最小二乘法及其应用概要
高中数学中的最小二乘法及其应用
高中数学中的最小二乘法及其应用在高中数学学习中，最小二乘法是一个不可避免的话题。
最小二乘法是一种最小化误差平方和的方法，常用于解决拟合问题。
虽然在高中阶段，我们只学习了最小二乘法的基本概念和简单应用，但这个方法在现代科技中有着广泛的应用，比如在统计学、物理学、金融学和计算机科学等方面均有重要作用。
定义和基本概念首先，让我们来看看最小二乘法的基本定义和概念。
在数学上，最小二乘法是指通过最小化误差平方和来拟合数据的一种方法。
这个方法的主要思想是通过多项式或其他数学函数的组合来估算实验或经验数据中的未知参数。
当测量值的数量大于未知参数的数量时，通常使用最小二乘法进行拟合。
具体来说，假设数据集中包含n个数据点，每个数据点都有一个x坐标和一个y坐标。
我们试图寻找一条曲线f(x)，使得所有的数据点到曲线上的对应点的误差平方和最小。
换句话说，我们要找到最小化S的值：S = Σ(yi - f(xi))^2其中yi是第i个数据点的纵坐标，f(xi)是曲线在第i个数据点处的函数值。
应用举例在高中数学理解最小二乘法的应用时，我们通常以拟合直线为例子。
需要强调的是，在实际应用中，最小二乘法不仅可以用于拟合直线，还可以用于拟合多项式、三角函数、指数函数等。
最小二乘法的应用不仅仅局限于数学领域，它在实际生活中的应用非常广泛。
以下几个具体例子可以帮助我们更好地理解它的应用。
1.股票价格预测股票价格的变化是一个非常复杂的问题，涉及到众多因素。
投资者在预测股票价格时，通常会使用历史数据分析出一个预测模型。
这个模型可能是一个多项式、三角函数、指数函数，或者其他足以概括复杂性的表达式。
最小二乘法可以被用来确定这个模型的参数值，使得它能够最好地拟合历史数据，并预测未来的价格。
2.医学数据分析医学研究涉及到大量的数据收集和分析。
例如，在药物试验中，研究人员需要分析每个病人的生理数据，比如病人的血压、血糖、体重等。
最小二乘法可以帮助研究人员确定这些数据之间的关系，以便更好地理解病人的状况和早期预测病情。
最小二乘法及其应用研究
最小二乘法及其应用研究最小二乘法是一种常用的数据分析方法，它的应用非常广泛，被用于解决很多实际问题。
本文将从什么是最小二乘法到最小二乘法的应用进行详细的阐述。
一、什么是最小二乘法最小二乘法是一种用于拟合数据的方法，它可以帮助我们找到一条曲线或者直线，在这条曲线或者直线上所有数据的误差最小。
假设我们有一些数据点，我们想要用一条直线来描述这些数据点的分布规律，那么最小二乘法就可以帮助我们找到一条直线，使得这些数据点到这条直线的距离最小。
二、最小二乘法的应用最小二乘法的应用非常广泛，下面我们将分别从几个方面来介绍：1. 拟合数据最小二乘法可以用于拟合各种类型的数据，比如直线、曲线、多项式等等。
例如，我们可以用最小二乘法来拟合一条直线，从而得到这些数据点的趋势。
2. 预测结果最小二乘法不仅可以用于拟合数据，同时还可以用于预测结果。
例如，我们可以用最小二乘法来预测一些未来的数据趋势。
3. 优化算法最小二乘法还可以用于优化算法。
例如，在机器学习中，最小二乘法可以用于优化线性回归算法，从而得到更加准确的预测结果。
4. 数据处理最小二乘法还可以用于数据处理。
例如，我们可以用最小二乘法来处理某些特殊类型的数据，从而得到更加准确的结果。
三、最小二乘法的优缺点最小二乘法虽然有很多应用，但是它也有一些缺点，下面我们将介绍一下最小二乘法的优缺点：优点：1. 算法简单，易于实现2. 可以处理大部分数据类型3. 在处理异常数据时有一定的容错能力缺点：1. 当数据量较大时，计算量也会变得很大2. 在处理异常数据时容易产生误差3. 对数据类型有一定的限制四、总结最小二乘法是一种非常有用的数据分析方法。
它的应用非常广泛，被用于解决众多实际问题。
然而，我们也不能够完全依赖最小二乘法。
