曲线拟合的应用共25页
曲线拟合PPT演示文稿
1
第四讲主要知识点
1、曲线拟合的概念 2、曲线拟和的方法 3、解矛盾方程组
2
函数插值问题回忆
• 设已知某个函数关系y f (x) 在某些离散点上的函数值：
x x0 x1 y y0 y1
x n 1 x n y n 1 y n
• 插值问题：根据这些已知数据来构造函数 y f (x)
合函数形式为 pm (x)a0a1xam xm (mn1) ， 求系数 a0*,a1*, ,am * ，使得
n
n
m
( a 0 ,a 1 , ,a m )[ y i p m ( x i) ] 2 [ y ia k x ik ] 2
p m * (x ) i 1 a 0 * a 1 * x a m * x i m 0
15
拟合例题
例2 有一滑轮组，要举起W公斤的重物需要用 F公斤的力，实验所得的数据如下表。
求适合上述关系的近似公式。
16
拟合例题
解 首先，将这些数据画在直角坐标系中，从图形上 看，数据点的分布大致呈一条直线，所以设所求
的拟合直线为 yabx ，
得关于a和b的线性方程组
17
其他类拟合问题
最小二乘法并不只限于多项式，也可用于任 何具体给出的函数形式。特别重要的是有些非线 性最小二乘拟合问题通过适当的变换可以转化为 线性最小二乘问题求解。
确定a和b取何值时，二元函数
的值最小?
N
Q(a,b) [yi (abxi)]2 i1
11
直线拟合
由微积分的知识可知，这一问题的求解， 可归结为求二元函数
Q (a, b) 的极值问题，即 a 和 b
应满足：
12
直线拟合
数据插值与拟合讲课文档
（3）三次样条插值
第十页，共25页。
2、曲线拟合的最小二乘法
给定平面上的点
进行曲线拟合有多种方法，最小二乘法是解决曲线拟合最常 用的一种方法 最小二乘法的原理是求f(x),使
达到最小 简单地说，最小二乘法准则就是使所有散点到曲线的距离平 方和最小
第十一页，共25页。
线性最小二乘法
第十六页，共25页。
例2 气旋变化情况的可视化
下表是气象学家测量得到的气象资料，它们分别表示在南半球地时 按不同纬度。不同月份的平均气旋数字．根据这些数据，绘制出气 旋分布曲面图形
第十七页，共25页。
y=5:10:85;x=1:12;
[x,y]=meshgrid(x,y); plot(x,y,'*'); pause
第十三页，共25页。
y iinetr1(p x,y,x,i'met')hod
表示采用的插值方法 MATLAB提供的插值方法有几种
：分段线性插值
' p c h ip ' ：三次Hermite插值（立方插值）
：三次分段样条插值
'nearest ' ：最近点等值方式
缺省时表示线性插值
第十四页，共25页。
第三页，共25页。
一、实例及其模型
1、船在该海域会搁浅吗 在某海域测得一些点(x，y)处的水深z（单位：英尺）由下表给 出，水深数据是在低潮时测得的．船的吃水深度为5英尺，问 在矩形区域(75,200)*(-50，150）里的哪些地方船要避免进人．
第四页，共25页。
分析 由于测量点是散乱分布的，先在平面上作出测量点的分布 图，再利用二维插值方法补充一些点的水深，然后作出海 底曲面图和等高线图，并求出水深小于5的海域范围．
第七章 曲线拟合(xin)
:
i 1
返回
前进
对于给定的一组数据(xi,yi)(i =1,2,…,n)，求一多项式(m < n)
Pm ( x) a0 a1 x am x m (6 - 1)
二、多项式拟合
使 n r 2 n (P (x ) y ) 2 i 得 i m i i 1 i 1
n i 1
返回
前进
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 2 4 6 8 10 12
返回
前进
从上图中可以看出强度与拉伸倍数大致成线 形关系，可用一条直线来表示两者之间的关系
解：设 y*=a+bxi ，令δ=yi-y*i=yi-a-bxi， 这里求误差的平方和达到最小，也就是求
(a, b) i ( y a b xi )
i xi yi
1 2 1.1
2 4 2.8
3 6 4.9
4 前进 8 7.2
