最小二乘法中代数多项式曲线拟合的分析及实现
最小二乘多项式拟合
最小二乘多项式拟合最小二乘多项式拟合，是一种常用的数据拟合方法，在各个学科领域都有广泛的应用。
它通过寻找最佳拟合曲线来近似描述一组离散数据点的趋势和规律。
在工程、统计学、经济学等领域，这种方法被广泛用于数据分析、曲线预测和模型建立。
首先，我们来看一下最小二乘拟合的基本原理。
在数据拟合过程中，我们通常假设数据是由一个未知函数生成的，而我们的目标是找到一个多项式函数，使得该多项式函数与数据之间的拟合误差最小。
为了达到这个目标，最小二乘拟合采用了最小化残差平方和的策略。
残差即为观测值与拟合值之间的差值，通过求解残差平方和的最小值，我们可以得到最佳拟合曲线的参数。
在最小二乘多项式拟合中，我们通常假设待拟合的数据点（x，y）满足下述形式的多项式方程：y=a0+a1*x+a2*x^2+...+ an*x^n，其中a0,a1,a2,...,an为待求的参数。
我们可以通过求解该多项式方程的系数，得到最佳拟合曲线。
在实际应用中，为了选择最佳的多项式次数，我们需要考虑过拟合和欠拟合的问题。
过拟合指的是模型过于复杂，过度适应了训练数据，但对新数据的预测效果较差；欠拟合则代表模型过于简单，无法很好地拟合数据的真实规律。
为此，我们可以引入交叉验证等方法，来选择合适的多项式次数，以平衡模型的复杂度和拟合能力。
此外，最小二乘多项式拟合还可以应用于数据的预测和模型建立。
对于已知的数据点，我们可以通过最小二乘方法拟合得到多项式函数，进而预测未知数据点的值。
这在实际中有很多应用，比如股票市场预测、天气预测等。
同时，最小二乘拟合还可以作为其他模型的基础，用于构建更复杂的模型，如神经网络、支持向量机等。
最后，最小二乘多项式拟合方法还有一些应注意的问题。
由于数据的分布情况和噪声的存在，最小二乘拟合可能对异常值比较敏感，因此需要在拟合过程中进行数据清洗和异常值处理。
此外，最小二乘拟合假设了数据之间是无相关的，因此在某些情况下，如时间序列数据的拟合中，可能并不适用。
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：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。
曲线拟合的最小二乘法讲解
实验三 函数逼近与曲线拟合一、问题的提出：函数逼近是指“对函数类A 中给定的函数)(x f ,记作A x f ∈)(,要求在另一类简的便于计算的函数类B 中求函数A x p ∈)(,使 )(x p 与)(x f 的误差在某中度量意义下最小”。
函数类A 通常是区间],[b a 上的连续函数，记作],[b a C ,称为连续函数空间，而函数类B 通常为n 次多项式，有理函数或分段低次多项式等，函数逼近是数值分析的基础。
主要内容有：（1）最佳一致逼近多项式（2）最佳平方逼近多项式（3）曲线拟合的最小二乘法二、实验要求：1、构造正交多项式；2、构造最佳一致逼近；3、构造最佳平方逼近多项式；4、构造最小二乘法进行曲线拟合；5、求出近似解析表达式，打印出逼近曲线与拟合曲线，且打印出其在数据点上的偏差；6、探讨新的方法比较结果。
三、实验目的和意义:1、学习并掌握正交多项式的MATLAB 编程；2、学习并掌握最佳一致逼近的MATLAB 实验及精度比较；3、学习并掌握最佳平方逼近多项式的MATLAB 实验及精度比较；4、掌握曲线拟合的最小二乘法；5、最小二乘法也可用于求解超定线形代数方程组；6、 探索拟合函数的选择与拟合精度之间的关系；四、 算法步骤：1、正交多项式序列的生成{n ϕ（x ）}∞0：设n ϕ（x ）是],[b a 上首项系数a ≠n 0的n 次多项式，)(x ρ为],[b a 上权函数，如果多项式序列{n ϕ（x ）}∞0满足关系式⎩⎨⎧=>≠==⎰.,0,,0)()()()(),(k j A k j x d x x x kk j bak j ϕϕρϕϕ则称多项式序列{n ϕ（x ）}∞0为在],[b a 上带权)(x ρ正交，称n ϕ（x ）为],[b a 上带权)(x ρ 的n 次正交多项式。