我们需要根据具体情况，选择合适的数据分析方法，从而得到更加准确的结果。
最小二乘法概述
最小二乘法一、简介最小二乘法，又称最小平方法，是一种数学技术。
它通过最小误差的平方和寻找数据函数的最佳匹配。
最小二乘法是提供“观测组合”的主要工具之一，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bx a y +=，对其进行)2(>n n 次观测而获得n 对数据。
若将这n 对数据代入方程求解a ,b 之值则无确定解。
最小二乘法提供了一个求解方法,其基本思想就是寻找“最接近”这n 个观测点的直线。
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。
作为其进一步发展或纠正其不足而采取的对策，不少近现代的数理统计学分支也是在最小二乘法基础上衍生出来的。
最小二乘法之于数理统计学，有如微积分之于数学，这并非夸张之辞。
统计学应用的几个分支如相关分析、回归分析、方差分析和线性模型理论等，其关键都在于最小二乘法的应用不少现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，如回归分析中一系列修正最小二乘法而产生的估计方法等就是最好的例子。
二、创立思想勒让德在先驱者解线性方程组的基础上，以整体的思想方法创立了最小二乘法；高斯由寻找随机误差函数为突破，以独特的概率思想导出了正态分布，详尽地阐述了最小二乘法的理论依据。
最小二乘法(OLSE)的思想就是要使得观测点和估计点的距离平方和达到最小，在各方程的误差之间建立一种平衡，从而防止某一极端误差，对决定参数的估计值取得支配地位，有助于揭示系统的更接近真实的状态。
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。
三、原理设一组数据(,)i i x y (1,2,,)i n = ,现用近似曲线)(x y ϕ=拟合这组数据,“拟合得最好”的标准是所选择的()x ϕ在i x 处的函数值()i x ϕ(1,2,,)i n = 与i y (1,2,,)i n = 相差很小,即偏差（也称残差）()i i x y ϕ-(1,2,,)i n = 都很小.一种方法是使偏差之和()1ni i i x y ϕ=⎡⎤⎣⎦∑－很小来保证每个偏差都很小.但偏差有正有负,在求和的时候可能相互抵消.为了避免这种情况,还可使偏差的绝对值之和()1||ni i i x y ϕ=-∑为最小.但这个式子中有绝对值符号,不便于分析讨论.由于任何实数的平方都是正数或零,因而我们可选择使“偏差平方和21ni i i x y ϕ=-∑［（）］最小”的原则来保证每个偏差的绝对值都很小,从而得到最佳拟合曲线y =()x ϕ.这种“偏差平方和最小”的原则称为最小二乘原则,而按最小二乘法原则拟合曲线的方法称为最小二乘法或称最小二乘曲线拟合法.一般而言,所求得的拟合函数可以使不同的函数类,拟合曲线()x ϕ都是由m 个线性无关函数()1x ϕ,()2x ϕ ,…, ()m x ϕ的线性组合而成,即()()()()1122m m x a x a x a x ϕϕϕϕ=+++…)1(-<n m ,其中1a ，2a ，…，m a 为待定系数.线性无关函数()1x ϕ,()2x ϕ ,…()m x ϕ,称为基函数,常用的基函数有: 多项式：1,x , 2x ,…,m x ;三角函数： sin x ,sin 2x ,…,sin mx ;指数函数：x x x m e e e λλλ,,,21 ,x λ２ｅ,…,x λｍｅ.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,只要求所得的近似曲线能反映数据的基本趋势,它的实质是离散情况下的最小平方逼近.