常用的准则有以下三种： ri = yi yi*=yi （1）使偏差的绝对值 n ri min， ri 为向量r的1一范数 之和最小，即: 0i i
返回
例1（续）
前进 a0a1xi
（2）使偏差的最大绝对 值达到最小，即:
F (a0 , a1 ,, a m ) 为最小，即选取参数
aj(j =0,1,…,m)使得 :
n i 1
其中Φ为不超过m次多项式的集合。这就是数据的多项 式拟合，Pm(x)称为这组数据的m次拟合多项式。 与求解矛盾线性方程组的最小二乘法的方法相同，由多 n m 元函数求极值的必 F a k xik yi xij 0 2 ( j 0,1, , m) 要条件，得方程组 : a j i 1 k 0
曲线拟合和数据分析的方法和应用
曲线拟合和数据分析的方法和应用数据分析在今天的社会中变得日益重要，它是一种广泛使用于各种领域的方法和技术。
曲线拟合是数据分析中一个非常重要的过程。
它的目的是寻找一个数学模型来描述已知数据的关系。
在此基础上，分析师们便能够做出精确的预测，并利用这些预测来制定采取行动的决策。
曲线拟合的意义曲线拟合通常用于解决如下几个问题。
第一，它能帮助分析师找到影响特定数据变量的因素。
举个例子，假设一家公司正在研究他们的销售数据，并希望找到销售量的变化趋势。
曲线拟合可以帮助分析师很轻易地找到这些趋势，通常会得到一条线或者其他函数类似的数学模型，描述销售量随着时间，季节等因素的变化趋势。
其次，曲线拟合可以用来预测未来值，这是非常有用的，可以使分析师作出更好的决策。
例如，一家零售商正在考虑增加产品种类。
通过曲线拟合，他们可以预测新产品的销售量，并评估是否值得加入。
常用的拟合方法常用的曲线拟合方法包括线性回归、多项式回归、非线性回归、指数回归等。
其中最基本的方法是线性回归。
线性回归是一种基于最小二乘法的统计分析方法，它可以用于确定两个变量之间的线性关系。
它的数学原理比较简单，但它通常是在初步探索数据时最先使用的拟合方法。
多项式回归是一种广泛使用的非线性拟合方法，它可以用于描述两个或多个变量之间的非线性关系。
相比于线性回归，多项式回归可以更准确地适应比较复杂的数据拟合任务。
非线性回归是一种更加复杂的回归方法，它可以用于描述不可线性的数据关系。
它常常被用于描述生物学、化学以及工程领域的数据。
应用实例曲线拟合的应用是非常广泛的。
在医学领域，曲线拟合可以用来描述药物治疗对患者身体健康的影响，便于医生做出更精确的诊断和治疗决策。
在环境监测中，曲线拟合可以用来预测二氧化碳浓度或其他污染物质量的数量，并进而制定相关的环境保护政策。
在金融分析中，曲线拟合可以用来预测股票或股票指数的价格，帮助投资者制定投资决策。
此外，在工业生产中，曲线拟合可以用于优化工艺参数，提高生产效率。
曲线拟合-PPT精选文档
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15.77 18.01 19.75 21.16 22.36
0.1017
0.0053 0.0361 1.0921 0.0563 0.0566
1.6
23.8
0.4700
0.2209 566.44
4.1078 2671.63
54 50 45 37 35 25 20 16 18 13
4.双曲形式关系
6.多项式形式关系
(一) 指数关系曲线
ˆ ae y
两种形式：
y
bx
ˆ ab y
x
a >0,b>0
a >0,b<0
0
x
当a>0，b>0时，Y随x的↑而↑，曲线凹向上； 当a>0，b<0时，Y随x的↑而↓，曲线也是凹向上。
(二) 对数关系曲线
方程为:
y
ˆ y a b ln x
(五) S型曲线 • S型曲线由于其曲线形状与动、植物的生长过程的 基本特点类似，故又称生长曲线，曲线一开始时 增长较慢，而在以后的某一范围内迅速增长，达 到一定的限度后增长又缓慢下来，曲线呈拉长 的”S”，故称S曲线 • 最著名的曲线是Logistic生长曲线，它最早由比利 时数学家 P.F.Vehulst 于 1838 年导出，但直至 20 世 纪 20 年代才被生物学家及统计学家 R.Pearl 和 L.J. Reed 重新发现，并逐渐被人们所发现。目前它已 广泛应用于多领域的模拟研究。
