最小二乘法原理和曲线拟合
最小二乘法拟合曲线
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=B'; a=inv(A)*B; x=[-1.0:0.0001:2.0]; 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')
title('拟合图')
x=-1.0:0.5:2.0; y=[-4.447,-0.452,0.551,0.048,-0.447,0.549,4.552]; plot(x,y,'*') xlabel'x轴' ylabel'y轴' title'散点图' hold on
B=[0000]; for j=1:n+1 for i=1:m+1 B(j)=B(j)+y(i)*x(i)^(j-1) end end
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
中的系数
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ak
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
得到拟合方程。
最小二乘法拟合曲线01 来自景 04 算法目录CONTENTS
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 ϕ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 ϕ最好地逼近()x f ，而不必满足插值原则。
因此没必要取)(i x ϕ=i y ，只要使i i i y x -=)(ϕδ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 ϕ。
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 -=)(ϕδ，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。
stm32最小二乘法拟合二次曲线
概念概述1.1 简介在现代科学和工程领域中，数据拟合是一项十分重要的任务。
其中，最小二乘法是一种常用的数据拟合方法，它能够用来寻找最符合一组数据的曲线方程。
而在嵌入式系统开发中，STM32是一款广泛应用的微控制器，它也提供了丰富的数学库函数，包括最小二乘法拟合曲线的函数库。
本文将深入探讨如何在STM32中使用最小二乘法来拟合二次曲线，以及该方法的应用场景和实际意义。
1.2 最小二乘法的基本原理最小二乘法是一种通过最小化误差的平方和来确定数据的最佳拟合曲线的方法。
在简单的线性拟合中，最小二乘法可以用来找到最符合一组数据的直线方程。
而在二次曲线拟合中，最小二乘法同样适用，它能够帮助我们找到最符合数据的二次曲线方程。
在现实世界中的数据往往并不完全符合理想的模型，因此最小二乘法能够帮助我们通过拟合曲线来更好地理解和预测数据的行为。
深入讨论2.1 STM32最小二乘法拟合二次曲线的实现在STM32的数学库函数中，有专门用于最小二乘法拟合二次曲线的函数。
通过调用这些函数，我们可以将一组数据传入并得到最佳拟合的二次曲线方程。
这为在嵌入式系统中进行数据分析和预测提供了重要的支持。
2.2 应用场景及意义在实际的嵌入式系统开发中，数据的分析和预测是十分关键的。
通过使用最小二乘法来拟合二次曲线，我们可以更好地理解数据的规律，从而进行更准确的预测和决策。
在传感器数据处理中，通过拟合二次曲线，我们可以更好地了解数据的变化趋势，进而进行更精准的数据分析和控制。
2.3 个人观点和理解作为一个嵌入式系统开发者，我认为最小二乘法拟合二次曲线在STM32中的应用具有重要的意义。
通过这种方法，我们可以更好地理解数据的特征，并对数据进行更准确的分析和预测。
在实际的项目中，我也曾运用最小二乘法来拟合二次曲线，从而取得了良好的效果。
总结通过本文的深入探讨，我们了解了在STM32中使用最小二乘法来拟合二次曲线的方法和意义。
这种方法不仅能够帮助我们更好地理解数据的规律，还能够为实际的嵌入式系统开发提供重要的支持。
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
最小二乘法曲线拟合-原理及matlab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 ϕ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 ϕ最好地逼近()x f ，而不必满足插值原则。
因此没必要取)(i x ϕ=i y ，只要使i i i y x -=)(ϕδ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 ϕ。