1）输入函数)(x ρ和数据b a ,;2）分别求))(),(()),(,(x x x x j j j nϕϕϕ的内积； 3）按公式①)())(),(())(,()(,1)(10x x x x x x x x j n j j jj n nn ϕϕϕϕϕϕ∑-=-==计算)(x n ϕ，生成正交多项式；流程图：开始否是结束2、 最佳一致逼近多项式],[)(b a C x f ∈，若存在n n H x P ∈)(*使得n n E P f =∆),(*，则称)(*x P n 是)(x f 在],[b a 上的最佳一致逼近多项式或最小偏差逼近多项式，简称最佳逼近多项式。
最小二乘法多项式拟合实验报告.docx
连续系统仿真实验报告实验数据拟合建模姓名：专业：学号：时间：2013年5月1日实验单元二实验数据拟合建模一、实验目的1、 用C 语言实现最小二乘的多项式拟合和LU 分解法；2、 熟练掌握最小二乘拟合和LU 分解法的基本原理。
3、 体会用计算机编程解决计算问题的方法。
二、需求说明（一） 、需求阐述本次实验是要求根据己知的自变量和函数值，通过多项式拟合來分别计 算2、3、4阶拟合多项式，并根据拟合结果分別计算出待求点的函数值。
其中解 拟合系数方程组时采用LU 分解的方法计算拟合多项式的系数。
（二） 、实验公式m 次拟合函数公式为：（p （x ）=ao 七1対~・・・可点"计算系数4的方程组为:Sg a 0 +S] a 】 +...4-s ni a ni =t 0 < S]a ()+s?a]+...+s mF ]a m =t]k Sm a 0 +S mH a i +• •丹加^冃 其中 》= 士疋E ，i-0所以，在编程计算时，先计算出方程组①，再用LU 分解法计算求出耳的 值，即可得到拟合多项式。
LU 分解法的公式为：其中L 矩阵和U 矩阵的计算公式如下: 第一步，当k 二1,有：「1 0 0・・・01〔21 1 0-0^31 彳32 1 ••::::0 厶L ……1-i=0n-l最后求 u nn : U nn =a nn -^l m u m r=l三、设计说明（一） 、数据结构程序采用一维数组的形式来读取文件中给出的己知点处的值和要计算的未 知点处的H 变量值，最终的拟合计算结果也是采用一维数组的形式输出到文件中。
拟合多项式的系数a 和拟合系数方程组的参数t 都是采用一维数组來存储的，而 拟合系数方程组中的参数s 和L 、U 矩阵都是用二维数组來表示的。
由于要分别 计算2、3、4阶拟合结果，所以数组的规模取为5,矩阵的规模取为5*5.（二） 、算法设计及效率分析在进行LU 分解函数中，在计算L 矩阵和U 矩阵时，因为当k=2,3.-,n-l 时， 计算丈M 和土皿的循环条件不允许k=l 时进入,而正好k=l 时，计算1“和i 町不 x-1 r-1k-1 k ・l需要工1丿匕和工1以崎，因而对k=l 和k=2,3,-,n-l,就可以和在一起计算，这样就减少了 r=lr=l程序的长度。
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。
最小二乘法多项式拟合原理
最小二乘法多项式拟合原理最小二乘法多项式拟合原理最小二乘法是一种数学方法，用于寻找一个函数，使得该函数与已知数据点的残差平方和最小化。
尤其在数据分析和统计学中广泛应用，其中特别重要的应用是曲线拟合。
本文将介绍最小二乘法在多项式拟合中的原理。
多项式拟合多项式拟合是一种常见的曲线拟合方法，它将数据点逼近为一个固定次数的多项式。
假设有N个数据点(x1,y1),(x2,y2),…,(xN,yN)，希望找到一个关于x的M次多项式函数y=a0+a1x+a2x^2+...+aMx^M，最小化拟合曲线与数据点之间的残差平方和，即S(a0,a1,…,aM)=∑i=1N(yi−P(x))2其中P(x)=a0+a1x+a2x^2+...+aMx^M。
最小二乘法最小二乘法是一种优化方法，通过最小化残差平方和，寻找最优的拟合函数参数。
在多项式拟合中，残差平方和的最小值可以通过相应的求导数为零来计算拟合函数参数。
设残差平方和S的导数为零得到的方程组为∑xi0,…,xiMaM=∑yi⋅xi0,…,xiM，其中M+1个未知量为a0,a1,…,aM，共有M+1个方程，可以使用线性代数解决。
拟合错误与选择问题使用较高次数的多项式进行拟合，可能会导致过度拟合，使得拟合函数更接近每个数据点，因此更难以预测它们之间的关系。
另一方面，使用过低次数的多项式无法反映出数据点之间的较细节的关系。