四、运用曲线拟合做最小二乘法 1 一元线性拟合已知实测到的一组数据(,)i i x y (1,2,,)i n = ,求作这组数据所成的一元线性关系式.设线性关系式为y a bx =+,求出a 和b 即可.法一：即要满足则）（令,0,0,,12=∂∂=∂∂--=∑=bsa sb a bx a y s ni i i ,则,a b 要满足s a ∂∂＝0,sb∂∂＝0.即 11()()ni i i n i i ii sy a bx a s y a bx x b==∂⎧--⎪⎪∂⎨∂⎪--⎪∂⎩∑∑＝－2＝0＝－2＝0化简得112111n n i i i i nn ni i i i i i i b a x y n n a x b x x y =====⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩∑∑∑∑∑１＋＝＋＝ 从中解出1112211111n n n i i i ii i i n n i i i i n n i ii i n x y x yb n x x b a y x n n =======⎧⎪⎪⎪⎛⎫ ⎪⎨⎝⎭⎪⎪⎪⎩∑∑∑∑∑∑∑－＝－＝－ （1） 法二：将i x ,i y 代入y a bx =+得矛盾方程组1122n y a bx y a bx y a bx n=+⎧⎪=+⎪⎨⎪⎪=+⎩ (2) 令A =12111n x x x ⎛⎫ ⎪⎪ ⎪ ⎪⎝⎭ ,B =12n y y y ⎛⎫⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭,则（2）式可写成b B A a ⎛=⎫⎪⎝⎭,则对应的正规方程组为TTa b A B A A ⎛=⎫ ⎪⎝⎭,所以a b ⎛⎫ ⎪⎝⎭=1()T TA A AB -,其中A 称为结构矩阵,B 称为数据矩阵,T A A 称为信息矩阵,TA B 称为常数矩阵.2 多元线性拟合设变量y 与n 个变量1x ,2x ,…,n x （1n ≥）内在联系是线性的,即有如下关系式∑=+=nj j j x a a y 10,设j x 的第i 次测量值为ij x ,对应的函数值为i y (1,2,,)i m = ,则偏差平方和为s ='220111()()mm ni i i i ij i i j y y y a a x ===-=--∑∑∑,为了使s 取最小值得正规方程组011001111011202020m n i j ij i j m n i j ij i i j m n i j ij in i j ns y a a x a s y a a x x a s y a a x x a ======⎧∂⎛⎫=---=⎪ ⎪∂⎝⎭⎪⎪∂⎛⎫=---=⎪⎪∂⎨⎝⎭⎪⎪⎪∂⎛⎫=---=⎪ ⎪∂⎝⎭⎩∑∑∑∑∑∑ （3） 即011101111n m mij j i j i i mn m mik ij ik jik i i j i i ma x a y x a x x a x y =======⎧⎛⎫+= ⎪⎪⎝⎭⎪⎨⎛⎫⎪+= ⎪⎪⎝⎭⎩∑∑∑∑∑∑∑1,2,,k n = . （4） 将实验数据(,)i i x y 代入（4）式,即得m a a a ,,,10 .3 指数函数拟合科学实验得到一组数据(,)i i x y (1,2,,)i n = 时,还可以考虑用指数函数为基函数来拟合,此时设拟合函数具有形式bxy ae =（,a b 为待定系数）.对上式两端取自然对数可得：ln ln y a bx =+ （9）令Y =ln y ,0ln b a =,则（9）式可转化为一元线性函数形式0Y b bx =+,此时将指数函数拟合转化成了一元线性拟合,利用一元线性拟合中的两种方法均可求出0b 和b ,继而根据0b a e =可求出a ,从而得出因变量y 与自变量x 之间的函数关系式0b bx bx y ae e +==4 对数函数拟合科学实验得到一组数据(,)i i x y (1,2,,)i n = 时,还可以考虑用对数函数为基函数来拟合,此时设拟合函数具有形式ln y a b x =+(0)x >（,a b 为待定系数）.0b >时,y 随x 增大而增大,先快后慢;0b <时,y 随x 增大而减小,先快后慢.