，等号当且仅当 u = 0 时成立 称 (u, v) 为 X 上的内积，定义了内积的线性空间称为内积空间
2
a
性质
设 0, 1, , nC[a, b]，则 0, 1, , n 线
性无关当且仅当 det(G) 0，其中
G G(0,1,
(0,0 )
,n
)
(1
,
0
)
最佳平方逼近与最小二乘拟合
最佳平方逼近与最小二乘拟合——两者的区别与联系 函数逼近是用一个多项式无限接近原函数，而拟合是将函数中的元素联系起来。
也就是说，最佳平方逼近是针对函数，最小二乘法是针对离散的点，二者在形式上基本一致。
另外，最小二乘拟合也称为离散型最佳平方逼近，两者的解法有很多相似之处。
一、 函数的最佳平方逼近 （一）最佳平方逼近函数的概念对[]b a C x f ,)(∈及[]b a C ,中的一个子集{}n span ϕϕϕφ,,,10⋯=，若存在φ∈)(*x S，使[]dx x S x f x S f Sf baS S ⎰-=-=-∈∈22222*)()()(infinf ρϕϕ，则称)(*x S 是)(x f 在子集[]b a C ,⊆φ中的最佳平方逼近函数。
（二）最佳平方逼近函数的解法为了求)(*x S ，由[]dxx S x f x S f Sf baS S ⎰-=-=-∈∈22222*)()()(infinf ρϕϕ可知，一般的最佳平方逼近问题等价于求多元函数dxx f x a x a a a I banj j j n 2010)()()(),,,(⎰∑⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⋯=ϕρ的最小值问题。
由于),,,(10n a a a I ⋯是关于n a a a ,,,10⋯的二次函数，利用多元函数极值的必要条件),,1,0(0n k a Ik⋯==∂∂，即n),,1,0(0)()()()(20⋯==⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=∂∂⎰∑=k dx x x f x a x a Ik b a n j j j kϕϕρ，于是有()()),,1,0(,,0n k f a k j nj j k ⋯==∑=ϕϕϕ。
),,,,1(2n n x x x G G Λ=()()),,1,0(,,0n k f a k j nj j k⋯==∑=ϕϕϕ是关于n 10,,,a a a ⋯的线性方程组，称其为法方程。
由于n ϕϕϕ,,,10⋯线性无关，故系数行列式()0,,,10≠⋯n G ϕϕϕ，于是方程组()()),,1,0(,,0n k f a k j nj j k⋯==∑=ϕϕϕ有唯一解),,1,0(*n k a a k k ⋯==，从而得到)()()(*0*0*x a x a x S n n ϕϕ+⋯+=。
函数逼近、误差分析
2. 什么是函数的带权内积？有什么性质？
答：设 f (x), g(x) C[a, b] ， (x) 为[a, b] 上的权函数，记
f
(x),
g
(x)
b a
(x)
f
(
x)g
(x)dx
称为 f (x) 与 g(x) 在[a, b] 上的带权内积。显然这是 Rn 的内积定义在连续函数空间 C[a,b]
河北联合大学
第3章 函数逼近与曲线拟合
§3.1 函数逼近 §3.2 误差分析
1.设 f ￎ C [ a,b] ，写出三种常用范数 f 1 , f 2 及 f ￎ
答：
ￎ ||
f
||1
b|aຫໍສະໝຸດ f(x) | dx
，称为 1—范数
ￎ ||f ||2 ( ，ab f称2 (为x)d2x—)12范数
|| f ||ￎ m，aￎ xa称ￎxb |为f (∞x—) | 范数
iii. 三角不等式：对任何向量 x, y �Rn ,|| x y ||�|| x || || y ||;
则称|| . || 为向量空间 Rn 上的范数，|| x || 为向量的范数。三种常用的范数如下所示：
a) 2-范数：|| x ||2
x2 1
x22
L
x2 n
(
p范数的特殊情形p
2)
n
ￎ b) 1-范数：|| x ||1 | xi |( p范数的特殊情形p 1) i 1
1.行列式很大或很小（如某些行、列近似相关）； 2.元素间相差大数量级，且无规则； 3.主元消去过程中出现小主元； 4. 特征值相差大数量级。
用条件数判断矩阵是否病态的方法：矩阵的条件数远远大于 1
中的推广。不难看出它具有以下性质：
第3讲-函数逼近
5
函数插值是插值函数 p(x) 与被插函数 f(x) 在节点处函数 值相同，即 P ( x i )
f ( x i )， ( i 0 ,1, , n ) ；而曲线拟合函数 ( x ) 不
要求严格地通过所有数据点 ( x i , y i ) 。 即，拟合函数 (x) 在xi处的偏差(亦称残差）
5
4
实 验 数 据
3
y
2 1
0
1
2
3
4
5
x
17
例 设某实验数据如下： i xi yi 1 0 5 2 1 2 3 2 1 4 3 1 5 4 2 6 5 3
6 6 6 2 a0m a1 xi a2 xi yi i 1 i 1 i 1 6 6 6 6 2 3 a0 xi a1 xi a2 xi xi yi i 1 i 1 i 1 i1 6 6 6 6 2 3 4 2 a0 xi a1 xi a2 xi xi yi i 1 i 1 i 1 i1
13.8434
70.376
i
i 1 4
2 i
i
a0 3.9374 a1 7.4626
4 a 0 7 .32 a1 70 .376 7 .32 a 0 13 .8434 a1 132 .12985
x y
i
132.12985
y 3.9374 7.4626 x
2
2
即
e
1 2
i0
n
2 i
( x
i0
n
i
) f ( x i )
2
最小。
这种要求误差（偏差）平方和最小的拟合称为曲线拟合的 最小二乘法。