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 -=)(ϕδ，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：kk x a x a a x +++=...)(10ϕ2. 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。
最小二乘法与曲线拟合(共24张PPT)
j 1
n
aNj
xj
bN
j1
2a1k
a2k
aNk
(
Ax
b)
Q
故 x1
Q
x2
Q
2
AT
(
Ax
b)
2(
AT
Ax
AT b )
xn
令
Q 0
(k 1,2,, n)
即
ATxAk x
AT b
〔*〕
因为rankA=n，故由引理2知，上式有唯一解。设
解为x1=a1, x2=a2,…, xn=an，记为点P0(a1,a2,…,an)，
或写为
其矩阵形式为
a11x1 a12x2 a1n xn b1 a21x1 a22x2 a2n xn b2
aN1x1 aN 2 x2 aNn xn bN
n
aij x j bi ( j 1,2,, N )
j 1
Ax b
当方程组的系数矩阵与增广矩阵的秩不相等时， 方程组无解，此时方程组称为矛盾方程组。对于 rankA＝n〔A的秩为n〕的矛盾方程组〔N>n〕，我 们寻求其最小二乘意义下的解。
从给定的一组试验数据出发，寻求函数的一个近似表 达式y= (x)，要求近似表达式能够反映数据的根本趋势 而又不一定过全部的点(xi,yi)，这就是曲线拟合问题，函 数的近似表达式y= (x)称为拟合曲线。本章介绍用最小 二乘法求拟合曲线。
§5.1 用最小二乘法求解矛盾方程组
一、矛盾方程组的定义
设线性方程组
3.最小二乘法解矛盾方程组
计算步骤：
〔1〕判断方程组的秩是否满足rankA=n？
〔2〕写出正那么方程组；
〔3〕求解正那么方程组，其解就是矛盾方程组 的最小二乘解。
最小二乘法曲线拟合原理
最小二乘法曲线拟合原理最小二乘法曲线拟合是一个重要的数值分析方法，它是通过最小二乘法对样本点与直线或曲线之间的关系进行拟合和分析，从而估算出一个函数的一组参数。
最小二乘法曲线拟合是一种经典的数值分析方法，可以用来拟合函数和曲线，估算出参数，预测数据，分析函数，优化模型，甚至可以分析复杂多变量函数。
最小二乘法曲线拟合的核心方法是使用最小二乘法把拟合的曲线拟合到观察到的数据，通过求解方程的最小二乘法，把一系列的观察数据点拟合为最小二乘法曲线，计算出拟合曲线的最佳系数，满足拟合效果的最佳拟合曲线。
最小二乘法曲线拟合的核心目标是通过计算拟合曲线的最小均方误差(SSE)、平均均方误差(MSE)、最大均方误差(MAXE)等方法，使拟合曲线与观察数据点之间的差距最小，从而求解出最佳拟合曲线系数。
最小二乘法曲线拟合具有很强的解析性，可以用数学计算方法快速求解，可以满足各种不同应用场景的需求，因而被广泛应用于科学研究、工程设计、市场分析等领域。
最小二乘法曲线拟合最常见的应用场景有：根据观察数据拟合和估计函数的参数；分析函数的性质；优化模型的能力；预测数据等等。
当应用最小二乘法拟合函数时，首先需要把观察数据用直线或曲线拟合，然后使用极小化残差平方和的方法，来求解参数，这是一个典型的最优化问题，利用一般最优化算法来求解，如梯度下降算法、牛顿法等。
此外，在应用最小二乘法曲线拟合的过程中，还可以考虑几种情况，比如样本数据受到误差的影响，具有某种偏差性；偏差是否服从正态分布；样本数据的分布是否同分布；拟合曲线的拟合是否收敛，参数计算是否准确等等。
总之，最小二乘法曲线拟合是一种重要的数值分析方法，可以用来拟合函数和曲线、估算参数、预测数据、优化模型等。
在应用最小二乘法曲线拟合时，需要考虑一些影响因素，比如样本数据受到误差的影响、偏差是否服从正态分布等，因此，它是一种有效的数值分析方法。
测量误差分析与精度评定中的最小二乘法原理与应用
测量误差分析与精度评定中的最小二乘法原理与应用引言：在科学研究和工程实践中，准确测量和评定误差的大小是至关重要的。
而最小二乘法则是一种常用的数据处理方法，用于识别和分析测量误差，并对测量精度进行评定。
本文将介绍最小二乘法的原理和应用，以期帮助读者更好地理解和运用该方法。
一、最小二乘法原理最小二乘法是一种通过最小化测量残差平方和来确定最优拟合曲线或其他模型参数的方法。
其基本原理是找到一组参数，使得模型预测值与实际观测值之间的误差平方和最小化。
这样做的目的是尽量减小误差的影响，提高测量结果的精度。
二、最小二乘法应用最小二乘法广泛应用于各种领域，例如物理学、工程学、经济学等。
以下是几个常见的应用案例：1. 直线拟合最小二乘法可以用于拟合一条直线，以确定直线的斜率和截距。
通过将观测点到拟合直线的垂直距离的平方和最小化，可以获得最佳拟合直线。
2. 曲线拟合最小二乘法也可以用于拟合曲线，以确定曲线的方程和参数。
通过最小化观测点到拟合曲线的垂直距离的平方和，可以找到最佳拟合曲线。
3. 数据平滑有时，测量数据中包含一些噪声或随机误差，这可能会影响对数据的分析。
最小二乘法可以用于数据平滑，通过拟合一个平滑曲线来消除噪声或误差的影响，从而得到更可靠的结果。