当以y 和ln x 绘制的散点图呈直线趋势时,可考虑采用对数函数描述y 与x 之间的非线性关系,式中的b 和a 分别为斜率和截距.这时令X =ln x ,就可以利用一元线性拟合的方法来求解.更一般的对数函数还可设为y =()ln a b x k ++,式中k 为一常量.五 举例例1 使电流通过2Ω的电阻,用伏特表测量电阻两端的电压V .测得数据如下表：t I /A1 2 4 6 8 10 t V /V1.83.78.212.015.820.2试用最小二乘法建立I 与V 之间的一元经验公式（有效数字保留到小数点后第3位）. 解：可取一次线性关系式V a bI =+作为I 与V 之间的一元经验公式. 将数据代入得矛盾方程组1.82 3.748.2612.0815.81020.2a b a b a b a b a b a b +=⎧⎪+=⎪⎪+=⎨+=⎪⎪+=⎪+=⎩ 令1112141618110A ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭, 1.83.78.212.015.820.2B ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭,则上述矛盾方程组可写成矩阵形式0a A B b ⎛⎫-= ⎪⎝⎭由此得出其正规方程组0T T a A A A B b ⎛⎫-= ⎪⎝⎭,将数据代入即得63161.7031221442.4a b ⎛⎫⎛⎫⎛⎫-= ⎪⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭,解之得0.212.032a b =-⎧⎨=⎩,故所求经验公式为0.2152.V I =-+. 例 2 在在开发一种抗过敏性的新药时,要对不同剂量的药效进行实验.10名患者各服用了该新药的一个特定的剂量.药物消失时立即纪录.观测值列于下表中.x 是剂量,y 是症状消除持续的日数.用7个不同的剂量, 其中3个剂量重复给两名患者.试给出y 与x 之间的一元经验公式(保留3位有效数字).1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ∑ /i x mg334566788959/i y d9 5 12 9 14 16 22 18 24 22 1512i x 9 9 16 25 36 36 49 64 64 81 389i i x y271548458496154144192198 1003解：可设y 与x 之间的经验公式为y a bx =+. 由上表可知,101i i x =∑59=,101i i y =∑151=,101i i i x y =∑1003=,1021i i x =∑389=,2101i i x =⎛⎫ ⎪⎝⎭∑3481= 再由（1）式可求得,1010101112101021110101003591512.7410389348110i i i ii i i i i i i x y x y b x x =====-⨯-⨯===⨯-⎛⎫- ⎪⎝⎭∑∑∑∑∑10101111 2.7415159 1.0710101010i i i i b a y x ===-=⨯-⨯=-∑∑所以y 与x 之间的经验公式为 1.07 2.74y x =-+.最小二乘法能将从实验中得出的一大堆看上去杂乱无章的数据中找出一定的规律，拟合成一条曲线来反映所给数据特点。
最小二乘法的原理及在建模中的应用分析
最小二乘法的原理及在建模中的应用分析最小二乘法（least squares method）是一种数学优化方法，用于解决线性回归和非线性回归问题，通过求取使得误差平方和最小化的参数估计值。