解决办法
曲线直线化估计(Curve estimation) 非 线 性 / 曲 线 回 归 (Nonlinear/curvilinear regression)
4-曲线拟合
• 拟合直线方程中的b可写为
b
Lxy Lxx
x i yi
1 ( xi )( yi ) m 1 2 xi ( xi )2 m
•与插值法比较 ① 离散数据点含有随机误差，拟合曲线不必通过所 有数据点，（插值多项式必须通过插值节点） ② 曲线拟合处理随机变量问题，允许一个自变量对 应多个不同的函数值；
• 插值法只适用于确定性变量问题，自变量与函数 值有确定的一一对应关系。 ③ 插值法一般不能外推
• 问题：
*
y
*
* * *
x
*
*
*
* * *
• 是否可拟合成直线？ • 得到的直线方程是否可用？ ＃
• 4.1.2 线性相关系数与显著性检验
拟合的方程能否使用（反映原函数关系），必须通 过检验 •以实验观测值的平均值为基准 • 实验值yi的离差为
第四章 曲线拟合
4 曲线拟合
• 插值法适用于处理确定性变量问题，即变 量与自变量有确定的函数关系。如数据表误 差大，插值法则不适合，应该用曲线拟合。
拟合：离散数据→连续光滑曲线
• 曲线拟合应用 1. 经验建模——通过观测数据寻找相关变量之 间的数学表达式 （能否举出所学化工课程中 的这种表达式或经验模型？） 2. 参数估值——数学关系或模型可从理论导出， 模型关系式中的参数由实验数据求取（如化 工热力学中的安托因方程、化学反应工程中 的阿累尼乌斯方程等）。 • 本节讨论：最小二乘法、一元线性拟合、显 著性检验、多元线性拟合 ＃
1、曲线拟合及其应用综述;doc
曲线拟合及其应用综述摘要：本文首先分析了曲线拟合方法的背景及在各个领域中的应用，然后详细介绍了曲线拟合方法的基本原理及实现方法，并结合一个具体实例，分析了曲线拟合方法在柴油机故障诊断中的应用，最后对全文内容进行了总结，并对曲线拟合方法的发展进行了思考和展望。
关键词：曲线拟合最小二乘法故障模式识别柴油机故障诊断1背景及应用在科学技术的许多领域中，常常需要根据实际测试所得到的一系列数据，求出它们的函数关系。
理论上讲，可以根据插值原则构造n 次多项式Pn(x)，使得Pn(x)在各测试点的数据正好通过实测点。
可是, 在一般情况下，我们为了尽量反映实际情况而采集了很多样点，造成了插值多项式Pn(x)的次数很高，这不仅增大了计算量，而且影响了函数的逼近程度；再就是由于插值多项式经过每一实测样点，这样就会保留测量误差，从而影响逼近函数的精度，不易反映实际的函数关系。
因此，我们一般根据已知实际测试样点，找出被测试量之间的函数关系，使得找出的近似函数曲线能够充分反映实际测试量之间的关系，这就是曲线拟合。
曲线拟合技术在图像处理、逆向工程、计算机辅助设计以及测试数据的处理显示及故障模式诊断等领域中都得到了广泛的应用。
2 基本原理2.1 曲线拟合的定义解决曲线拟合问题常用的方法有很多，总体上可以分为两大类：一类是有理论模型的曲线拟合，也就是由与数据的背景资料规律相适应的解析表达式约束的曲线拟合；另一类是无理论模型的曲线拟合，也就是由几何方法或神经网络的拓扑结构确定数据关系的曲线拟合。
2.2 曲线拟合的方法解决曲线拟合问题常用的方法有很多，总体上可以分为两大类：一类是有理论模型的曲线拟合，也就是由与数据的背景资料规律相适应的解析表达式约束的曲线拟合；另一类是无理论模型的曲线拟合，也就是由几何方法或神经网络的拓扑结构确定数据关系的曲线拟合。
2.2.1 有理论模型的曲线拟合有理论模型的曲线拟合适用于处理有一定背景资料、规律性较强的拟合问题。
曲线拟合最小二乘法ppt课件
这里
1( x), ,l ( x)
是线性无关函数系，
为待定常数.
i (i 1, 2, , l)
9
在例1中，设函数
1( x) 1, 2( x) x, 3( x) x2
误 n,
我们希望猜想的数学模型应尽量接近观测数据，
m
2 i
m
[s * ( xi )
f ( xi )]2
i0
i0
m
min
s( x)
[s(
i0
xi
)
f ( xi )]2.