4. 变量选择在一些实验设计和数据分析中，为了简化模型和减少计算量，需要选择最为重要的变量。
最小二乘法可以通过评估变量的贡献程度来选择最相关的变量，从而建立一个更简化的模型。
三、最小二乘法误差分析最小二乘法不仅可以用于拟合和参数估计，还可以用于误差分析。
通过对残差进行统计分析，可以获得有关测量误差的重要信息。
以下是几种常见的误差分析方法：1. 观测误差分布分析最小二乘法可以通过统计方法来分析观测误差的分布特性，比如均值、方差等。
这有助于确定测量误差的大小和分布情况。
2. 置信区间估计最小二乘法可以根据残差的分布情况，进一步估计参数的置信区间。
这有助于评估参数估计的精度和可靠性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
I
0
1
10
1
1
1
10
10
1
3
5
9
27
81
15
45
2
4
4
16
64
256
16
64
3
5
2
25
125
625
10
50
4
6
1
36
216
1296
6
36
5
7
1
49
343
2401
7
49
6
8
2
64
512
4096
16
128
7
9
3
81
729
6561
27
243
8
10
4
100
1000
10000
40
400
53
32
381
3017
数据拟合的具体作法是：对给定数据 (i=0,1,…，m)，在取定的函数类 中,求 ,使误差 (i=0,1,…,m)的平方和最小，即
=
从几何意义上讲，就是寻求与给定点 (i=0,1,…,m)的距离平方和为最小的曲线 （图6-1）。函数 称
为拟合 函数或最小二乘解，求拟合函数 的方法称为曲线拟合的最小二乘法。
25317
147
1025
得正规方程组
解得
故拟合多项式为
由式(2)可得
(6)
多项式拟合的一般方法可归纳为以下几步：
(1) 由已知数据画出函数粗略的图形——散点图，确定拟合多项式的次数n；
(2) 列表计算 和 ；
(3) 写出正规方程组，求出 ；
(4) 写出拟合多项式 。
在实际应用中， 或 ；当 时所得的拟合多项式就是拉格朗日或牛顿插值多项式。
例1 测得铜导线在温度 (℃)时的电阻 如表6-1，求电阻R与温度 T的近似函数关系。
在曲线拟合中，函数类 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=0,1,…,m)， 为所有次数不超过 的多项式构成的函数类，现求一 ,使得
(1)
当拟合函数为多项式时，称为多项式拟合，满足式（1）的 称为最小二乘拟合多项式。特别地，当n=1时，称为线性拟合或直线拟合。
显然
为 的多元函数，因此上述问题即为求 的极值 问题。由多元函数求极值的必要条件，得
1945.000
2
30.1
79.25
906.01
2385.425
3
36.0
80.80
1296.00
2908.800
4
40.0
82.35
1600.00
3294.000
5
45.1
83.90
2034.01
3783.890
6
பைடு நூலகம்50.0
85.10
2500.00
4255.000
245.3
565.5
9325.83
20029.445
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 同所给数据点 (i=0,1,…,m)误差 (i=0,1,…,m)的大小，常用的方法有以下三种：一是误差 (i=0,1,…,m)绝对值的最大值 ，即误差 向量 的∞—范数；二是误差绝对值的和 ，即误差向量r的1—范数；三是误差平方和 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 来 度量误差 (i=0，1，…，m)的整体大小。
正规方程组为
解方程组得
故得R与T的拟合直线为
利用上述关系式，可以预测不同温度时铜导线的电阻值。例如，由R=0得T=-242.5，即预测温度T=-242.5℃时，铜导线无电阻。
6-2
例2已知实验数据如下表
i
0
1
2
3
4
5
6
7
8
1
3
4
5
6
7
8
9
10
10
5
4
2
1
1
2
3
4
试用最小二乘法求它的二次拟合多项式。
解 设拟合曲线方程为
(2)
即
(3)
（3）是关于 的线性方程组，用矩阵表示为
(4)
式（3）或式（4）称为正规方程组或法方程组。
可以证明，方程组（4）的系数矩阵是一个对称正定矩阵，故存在唯一解。从式（4）中解出 (k=0,1,…，n)，从而可得多项式
(5)
可以证明，式（5）中的 满足式（1），即 为所求的拟合多项式。我们把 称为最小二乘拟合多项式 的平方误差，记作
i
0
1
2
3
4
5
6
(℃)
19.1
25.0
30.1
36.0
40.0
45.1
50.0
76.30
77.8
79.25
80.8
82.35
83.9
85.1
解 画出散点图（图6-2），可见测得的数据接近一条直线，故取n=1，拟合函数为
列表如下
i
0
19.1
76.30
364.81
1457.330
1
25.0
77.80
625.00