它的原理是寻找一条最佳拟合曲线或平面，使得观测值与拟合值之间的误差最小。
在线性回归问题中，最小二乘法可以用来估计回归模型的参数。
假设我们有n个样本点{(x1, y1), (x2, y2), ..., (xn, yn)}，其中yi是对应的观测值，我们想要找到一个线性模型y = ax + b，使得拟合值与观测值之间的误差最小。
这个问题可以通过最小化误差平方和来求解。
误差平方和定义为E(a, b) = Σ(yi - (axi + b))^2，我们需要找到使得E(a, b)最小的a和b。
∂E/∂a = -2Σ(xi(yi - (axi + b))) = 0∂E/∂b = -2Σ(yi - (axi + b)) = 0将上述方程进行化简，可以得到如下的正规方程组：Σ(xi^2)a + Σ(xi)b = Σ(xi yi)Σ(xi)a + nb = Σ(yi)解这个方程组，可以得到最小二乘估计的参数值。
1.线性回归分析：最小二乘法可以用于估计线性回归模型的参数。
通过最小二乘估计，可以得到最佳拟合直线，并用这条直线来预测因变量。
2.时间序列分析：最小二乘法可以用于拟合时间序列模型。
通过寻找最佳拟合函数，可以识别出序列中的趋势和周期性变化。
3.统计数据处理：最小二乘法可以用于数据平滑和滤波处理。
通过拟合一个平滑曲线，可以去除数据中的噪声和不规则波动，从而提取出数据中的趋势信息。
4.多项式拟合：最小二乘法可以用于多项式拟合。
通过最小二乘估计，可以拟合出多项式函数，将其用于数据拟合和函数逼近。
5.曲线拟合：最小二乘法可以用于非线性曲线拟合。
通过选择合适的函数形式，并通过最小二乘估计求解参数，可以拟合出复杂的非线性曲线。
总之，最小二乘法是一种常用的参数估计方法，可以用于线性回归、非线性拟合、时间序列分析等多种建模问题。
最小二乘法的原理及其应用
最小二乘法的原理及其应用1. 最小二乘法的原理最小二乘法是一种常用的数学优化方法，其原理是通过最小化残差平方和来寻找数据的最佳拟合线或曲线。
当数据存在随机误差时，最小二乘法可以有效地估计模型参数。
最小二乘法的基本原理可以概括为以下几个步骤：1.首先，假设模型的形式，如线性模型：y=mx+b。
2.然后，定义一个衡量模型拟合程度的误差函数，通常采用残差的平方和：$E(m, b) = \\sum_{i=1}^{n} (y_i - (mx_i + b))^2$。
3.接下来，根据最小二乘法的原理，我们需要通过对误差函数求偏导数，得出使误差函数最小化的模型参数。
4.最后，通过优化算法，如梯度下降法等，迭代地调整模型参数，使误差函数达到最小值，从而获得最佳拟合模型。
最小二乘法的原理非常简单和直观，因此被广泛应用于各个领域，如统计学、经济学、工程学等。
2. 最小二乘法的应用最小二乘法在实际问题中有着广泛的应用，下面将介绍其中的几个应用场景。
2.1 线性回归线性回归是最小二乘法最常见的应用之一。
在线性回归中，最小二乘法用于估计自变量与因变量之间的线性关系。
通过最小化残差平方和，我们可以找到一条最佳拟合直线，从而对未知的因变量进行预测。
线性回归广泛应用于经济学、社会学等领域，帮助研究者探索变量之间的相互关系。
2.2 曲线拟合最小二乘法还可以用于曲线拟合。
当我们需要拟合一个非线性模型时，可以通过最小二乘法来估计参数。
通过选择适当的模型形式和误差函数，可以得到最佳拟合曲线，从而准确地描述数据的变化趋势。
曲线拟合在信号处理、图像处理等领域具有重要的应用。
2.3 数据降维数据降维是指将高维度的数据转化为低维度表示，以便于可视化和分析。
最小二乘法可以用于主成分分析（PCA）等降维方法中。
通过寻找投影方向，使得在低维度空间中的数据点到其投影点的平均距离最小化，可以实现数据的有效降维。
2.4 系统辨识在控制工程中，最小二乘法经常被用于系统辨识。
最小二乘法分类
