最小二乘法 拟合
最小二乘法的拟合
一、最小二乘法与最小一乘法1.什么时候用最小二乘法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.例如，在现实世界中，这样的情形大量存在着：两个变量X和Y（比如身高和体重）彼此有一些依赖关系，由X 可以部分地决定Y的值，但这种关系又是不确定的.人们常常借助统计学中的回归模型来寻找两个变量之间的关系，而模型的建立当然是依据观测数据.首先通过试验或调查获得x和Y的一组对应关系(x1，Y1)，(x2，Y2)，…，(x n，Y n)，然后回答下列5个问题：1. 这两个变量是否有关系？(画出散点图，作直观判断)2. 这些关系是否可以近似用函数模型来描述？（利用散点图、已积累的函数曲线形状的知识和试验数据，选择适当的回归模型，如一元线性模型y=b0＋b1x，二次函数模型y=b0＋b1x＋b2x2等）3. 建立回归模型.4. 对模型中的参数进行估计，最小二乘法是这些参数的一种常用估计方法.5. 讨论模型的拟合效果.在上述第3步中，设所建立的回归模型的一般形式是，其中Y称为响应变量，x称为解释变量或协变量；是一个由参数决定的回归函数；是一个不可观测的随机误差.为了通过试验数据来估计参数的值，可以采用许多统计方法，而最小二乘法是目前最常用、最基本的.由的估计值决定的方程称为经验回归方程或经验方程.教科书中涉及的回归模型是最简单的一元线性模型Y=b0+b1x+，此时模型的拟合效果可以通过Pearson相关系数来描述。
事实上，在线性回归模型中可以证明相关指数等于相关系数的平方.2.什么是最小二乘法思想简单地说，最小二乘的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（在古汉语中“平方”称为“二乘”），“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.例如，对于回归模型，若，…，为收集到的观测数据，则应该用来估计，这里是的估计值。
最小二乘法拟合直线回归方程
最小二乘法拟合直线回归方程最小二乘法是一种常用的数学方法，用于确定一组数据的最佳拟合直线回归方程。
在进行最小二乘法拟合直线回归方程时，我们首先要了解最小二乘法的原理和步骤，然后通过实际案例来详细说明如何进行最小二乘法拟合直线回归方程的计算。
最小二乘法的原理是通过最小化观测数据点与拟合直线的误差平方和来确定直线的参数。
具体而言，最小二乘法假设数据点之间的关系可以用直线来表示，而误差平方和则表示了数据点与拟合直线之间的差异。
通过最小化误差平方和，我们可以找到最佳拟合直线回归方程。
1.确定自变量和因变量：首先需要明确哪一个变量是自变量，哪一个是因变量。
自变量是独立变量，通常表示为x；而因变量是依赖于自变量的变量，通常表示为y。
2.收集观测数据点：收集包含自变量和因变量数据的样本。
3.根据数据点绘制散点图：将观测数据点绘制在坐标系中，可以直观地看到数据点的分布。
4. 确定拟合直线的方程形式：根据散点图的分布情况，选择一条直线拟合数据点。
直线的方程形式一般为y = mx + b，其中m为直线的斜率，b为直线在y轴上的截距。
5.计算拟合直线的参数：使用最小二乘法的公式计算拟合直线的斜率m和截距b。
公式为：m = (nΣxy - ΣxΣy) / (nΣx^2 - (Σx)^2)b=(Σy-mΣx)/n其中，Σ表示求和，n表示样本数据点的数量，Σxy表示所有数据点x和y的乘积之和，Σx表示x的和，Σy表示y的和，Σx^2表示x 的平方和。
6. 绘制拟合直线：将计算得到的斜率m和截距b代入直线方程y = mx + b，绘制出最小二乘法拟合的直线。
最小二乘法拟合直线回归方程的计算也可以通过计算机软件进行。
常用的统计软件如MATLAB、R、Python中的NumPy和SciPy库，都提供了方便的函数和方法用于进行最小二乘法拟合直线回归方程的计算。
例如，使用Python中的NumPy和SciPy库来进行最小二乘法拟合直线回归方程的计算：```pythonimport numpy as npfrom scipy import stats#自变量和因变量数据x = np.array([1, 2, 3, 4, 5])y = np.array([2, 3, 5, 6, 8])#计算斜率和截距slope, intercept, r_value, p_value, std_err =stats.linregress(x, y)#计算拟合直线line = slope * x + intercept#打印斜率和截距print("斜率:", slope)print("截距:", intercept)```以上代码中，通过导入NumPy和SciPy库，使用`stats.linregress(`函数计算斜率和截距，然后将斜率和截距代入直线方程，得到拟合直线。
最小二乘法的线性拟合
8
4.3 数表与线图的公式化处理