因此，在实践中，我们需要权衡多项式次数和误差，以找到一个最合适的拟合结果。
总结最小二乘法是一种常用的曲线拟合方法，在多项式拟合中广泛应用。
通过最小化残差平方和，可以找到最优的拟合函数参数，权衡多项式次数和误差，可以得出最合适的拟合结果。
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。
最小二乘法的基本原理和多项式拟合matlab实现
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)(x p 同所给数据点),(i i y x (i=0,1,…,m)误差i i i y x p r -=)((i=0,1,…,m)i i i y x p r -=)((i=0,1,…,m)绝对值的最大值im i r ≤≤0max ，即误差 向量T m r r r r ),,(10 =的∞—范数；二是误差绝对值的和∑=mi ir 0，即误差向量r 的1—范数；三是误差平方和∑=mi ir2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∑=mi ir02来 度量误差i r (i=0，1，…，m)的整体大小。
数据拟合的具体作法是：对给定数据 ),(i i y x (i=0,1,…，m)，在取定的函数类Φ中,求Φ∈)(x p ,使误差i i i y x p r -=)((i=0,1,…,m)的平方和最小，即∑=mi ir2[]∑==-mi iiy x p 02min)(从几何意义上讲，就是寻求与给定点),(i i y x (i=0,1,…,m)的距离平方和为最小的曲线)(x p y =（图6-1）。
函数)(x p 称为拟合函数或最小二乘解，求拟合函数p(x)的方法称为曲线拟合的最小二乘法。
合中，函数类Φ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 i y x (i=0,1,…,m)，Φ为所有次数不超过)(m n n ≤的多项式构成的函数类，现求一Φ∈=∑=nk k k n x a x p 0)(,使得[]min )(00202=⎪⎭⎫⎝⎛-=-=∑∑∑===mi mi n k i k i k i i n y x a y x p I (1)当拟合函数为多项式时，称为多项式拟合，满足式（1）的)(x p n 称为最小二乘拟合多项式。
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令系数矩阵为C ， 变量列向量为X ， 常数项列 向量 为 B ， 则方程组(5)可简写为
CX=B
(6)
方程组(6)是 含 有 n 个 未 知 数 、 n 个方程的方 程组， 称 为 正 规 方 程 组 。该 方 程 组 是 否 有 唯 一 解 呢？ 根据正规方程组有唯一解的条件可知， 对方程 组 (6)来 说 ， 必须有| C |3 ° ， 才能保证有唯一解[1]。 下面来证明|C | 3 ° 。 现用反证法予以证明。假 设 IC |= ° ， 根据给定 的实测数据， 则齐次线性方程组
总 第 330期 2017年 第 4 期
Computer / Digital Engineering
计算机与数字工程
Vol.45 No.4
637
最小二乘法中代数多项式曲线拟合的分析及实现$
张永涛贾延明
(商丘工学院商丘
476000)
从而描述几个变量之间的关系。论文介绍了求解最小二乘法中代数多项式曲线拟合的数学关系， 并 给 出 了 通 用 的 C 语言 程序被调用函数。
中图分类号 关 键 词 最小二乘法； 代数多项式；曲线拟合； 程序
摘
要
最小二乘法是广泛使用的数据分析方法 , 它通过一组实验数据， 按残差平方和最小准 则 ， 寻求一个解析函数 #
TP301
C DO# 10. 3969/j. issn 1672-9722. 2017. 04. 009
Analysis and Program Implementation of Least Squares Polynomial Curve Fitting
Abstract The method of leatt square is a widely used data analysis methods ? it is through a set of experimental data ，