最小二乘法分类最小二乘法（Least Squares Method）是一种常用的参数估计方法，用于寻找一个函数模型的最佳拟合参数，使得模型的预测值与观测值的残差平方和最小化。
这种方法最早由高斯提出，并被广泛应用于统计学和计算机科学等领域。
本文将介绍最小二乘法的基本原理、应用场景以及相关的算法和评估指标。
一、基本原理：最小二乘法用于求解形如y = f(x;θ) 的函数模型的参数θ，其中y是观测值，x是自变量，f是函数模型。
最小二乘法的目标是找到最佳的参数θ，使得模型的预测值与实际观测值之间的残差平方和最小化。
具体步骤如下：1. 定义函数模型：根据具体问题，选择适当的函数模型，如线性模型、多项式模型、指数模型等。
2. 表达目标函数：根据函数模型和参数θ，将目标函数表达为关于θ的函数形式。
3. 定义损失函数：通常采用残差的平方和作为损失函数，即Loss = Σ(y_i - f(x_i;θ))^2 。
4. 求解参数θ：通过最小化损失函数，即求解使得∂Loss/∂θ = 0 的参数θ。
5. 参数估计：根据求解得到的参数θ，即可获得最佳的函数模型。
二、应用场景：最小二乘法在各个领域都有广泛的应用，以下是一些常见的应用场景：1. 线性回归：最小二乘法用于拟合线性回归模型，求解自变量与因变量之间的关系。
2. 特征选择：最小二乘法可用于特征选择，筛选对目标变量影响最大的特征。
3. 数据压缩：通过最小二乘法可以估计出一个低维子空间，将高维数据进行压缩。
4. 图像处理：最小二乘法可用于图像去噪、图像恢复等问题，如使用低秩矩阵模型对图像进行恢复。
5. 信号处理：最小二乘法可用于信号滤波、信号恢复等问题，如基于 DCT 的音频和图像压缩。
三、算法与评估指标：1. 最小二乘法的数值解：在实际应用中，最小二乘法的数值解可以通过各种数值优化算法来求解，包括梯度下降法、牛顿法、共轭梯度法等。
2. 算法评估指标：常用的评估指标包括残差平方和（Residual Sum of Squares, RSS）、均方误差（Mean Square Error, MSE）以及决定系数（Coefficient of Determination, R^2）等。
最小二乘法的应用及原理解析
最小二乘法的应用及原理解析最小二乘法，英文称为 Least Squares Method，是一种经典的数学优化技术，广泛应用于数据拟合、信号处理、机器学习、统计分析等领域。
本文将从应用角度出发，介绍最小二乘法的基本原理、优缺点以及实际应用中的具体操作流程。
一、最小二乘法的基本原理最小二乘法的基本思路是：已知一组样本数据（x1,y1），(x2,y2)，...(xn,yn)，要求找到一条曲线（如直线、多项式等），使得该曲线与样本数据的误差平方和最小。
其数学表示式为：$min {\sum_{i=1}^{n}(y_i-\hat{y}_i)^2}$其中，$\hat{y}_i$是曲线在$x_i$处的预测值，代表曲线对样本数据的拟合程度。
显然，当误差平方和最小时，该曲线与样本数据的拟合效果最好，也就是最小二乘法的优化目标。
最小二乘法的求解方法有多种，比较常用的有矩阵求导法、正规方程法、QR分解法等。
这里以正规方程法为例进行介绍。
正规方程法的思路是：将目标函数中的误差平方和展开，取它的一阶导数为零，求得最优解的系数矩阵。
具体过程如下：1.将样本数据表示为矩阵形式，即 $X=[1,x_1,x_2,...,x_n]^T$。
2.构建方程组 $X^TX\beta=X^TY$，其中$\beta=[\beta_0,\beta_1,...,\beta_p]$是待求系数矩阵。
3.求解方程组，得到最优解的系数矩阵 $\beta$。
最小二乘法的优点是：对于线性问题，最小二乘法是一种解析解，可以求得精确解。
同时，最小二乘法易于理解、简单易用，可以快速拟合实际数据，避免过度拟合和欠拟合。
