最小二乘法的线性拟合
最小二乘法线性拟合
—26 n 基本概念与数据处理4.最小二乘法线性拟合(非常好)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： y 二 a bx(2-6-1)要根据测量数据求出最佳的 a 和b o 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：d i = y i - a - bx-id^ — y 2~ a - bx 2d n = yn ~a ~ bx n显然最好测量点都在直线上(即 d i =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 i 、d 2、”、 d n 为最小，也就是考虑d i +d 2+,, +d n 为最小，但因d i 、d 2、，，、d n 有正有负，加起来可能相互抵消，因此不可取；而|d i | + |d 2|+ ,,+ |d n |又不好解方程，因而不可行。
现在米取一种等效方法：当d^+d/ + ,,+d n 2222对a 和b 为最小时，d i 、d 2、，，、 d n 也为最小。
取(d i +d 2 +,, +d n )为最小值，求 a和b 的方法叫最小二乘法。
nD 八 d i 2i JD 对a 和b 分别求一阶偏导数为:n-na -b ' X i ]i T nnD 八 d i 2 = i ±(2-6-2)-=D-=b:D-a n 一2「y ii 3 n一2[、X i y i i 』n基本概念与数据处理—27 - -b' X j2]i d—28 - n 基本概念与数据处理2 ' x -x将a 、b 值带入线性方程y = a bx ，即得到回归直线方程。
最小二乘法excel拟合
在Excel中进行最小二乘法线性拟合的步骤如下：
1.在Excel中输入或打开要进行最小二乘法拟合的数据。
2.按住“shift”键的同时，用鼠标左键单击以选择数据。
3.单击菜单栏上的“插入”》“图表”》“散点图”图标。
4.弹出下拉列表，单击“散点图”》“仅带数据标记的散点图”图标。
5.此时，在窗口中间弹出散点图窗口。
6.鼠标左键单击其上的散点，单击鼠标右键，弹出列表式对话框，
再单击“添加趋势线(R)”。
7.弹出“设置趋势线格式”对话框。
8.勾选“设置截距(S)”、“显示公式(E)和“显示R平均值(R)”前的
方框，此时，在原散点图中增加了一条趋势线及其公式、R平均值。
以上步骤仅供参考，具体操作可能会因Excel版本的不同而略有差异。
如果需要更详细的信息，建议查看Excel的帮助文档或相关教程。
最小二乘法求出直线拟合公式
最小二乘法求出直线拟合公式最小二乘法是一种常用的线性回归方法，用于求出最佳的拟合直线公式。
其基本思想是通过最小化观测数据与拟合直线之间的误差来确定最佳的直线参数。
假设我们有一组观测数据(xi, yi)，其中xi表示自变量的取值，yi表示因变量的取值。
我们的目标是找到一条直线y = mx + c，使得观测数据点到这条直线之间的误差最小。
首先，我们定义观测数据点到拟合直线的误差为：ei = yi - (mx + c)。
我们的目标是最小化所有观测数据点的误差之和：min Σ(ei^2) = min Σ(yi - (mx + c))^2为了求解上述最小化问题，我们需要对误差函数关于参数m和c进行求导，并令导数等于零。
这样可以得到参数的最优解。
对于参数m的求解，我们有以下等式：d/dm Σ(ei^2) = d/dm Σ(yi - (mx + c))^2 = 0通过对上述等式进行求导和化简，我们得到以下方程：m * Σ(xi^2) + c * Σ(xi) = Σ(xi * yi)类似地，对于参数c的求解，我们有以下等式：d/dc Σ(ei^2) = d/dc Σ(yi - (mx + c))^2 = 0通过对上述等式进行求导和化简，我们得到以下方程：m * Σ(xi) + c * n = Σ(yi)其中，n表示观测数据点的数量。
最终，我们可以通过解上述方程组，求得最佳的直线参数m和c，从而得到直线的拟合公式。
拓展：最小二乘法不仅可以应用在线性回归问题中，还可以拓展到非线性回归问题。
例如，如果观测数据点遵循多项式分布，则可以使用多项式回归来拟合数据。
此时，最小二乘法的基本原理是相同的，只是拟合的模型变为多项式函数。
此外，最小二乘法还可以应用于其他问题，例如数据平滑、参数估计等。
它是一种常用的统计学方法，可以在各种实际问题中得到广泛的应用。
最小二乘法拟合C语言实现
最小二乘法拟合C语言实现实现最小二乘法拟合的思路是首先确定要拟合的函数形式，例如线性函数（y=a*x+b）或二次函数（y=a*x^2+b*x+c）。
然后通过最小化残差平方和来求得最佳拟合函数的参数。
假设我们要拟合的是一个线性函数y=a*x+b，其中x和y是已知的一组数据。
那么最小二乘法的目标是寻找到最逼近这组数据的直线，使得所有数据点到这条直线的距离的平方和最小。
伪代码如下：1.定义数组x和y分别存储输入的x和y值，并知道数据点的个数n。
2. 定义变量sum_x，sum_y，sum_xx，sum_xy，分别用于存储x的和，y的和，x的平方和，x和y的乘积和。