11
（1）直线拟合
设已知数据点 xi , yi , i 1,2,, m ,分布大致为一
条直线。作拟合直线 y(x) a0 a1x ,该直线不是通
的方法称为曲线拟称合为“，残f(差x)”
1
x
x0 x1 x2 …… xn
y
y0
y1
y2
…… yn
y=p(x) y=f(x)
插值
2
求一条曲线,使数据点均在离此曲线的上方或下方不远处, 所求的曲线称为拟合曲线,它既能反映数据的总体分布,又 不至于出现局部较大的波动,更能反映被逼近函数的特性, 使求得的逼近函数与已知函数从总体上来说其偏差按某种 方法度量达到最小。
解得 a0 0.562302 , a1 0.772282
由 a0 ln a 得 a ea0 e0.562302 1.754708,
23
由a1 b 得 b a1 0.772282
于是得到拟合指数函数为 y 1.754708 e0.772282x
（4）超定方程组的最小二乘解
曲线拟合的应用
曲线拟合的应用摘要：在实际问题中，常常会从一组数据中筛选出对自己有用的部分，这样的问题可转化为寻找一种函数曲线去拟合这些数据，在解决这类问题的数据处理和误差分析中应用最广泛的是曲线拟合。
它不但可以提高数据处理效率，而且还能保证相当的精确度。
关键词：曲线拟合，最小二乘法，应用1.直线拟合直线拟合数据点(,)(1,2,)i i x y i n =的最小二乘法，即找一个一次函数y Ax B =+，使二元函数21(,)()ni i i E A B Ax B y ==+-∑达到最小。
由多元函数取得极值的必要条件知，由方程组：11(,)2()0(,)2()10ni i i i ni ii E A B x y x AE A B x y B==∂⎧=+-⋅=⎪∂⎪⎨∂⎪=+-⋅=⎪∂⎩∑∑ 化简可得正规方程组：211111()()()n n n i i i i i i i n ni i i i A x B x x y A x nB y=====⎧+=⎪⎪⎨⎪+=⎪⎩∑∑∑∑∑ （1-1）由方程组（1-1）解出,A B ，即得一次函数y Ax B =+为所求的拟合直线.2.幂函数拟合在某些情况下的拟合函数My Ax =，其中M 是一个已知常数 设}{1(,)ni i i x y =有n 个点，最小二乘幂函数拟合曲线My Ax =，求函数()E A 的最小值？21()()nMii i E A Axy ==-∑对上式求关于A 的导数： 1()2()()nM M ii i i E A Axy x ='=-⋅∑令导数等于0，化简得： 211()()0nn MM ii i i i A xx y ==-=∑∑121()nMii i n Mii xy A x===∑∑即：My Ax =为所求的拟合曲线。
3.指数拟合3.1 求解Ax y Ce =的非线性最小二乘法设给定一组点集(,)(1,2,)i i x y i n =，需要拟合指数曲线采用非线性最小二乘法求下式的最小值： 21(,)()inAx i i E A C Cey ==-∑（3.1-1） 对上式分别求关于的偏导数，并令导数等于011(,)2()()0(,)2()()0i ii i n Ax Ax i i i nAx Ax ii E A C Ce y Ce x AE A C Ce y e C ==∂⎧=-⋅=⎪∂⎪⎨∂⎪=-⋅=⎪∂⎩∑∑ （3.1-2） 化简可得正规方程组：211211()()0()()0i ii i n n Ax Ax i i i i i n nAx Ax i i i C x e x y e C e y e ====⎧-=⎪⎪⎨⎪-=⎪⎩∑∑∑∑ （3.1-3） 方程（3.1-3）对于未知数A 和C 是线性的，可用牛顿法求解。
第三章(曲线拟合)
y1 y0 a x1 x0 y1 y0 b y0 x0 x1 x0
第4章 插值法
代入式(4―3)得
y1 y0 P ( x1 x0 ) 1 ( x ) y0 x1 x0
《 计 算 方 法 》
(4―4)
图 4.1
第4章 插值法
A(x0,y0),B(x1,y1),C(x2,y2)的抛物线来近似地代替f(x),见图
4.2。
第4章 插值法
《 计 算 方 法 》
图 4.2
第4章 插值法
§3 代数多项式插值的存在唯一性
《 计 算 方 法 》
线性插值和二次插值都属于代数多项式插值。对 于一般的代数插值问题,就是寻求一个不高于n次的代数 多项式 Pn(x)=a0+a1x+a2x2+…+anxn (4―9)
现要构造一个二次函数
φ(x)=P2(x)=ax2+bx+c 近似地代替f(x),并满足插值原则(4―2)
《 计 算 方 法 》
(4―6) (4―7)
P2(xi)=yi, i=0,1,2,… 由(4―7)式得
2 ax0 bx0 c y0 2 ax1 bx1 c y1 ax 2 bx c y 2 2 2
第4章 插值法
10 9
《 计 算 方 法 》
§ 曲 线 拟 合 法
§ 数 值 微 分
§
8
§ 7 牛 顿 前 差 和 后 差 插 值 多 项 式
§ 6 牛 顿 均 差 插 值 多 项 式
§
5
§ 4 代 数 多 项 式 的 余 项
§ 3 代 数 多 项 式 插 值 的 存 在 唯 一 性