二、最小二乘法的优缺点最小二乘法虽然有很好的拟合效果，但是也存在一些不足之处：1.对异常值敏感。
最小二乘法基于误差平方和的最小化，如果样本中存在离群值或噪声，会对最终结果产生较大影响，导致拟合结果不准确。
2.对线性假设敏感。
最小二乘法只适用于线性问题，如果样本数据的真实规律是非线性的，则拟合效果会大打折扣。
最小二乘法的原理及其应用
最小二乘法的原理及其应用一、研究背景在科学研究中，为了揭示某些相关量之间的关系，找出其规律，往往需要做数据拟合，其常用方法一般有传统的插值法、最佳一致逼近多项式、最佳平方逼近、最小二乘拟合、三角函数逼近、帕德（Pade）逼近等，以及现代的神经网络逼近、模糊逼近、支持向量机函数逼近、小波理论等。
其中，最小二乘法是一种最基本、最重要的计算技巧与方法。
它在建模中有着广泛的应用，用这一理论解决讨论问题简明、清晰，特别在大量数据分析的研究中具有十分重要的作用和地位。
随着最小二乘理论不断的完善，其基本理论与应用已经成为一个不容忽视的研究课题。
本文着重讨论最小二乘法在化学生产以及系统识别中的应用。
二、最小二乘法的原理人们对由某一变量t或多个变量t1…..tn 构成的相关变量y感兴趣。
如弹簧的形变与所用的力相关，一个企业的盈利与其营业额，投资收益和原始资本有关。
为了得到这些变量同y之间的关系，便用不相关变量去构建y，使用如下函数模型,q个相关变量或p个附加的相关变量去拟和。
通常人们将一个可能的、对不相关变量t的构成都无困难的函数类型充作函数模型（如抛物线函数或指数函数）。
参数x是为了使所选择的函数模型同观测值y相匹配。
（如在测量弹簧形变时，必须将所用的力与弹簧的膨胀系数联系起来）。
其目标是合适地选择参数，使函数模型最好的拟合观测值。
一般情况下，观测值远多于所选择的参数。
其次的问题是怎样判断不同拟合的质量。
高斯和勒让德的方法是，假设测量误差的平均值为0。
令每一个测量误差对应一个变量并与其它测量误差不相关（随机无关）。
人们假设，在测量误差中绝对不含系统误差，它们应该是纯偶然误差，围绕真值波动。
除此之外，测量误差符合正态分布，这保证了偏差值在最后的结果y上忽略不计。
确定拟合的标准应该被重视，并小心选择，较大误差的测量值应被赋予较小的权。
并建立如下规则：被选择的参数，应该使算出的函数曲线与观测值之差的平方和最小。
用函数表示为：用欧几里得度量表达为：最小化问题的精度，依赖于所选择的函数模型。
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T T
（3-2-3）
利用式（3-2-1）和（3-2-2）可以立即得到
x g 2 A Ax 2 A b 0
T T
A Ax A b
T T
（3-2-4）
这就是书中例2-4-1中所得到的法方程 若使用配方法，则有：
g ( x) x A Ax 2b Ax b b
k 1 2
为了能用求导法求此泛函的极小值，将它 表为
f (a1 , a2 ) ( x ak ek , x am em )
k 1 k 1 2 || x ||2 2 ak ck ak k 1 k 1
其中 ck ( x, ek )。于是最优的 a1 , a2 , 满足 f 即 2cm am 0, 或 am cm ，m=1,2
第三章 最小二乘法及其应用
3-1 最小二乘法的三种形式
最小二乘法是求解最优化问题的一 种有效而方便的方法。信号处理中有许 多问题可归结为最优化问题，因此最小 二乘法是信号处理的重要工具之一。 希尔伯特空间中线性逼近问题的求 解方法称为最小二乘法。通常它有三种 不同的表现形式：投影法、求导法和配 方法。下面来分别说明。
T T T T
( AT Ax AT b)T ( AT A) 1 ( AT Ax AT b) b b b A( A A) A b
T T T T 1
min AT Ax AT b
可以看出，
gmin bT b bT A( AT A)1 AT b