3. 对数组x和y进行累加，计算sum_x，sum_y，sum_xx，sum_xy。
4.计算最小二乘法的参数a和b的值：a = (n * sum_xy - sum_x * sum_y) / (n * sum_xx - sum_x *sum_x)b = (sum_y - a * sum_x) / n5.输出最佳拟合直线的参数a和b。
下面是一个使用C语言实现最小二乘法拟合的示例代码：```c#include <stdio.h>void linearLeastSquaresFit(double x[], double y[], int n, double* a, double* b)double sum_x = 0.0, sum_y = 0.0, sum_xx = 0.0, sum_xy = 0.0;//计算和for (int i = 0; i < n; i++)sum_x += x[i];sum_y += y[i];sum_xx += x[i] * x[i];sum_xy += x[i] * y[i];}//计算最小二乘法参数*a = (n * sum_xy - sum_x * sum_y) / (n * sum_xx - sum_x * sum_x);*b = (sum_y - *a * sum_x) / n;int maidouble x[] = {1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0};double y[] = {2.0, 4.0, 6.0, 8.0, 10.0};int n = sizeof(x) / sizeof(x[0]);double a, b;linearLeastSquaresFit(x, y, n, &a, &b);printf("拟合直线的参数：a = %lf, b = %lf\n", a, b);return 0;```在这个示例代码中，给定了一组x和y的数据点（x为1到5，y为2到10），然后使用最小二乘法拟合出一条最佳直线的参数a和b。
最小二乘直线拟合程序
最小二乘直线拟合程序导论：在科学研究和工程应用中，拟合一组数据点到一个直线模型是一种常见的方法，用于寻找数据之间的趋势和关系。
在本文中，我们将探讨如何使用最小二乘法来拟合一个直线模型到一组给定的数据点，并编写一个简单的程序来实现这一过程。
最小二乘法是一种常用的参数估计方法，它的核心思想是寻找一组参数，使得模型预测值与观测值之间的残差平方和最小化。
在直线拟合问题中，我们的目标是找到一条直线 y = mx + b，使得该直线与给定的数据点之间的残差平方和最小。
这一问题可以用数学公式表示为：min Σ(yi - (mx + b))^2其中，yi 表示第i个数据点的观测值，(xi, yi) 表示第i个数据点的坐标，m 和 b 分别表示直线的斜率和截距。
我们将通过最小二乘法来求解 m 和 b 的最优解，从而得到最佳拟合直线。
接下来，我们将使用Python编程语言来实现最小二乘直线拟合程序。
我们将使用SciPy 库中的optimize模块来进行参数优化，以及Matplotlib库来绘制拟合直线和数据点的图形。
让我们开始编写程序吧！程序实现：首先，我们需要导入所需的Python库：```pythonimport numpy as npimport matplotlib.pyplot as pltfrom scipy.optimize import minimize```接下来，我们定义一个函数来表示直线模型 y = mx + b，并定义一个函数来计算残差平方和：```pythondef linear_model(params, x):m, b = paramsreturn m * x + bdef loss_function(params, x, y):return np.sum((y - linear_model(params, x))**2)```然后，我们生成一些模拟数据点来进行拟合：```python# 生成模拟数据np.random.seed(0)x = np.linspace(0, 10, 20)y = 2 * x + 1 + np.random.normal(size=x.size)```现在，我们可以使用最小二乘法来拟合直线模型到这些数据点上：```python# 初始化参数估计值params_initial = [1, 1]# 使用最小二乘法拟合直线模型result = minimize(loss_function, params_initial, args=(x, y))# 提取最优参数m, b = result.x```最后，我们使用Matplotlib库来绘制拟合直线和数据点的图形：```python# 绘制拟合直线和数据点plt.scatter(x, y, label='Data')plt.plot(x, linear_model([m, b], x), color='red', label='Fitted line') plt.xlabel('x')plt.ylabel('y')plt.legend()plt.show()```运行程序后，我们将得到以下图形，其中红色线表示拟合直线，蓝色点表示数据点：[插入代码运行结果的图形]结论：在本文中，我们介绍了如何使用最小二乘法来拟合一个直线模型到一组给定的数据点，并编写了一个简单的Python程序来实现这一过程。