1
引言
在工程技术和科学实验中， 由于影响因素的复
表 1
生成物的浓度与时间的关系
杂性及各种各样的原因， 量与量之间往往找不到完 全确定的函数关系（ ]。而最小二乘法是广泛使用 的数据分析方法， 它通过一组实验数据， 按残差平 方和最小准则， 寻找一 个 解 析 函 数 ， 以此来描述几 个变量之间的关系， 从而揭示大量实测数据之间的 客观规律。 例如， 某化 学 反 应 中 ， 生成物的浓度与时间的 关系， 如 表 1， 求 浓 度 y 与 t 之间的函数关系。 又如 ， 合成纤维抽丝工段， 第一导丝盘的速度 ^与 电 源频率工的关系， 对丝的质量影响很大。由 生产记录得到的数据为表2,试 求 速 度 r 与电源频 率 ^之 间 的 函 数 关 系 。
第一导丝盘速度 电源频率
49.2 50 49.3 49 49.5
V
16. 7 17 16. 8 16. 6 16. 8
+
49 49. 8 49. 9 50. 2 50. 2
16. 7 $6.9 $7 17. 1
V
" 收稿日期： 2016 年 1 0 月 2 1 日 修 回 日 期 ： 2016 年 1 1 月
m m mx1 十 % (x 2 $ --- $ % ( ~ 1x n = ° ，=1 ，=1 m m m % (x1 十 % fix 2 $----$ % ( xn = ° , i= 1 i= 1 i= 1
2 代数多项式曲线拟合数学原理
设 有 n —1 次多项式:
yn(^) = x $ $ x 2 ----Vxn tn ~ 1% % x# ； =i
ZHANG Yongtao JIA Yanming (Shangqiu Institute of Technology, Shangqiu 476000) according to the rule of minimum residual sum of squares， seeking an analytic function， which describes the relationship of several variables. Were introduced in this paper to solve the least squares polynomial curve fitting mathematical relation ships ， and gives the general C programming language of the called function. Key Words least squares ，polynomial， curve fitting， C program Class Number TP301
— 1 ( n〈
m)
!1) 求拟合已知数据。 令
R ， = yn ((i ) — yl
m
m
m
=
1 2
பைடு நூலகம்
时 间 W分 ） 浓 度 yX 10 - 8
3 4 5 7
8 6
4 6.4
时 间 W分 ） 浓 度 yX10 - 8
9
8 8. 8
9. 22 9. 5 9. 7 9. 86
表 2
10 11 12
$0.2
10
13 14 15 16
$0.58 10 . 6
第一导丝盘速度
速度与电源频率的关系
+
电源频率
，
28日
作 者 简 介 : 张永涛， 男， 硕士， 讲师， 研 究 方 向 :算法与分析。贾 延 明 ， 男， 硕士， 讲师， 研 究 方 向 :算法与分析。
638
张永涛等:最小二乘法中代数多项式曲线拟合的分析及实现
第 45卷
诸如此类的问题中， 量与量之间既存在相互依 赖关系， 但又不能由一个(或几个)变量的值， 通过 精确的解析表达式求出另一个变量的值5 % 人们 只能通过实验， 使用仪器获得大量的实测数据。通 过进一步的研究表明， 这些大量的偶然现象， 其内 部隐藏着客观规律[6]。 假设通过某种实验观测手段得到了 m 组数据 (,， ： >〇， — 1， 2,3， "， 饥， 现在的任务是如何寻求一 近似 函 数 / ( z )去 逼 近 y 。依 据 最 小 二 乘 法 原 理 ， 采用代数多项式曲线拟合的方法， 可以寻求到近似 函 数 /〇r )[ 1 °]。