本例中介绍的两个向量求导公式中， 提到了对于向量x求导的梯度算符 x ,我 们还可以引入对矩阵 A a 求导的梯度算 符 A ：
x2
xn
图3-e2 , } 为X 设X为希尔伯特空间， 中一组归一化正交元素，x为X中的某一 元素。在子空间 M span{e1 , e2 , } 中求 一元素m。使得
|| x m0 || min || x m ||
mM
（3-1-1）
由于M中元素可表为 e1 , e2 , 的线性组合， 问题转化成为求 a1 , a，使得 2,
|| x || c ( ak ck ) 2
2 k 1 2 k k 1
min ak ck ,
k 1, 2
（3-1-5）
以上三种方法都称为最小二乘法。在 实际应用中，他们各有各的优势和缺陷， 我们并不能通过简单的比较来说明他们谁 优谁劣，因为衡量一种方法好坏的标准是 多方面的。因此，在不同的场合根据不同 的需要和可能，灵活选择和使用合适的方 法，是掌握最小二乘法的关键。
i , j 1 T a x x x Ax ij i j n
（3-2-6）
由于
f xi x j ，故 aij
T A ( xT Ax) x x xx i j i , j 1,...,n
（3-2-7）
在课本中，给出了一些常用的向量-矩 阵求导公式，在实际应用中可供大家查阅。
g ( x) ( Ax b) ( Ax b) x A Ax 2b Ax b b
T T T T T
下面先给出两个需要用到的向量求导公式：
x (b x) x ( x b)
T T
T
（3-2-1）
x ( x Ax) 2 Ax, 其中A为对称阵（3-2-2）
当A不时对称阵时，式（3-2-10）应该为
ij
a 11 A an1
a12
an 2
a1n ann
（3-2-5）
需要说明的是，算符 A 只有作用在关于 aij 的标量函数上才有意义。例如对于二次型
f (a11 , a12 , ann )
3-2 向量-矩阵求导及配方法
利用令导数等于零来求函数的极值 是一种方便的方法。但是对于多元函数， 有时由于变元太多而使表达式相当繁复， 为此，本节介绍用向量-矩阵的形式来简 化求导过程。 下面举例个例子来具体说明。 例3-2-1 求矛盾方程组Ax=b的最小二乘 解（可参阅第二章的相关例题）
解：求Ax=b的最小二乘解就是求 2 g ( x) || Ax b || 的极小点。由于
( x, em )=( a k ek , em )=a m
ak (x,ek )
ck
（3-1-4）
时，式(3-1-2)成立。
这种求解方法称为投影法，它是最小 二乘法的第一种表现形式。第二种方法是 求导法，仍以上面的问题为例来说明。记 泛函
f (a1 , a2 ) || x ak ek ||
|| x ak ek ||=min
k 1
（3-1-2）
第二章中的投影定理指出了最优系 数 a1 , a2 , 应满足
x ak ek em , m 1, 2,
k 1
（3-1-3）
由此即得 。也就 k=1 是说，当且仅当 ak 取为x关于归一化正 交系 {e1 , e2 , } 的傅立叶系数
am =0 m=1,2,
应
下面再用第三种方法即配方法来求解：
f (a1 , a2
2 ) || x ||2 2 ak ck ak k 1 k 1 2 k 2 || x || c c 2 ak ck ak 2 k 1 2 k k 1 k 1 k 1
3-3 应用举例
3-3-1 系统辨识 设有如图3-3-1所示的系统T。当输入n 个数据 x1 , x2 , , xn 时，输出为y，且有下列 线性关系：
y a1 x1 a2 x2
an xn
（3-3-1）
其中 a1 , a2 an为未知，需要通过对输入输 出的观测值来确定这组参数。
现设进行了m次观测，观测值为 x1 (k ), x2 (k ), xn (k ) 和 y(k ), k 1, 2, m