第5章-1 曲线拟合(线性最小二乘法)讲解
求所需系数，得到方程： 29.139a+17.9b=29.7076 17.9a+11b=18.25
通过全选主元高斯消去求得：
a=0.912605
b=0.174034
所以线性拟合曲线函数为： y=0.912605x+0.174034
练习2
根据下列数据求拟合曲线函数： y=ax2+b
x 19 25 31 38 44 y 19.0 32.3 49.0 73.3 97.8
∑xi4 a + ∑xi2 b = ∑xi 2yi
∑xi2 a + n b = ∑yi
7277699a+5327b=369321.5 5327a+5b=271.4
曲线拟合的最小二乘法
1.曲线拟合的意思
Y
.
.
.
.
y=ax+b y=ax2+bx+c
X
y=ax+b y=ax2+bx+c 就是未知函数的拟合曲线。
2最小二乘法原理
观测值与拟合曲线值误差的平方和为最小。
yi y0 y1 y2 y3 y4…… 观测值 y^i y^0 y^1 y^2 y^3 y^4…… 拟合曲线值
拟合曲线为： y=(-11x2-117x+56)/84
x
yHale Waihona Puke 1.61 1.641.63 1.66
1.6 1.63
1.67 1.7
1.64 1.67
1.63 1.66
1.61 1.64
1.66 1.69
1.59 1.62
线性最小二乘法拟合
– Busi ness fi nancial indicat ors: t otal profits of 255 million Yua n, beyond the a nnual budget of 207 million Yuan, beyond the Datang compa ny i ndex 41 .89 million Yuan, a n increase of 1.76 million Y uan, FCM ass essme nt at grade four.
Major achievement s: first, we s hould a dher e to the tw o "managem ent system" basi s, stre ngthe ning t e chnologi cal res earch, stre ngthe n hidde n hazar ds control and intri nsi c safety Enterpri se constructi on t ook new ste ps. -The tw o "management system" for improveme nt. Focus on pr omoting t he power of the com pany manag ement system a nd the applicati on a nd implementation of the s afety loop five-star manag ement syst em, improve the safety manageme nt system, reali ze the sy stem of safety control. F urther reg ulate se curity routine s, safety s upervi sion and ma nagement network r ole to play to achieve closed -loop. Stre ngthe ning the supervisi on a nd management of ha bitual vi olation of, stre ngthe ning the safety supervisi on of outs our cing contractor s. Carrie d out
最小二乘法求拟合直线公式
最小二乘法求拟合直线公式
直线拟合求最佳经验公式的一种数据处理方法是最小二乘法（又称作
一元线性回归），它可克服用作图法求直线公式时图线的绘制引入的误差，结果更精确，在科学实验中得到了广泛的应用。
1.最小二乘法的理论基础：
若两物理量x、y满足线性关系，并由实验等精度地测得一组实验数据，且假定实验误差主要出现在上，设拟合直线公式为，当所测各值与拟
合直线上各估计值之间偏差的平方和最小，即时，所得拟合公式即为最佳
经验公式。
2.用最小二乘法求最佳经验公式：
设由实验数据求得最佳经验公式为y=a+bx，根据最小二乘法原理有：即：
化为：
其解为：
将得出的、代入即可得最佳经验公式。
的不确定度与很多因素有关，如实验数据的多少、实验数据之间的关
系与直线关系的符合程度（即以下介绍的相关系数）、实验数据的分散度
等等，在此不作介绍。
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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。
4
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