前面介绍的数表与线图的程序化处理方法，这种方法虽然 解决了数表和线图在CAD作业中的存储和检索问题，但还存 在下述一些缺点：
1)占用大量计算机内存。数表和线图的程序化处理，要将 数表中的全部数据编进计算程序中，实现数据的自动检索。 当数表很庞大时，所占内存很大。一般情况下，一个设计计 算程序常常需要使用多个数表，则所占内存更加庞大，严重 时甚至会影响程序的正常运行。
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4.2.2 直线图的公式化处理
1、直角坐标直线图的公式化处理
（a）直齿轮
（b）斜齿轮
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2、对数坐标直线图的公式化处理
对数坐标中的直线方程可写为：
注意：一般程序语言中，只有lnx （自然对数）无十进制对数 lgx ，所以编程时，要进行换底运算。
lg x ln x ln10
6
3、区域图的公式化处理
2)效率低，占机时间长。通常设计所使用到的仅是数表中 的一小部分数据，有时甚至只是其中的一、二个。但数表程 序化处理对数表中的每个数据，无论在当时的计算程序中
是否被用到，都必须顺序地将全部数据读入内存。
检索时，一般又得顺序地从头检索至所需的那个
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数据为止。
4.3.1 曲线拟合
数表程序化处理一般只适用于数表较小(数据 量较小)、计算程序使用数表个数不多的情况。对 于比较大型的计算程序，常常需使用很多的数表， 数据量很大，在这种情况下数表的处理就要采用其 它的方法。其中一种方法就是本节所要介绍的曲线 拟合。
常用的处理方法有三种：
1
（1）线图所表示的各参数之间本来就有计算公 式，只是由于计算公式复杂．为了便于手工计算 将公式绘成线图，以供设计时查用。对于这类线 图处理的方法为：找到线图原有公式，将公式编 写成程序。这是最精确的程序化处理方法，但难 以找到。
计算方法 第三章 最小二乘法与曲线拟合
j1 i1
i1
称（2）为（1）的正规方程组（法方程组）。 （2）的解即为（1）的解，称此方法为最小二乘法。
例：利用最小二乘法求矛盾方程组：
2x+4y=11
3x 5y 3 x 2 y 6
4x 2 y 14
解：将原方程组改写为
4
1 2x 4 y 11 2 3x 5y 3 3 x 2 y 6
记
Q
n
i2
n
m
2
(aij x j bi ) （求Q的最小值）
i 1
i1 j1
Q
xk
n i 1
2
m
(aij x j
j 1
bi )aik
n
2
i 1
m
(aij x j
j 1
bi )aik
0
即
m
n
aij aik
x
j
n
aik bi
(k 1, 2,
, m)
——（2）
注：拟合时尽量使i 0
2. 常用方法：
m
m
（1）使偏差绝对值之和最小，即 | i | | (xi ) yi |最小。
i 1
i 1
(2)
使偏差最大绝对值最小，即max 1im
|
i
|
max
1im
|
( xi
)
yi
|
最小。
m
m
（3）使偏差平方和最小，即 i2 ［(xi ) yi］2最小。
解得：x 2.977，y 1.226
§3.2 曲线拟合
一、已知 x x1 x2 xn
y y1 y2
yn
n－1的多项式 Q(x) a0 a1x
最小二乘法圆拟合
1.最小二乘法圆拟合原理理论最小二乘法（Least Square Method ）是一种数学优化技术。
它通过最小化误差的平方和找到一组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。
最小二乘圆拟合模型公式推导在二维平面坐标系中，圆方程一般可表示为：（A-A0）2+（y-y0）2=r2对于最小二乘法的圆拟合，其误差平方的优化目标函数为:式中：（兀切）心1,2,..丿为圆弧上特征点坐标M为参与拟合的特征点数。
在保持这优化目标函数特征的前提上，我们需要对其用一种稍微不同的改进方法来定义误差平方，且其避免了平方根，同时可得到一个最小化问题的直接解，定义如下：E= £［（兀一勺），+（＞; -y0）2 -厂则（2）式可改写为:令，B = -2y0, A = -2x0C = x（； + y（；-r2即（3）式可表示为：H =2Sn =2s r ； + yf +:+y ： + A2 + y ； +；=0 (=0J=o 1=0 ；=0 /=(> ；=0 丿 \/=()X =0(=0 1=01=0 (=0E =工(才 + V ； + A A ; + By t +C )/=()由最小二乘法原理，参数A, B, C 应使E 取得极小值。
根据极小 值的求法，A, 3和C 应满足求解方程组，先消去参数C,则式⑷“一⑹水工易得(=0•:-乞兀乞兀人+处〉必-亍兀文刃〃 +吃斤+,送席一乞(才(7)式(5)*n-(6)*^y.得1=0(8)M M =吃才-为册工"(9)\ /=() i=0 r=0 丿%=呱=卜£X 必-£者£订(10)\ H0 /=0 /=0 丿y ： - dx/=0 /=0(13)r-0 f-0 H\=+ 辻灯-乞(X ： + y ；应兀(12 ) rU) /-() ZU) /-0 H i=n X y ：+n E vx- - Z (x ；+>?)E x将（7）, （8）式写成矩阵形式根据式（14）和式（6）可得:人_円叽-側22^11^22 —^12^21—HB H -H 阀 u\2^ 21 一 M |22乞（才+貝+心+叭）c = _ ------------------------ n从而求得最佳拟合圆心坐标（心为），半径r 的拟合值：勺=_£,儿=_£，r = g J A +B? -4C2.仿真数据分析首先设置仿真圆心（xO, yO ）,半径R0,在根据实际数据任意选取一 段圆弧，产生N 组随机数据。
最小二乘拟合算法
最小二乘拟合算法最小二乘定义一般情况下，最小二乘问题求的是使某一函数局部最小的向量 x，函数具有平方和的形式，求解可能需要满足一定的约束：信赖域反射最小二乘要理解信赖域优化方法，请考虑无约束最小化问题，最小化 f(x)，该函数接受向量参数并返回标量。
假设您现在位于 n 维空间中的点 x 处，并且您要寻求改进，即移至函数值较低的点。
基本思路是用较简单的函数 q 来逼近 f，该函数需能充分反映函数 f 在点 x 的邻域 N 中的行为。
此邻域是信赖域。
试探步 s 是通过在 N 上进行最小化（或近似最小化）来计算的。
以下是信赖域子问题如果f(x + s) < f(x)，当前点更新为 x + s；否则，当前点保持不变，信赖域 N 缩小，算法再次计算试探步。
在定义特定信赖域方法以最小化 f(x) 的过程中，关键问题是如何选择和计算逼近 q（在当前点 x 上定义）、如何选择和修改信赖域 N，以及如何准确求解信赖域子问题。
在标准信赖域方法中，二次逼近 q 由 F 在 x 处的泰勒逼近的前两项定义；邻域 N 通常是球形或椭圆形。
以数学语言表述，信赖域子问题通常写作公式2其中，g 是 f 在当前点 x 处的梯度，H 是 Hessian 矩阵（二阶导数的对称矩阵），D 是对角缩放矩阵，Δ是正标量，∥ . ∥是 2-范数。
此类算法通常涉及计算 H 的所有特征值，并将牛顿法应用于以下久期方程它们要耗费与 H 的几个分解成比例的时间，因此，对于信赖域问题，需要采取另一种方法。
Optimization Toolbox 求解器采用的逼近方法是将信赖域子问题限制在二维子空间 S 内。
一旦计算出子空间 S，即使需要完整的特征值/特征向量信息，求解的工作量也不大（因为在子空间中，问题只是二维的）。
现在的主要工作已转移到子空间的确定上。
二维子空间 S 是借助下述预条件共轭梯度法确定的。
求解器将 S 定义为由 s1 和 s2 确定的线性空间，其中 s1 是梯度 g 的方向，s2 是近似牛顿方向，即下式的解或是负曲率的方向，以此种方式选择 S 背后的理念是强制全局收敛（通过最陡下降方向或负曲率方向）并实现快速局部收敛（通过牛顿步，如果它存在）。
最小二乘法拟合曲线求最大值
最小二乘法拟合曲线求最大值
最小二乘法是一种拟合曲线的方法，它是通过优化平方误差最小化来找到拟合曲线的参数。
最小二乘法可以用来拟合各种类型的曲线，包括直线、多项式、指数和对数函数等。
如果要找到拟合曲线的最大值，可以通过以下步骤进行：
1. 根据数据点的坐标，使用最小二乘法找到最佳拟合曲线的参数。
这可以通过使用线性回归或多项式回归的方法来实现。
2. 使用找到的曲线参数，求曲线的导数。
导数表示曲线在每个点上的斜率。
3. 找到导数等于零的点。
这些点可能是拟合曲线的极值点，包括最大值和最小值。
4. 比较这些极值点的函数值，找到最大值。
需要注意的是，最小二乘法本身不能直接找到曲线的最大值，它只能通过拟合曲线函数的参数来间接推断最大值所在的位置。
因此，在找到最佳拟合曲线的参数后，还需要进行额外的导数计算和极值点分析才能找到实际的最大值点。
此外，如果数据点中存在噪声或异常值，最小二乘法可能会受到影响，导致拟合曲线得到的最大值并不准确。
在实际应用中，可能需要使用其他方法来处理这些问题。
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N<m 时，参数不能确定。
在N>m 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 <f （x ；c 1，c 2，……c m ）> 摆动，其分布为正态分布，则y i 的概率密度为()()[]⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧--=22212,......,,;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。