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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。
（2） 线图所表示的各参数之间没有或找不到计 算公式。将线图离散化为数表，然后按数表的处 理方法进行处理。
此方法的基本原则是构造一曲线函数y＝P(x)作
为函数f（x）的近似表达式，所构造曲线函数并不 严格通过所有节点，而是尽可能反映函数的数据变
化趋势，比较符合实际规律。曲线拟合的方法有很 多，这里我们只介绍最小二乘法（线性、多项式、
指数曲线）的数据拟合。
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线性拟合
❖ 在直角坐标系中点大致呈线性分布， y（x）＝ a0＋a1x
（3）用曲线拟合的方法求出线图的拟合公式
（又称经验公式），再将公式编写成程序。
2
4.2.1线图的数表化处理
所谓线图数表化处理是将线图离散转化为一 张数表，然后按数表的处理方法进行处理。
右图Z较为少渐时开，对线齿齿形轮系数的影响 一种齿较形大系，数节点曲的线区图间应取得
小些；
渐开线齿轮的齿数和齿形系数的关系
齿数Z较多时，对齿 形系数影响较小，节 点的区间应取得大些
齿数Z 12 14 16 18 22 26 30 40 50 齿形系数 3.44 3.22 3.05 2.91 2.73 2.60 2.52 2.40 2.32
其中，节点的选取随曲线形状而异，选取的基本3 原则是相邻两节点之函数差较为均匀。
在CAD作业中，若能找到所给参数线图曲 线的计算公式，则应选择该公式直接计算出所 需的参数值，以确保所获得参数的精度。对于 直线线图(直角坐标或对数坐标)或是以折线构 成的折线图，则应把它们先转化为代数表达式， 然后通过计算来获得较准确的参数值，这就是 下面介绍的线图公式化处理。
ei=f（xi）－yi i=1，2，3，…，n
n
n2
i
i 1
i 1
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二、最小二乘法的线性拟合 设有一个函数表如下
x x0 x1 x2 y y0 y1 y2
… xn … yn
求一个一次二项式f(x)=a0+a1x，使误差f(xi)－yi的平方 和最小，即：
n
n
n
ei2 （f（xi） yi）2 （[ a0 a1xi） yi ]2 F（a0，a1）
i0
i0
i0
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要使F（a0，a1）最小，必须满足
即：
F 0，F 0
a0
a1
F
a0
n
2 （a0
i0
a1xi
yi） 0
F
a1
n
2 （a0
i0
a1xi
yi）xi
0
（ n 1）a0
n
n
a1
i0 n
xi
n
n i0
yi
(1)
a0
i0
xi
a1
i0
xi2
i0
yi xi
解此方程组，得出a0，a1值，从而得出拟合公式
4.2 线图的程序化处理 我们知道用线图来表示函数关系是一种很常
用的方法，这种方法比较直观，并且能表现出函 数的变化趋势。在机械设计资料中，有很多参数 间的函数关系是通过线图来表示的。这些线图在 对数坐标中，一般是直线或折线；在普通的直角 坐标中，大多是曲线图。传统设计时，根据线图 查得的参数直接代入公式，而在CAD作业中，目 前还不能对线图直接编程，因此需对线图进行相 应的处理，以实现对参数图的存贮和自动检索。
（1）按区域图的中线取值
找出区域中线的表达式， SH1
为此设齿面最小硬度为HB0 。
最高硬度为HBl ，SH0表示
最小硬度对应的极限应力中
SH0
值，SHl表示最大硬度对应 的极限应力中值，由此根据
直线的两点式方程可以写出
HB 0
HB1
极限应力中线的表达式为：
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（2）按区域图的位置取值
在确定材料极限应力时只能取中值，不尽合理。为了 使设计者能根据所用材料的不同性能，按实际情况在区域 图内取不同的值，为此，增加两个参数，一个是极限应力 的幅度值SF，另一个是表示极限应力在区域图中的位置 参量ST。ST＝1时表示取上限值，ST＝0时表示取中值， ST＝-1时表示取下限值。此时极限应力的计算式变为：
y
x
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幂函数或指数函数拟合
在对数坐标系中点大致呈线性分布 y abx ln y ln a ln b x
y ln y
x
x
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多项式拟合
❖ Y(x) = Σajxj (j=0,1,2,3,……,m)
y
x
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一、最小二乘法拟合的基本思想
设由线图或实验得到n个节点的数据（xi，yi）（i=1， 2，3，…，n），构成拟合公式y=f（x），拟合公式不一定 通过每个节点，因此在每一节点处与实际值的偏差为