最小二乘法
最小二乘法的概念
最小二乘法1. 概念定义最小二乘法（Least Squares Method）是一种数学优化方法，用于找到一组参数，使得观测数据与模型预测值之间的平方误差最小。
它通过对误差的平方和进行最小化来估计未知参数的值。
在最小二乘法中，我们假设存在一个线性模型来描述观测数据与未知参数之间的关系。
给定n个观测数据点(xi, yi)，其中xi是自变量，yi是因变量，我们可以将线性模型表示为：yi = β0 + β1 * xi + εi其中β0和β1是待估计的未知参数，εi是服从正态分布的随机误差。
我们的目标是找到最佳拟合线，使得所有数据点到该线的距离之和最小。
2. 重要性最小二乘法在统计学和数据分析中具有广泛应用，并且具有以下重要性：2.1 参数估计通过最小二乘法可以估计出线性回归模型中的未知参数。
这些参数对于理解和解释观测数据与自变量之间关系非常重要。
例如，在经济学中，可以使用最小二乘法来估计供需曲线、收入弹性等经济模型中的参数。
2.2 模型拟合最小二乘法可以用于拟合数据，并找到最佳拟合线或曲线。
通过最小化误差平方和，我们可以找到与观测数据最接近的模型。
这对于预测和预测未来数据点非常有用。
2.3 假设检验在统计推断中，最小二乘法还可以用于假设检验。
我们可以利用最小二乘估计的参数进行假设检验，以确定自变量与因变量之间是否存在显著关系。
2.4 模型诊断除了参数估计和模型拟合外，最小二乘法还可以用于诊断模型的适应性和有效性。
通过分析残差（观测值与预测值之间的差异），我们可以检查模型是否满足所假设的条件，并进行必要的修正。
3. 应用最小二乘法广泛应用于各个领域，包括但不限于以下几个方面：3.1 线性回归分析线性回归是最常见的应用之一。
通过将观测数据与线性模型进行拟合，我们可以估计出自变量与因变量之间的关系。
线性回归可以用于预测、关联分析和因果推断等。
3.2 时间序列分析时间序列分析是对随时间变化的数据进行建模和预测的方法。
最小二乘法的推导
最小二乘法的推导最小二乘法是统计学中一种常用的数据拟合方法，它是将待拟合函数的拟合优度衡量为误差平方和最小化的问题，属于最优化策略。
它可以用来拟合非线性模型，使得得到的模型拟合更加精确。
一、最小二乘法概念最小二乘法是一种数据拟合方法，它是将待拟合函数的拟合优度衡量为误差平方和最小化的问题，属于最优化策略。
最小二乘法的主要思想是，对给定的一组观测值，在满足某种条件下，这组观测值可以用一个或几个理论模型来描述，从而使拟合模型尽可能逼近实际观测值，达到拟合精度最高的目的。
二、最小二乘法推导考虑一个最小二乘问题，我们希望拟合一组数据，它们的点坐标可以用一个关于d个未知参数（p1，p2，p3，…，pd）的多项式表示，即：F(x，p1，p2，p3，…，pd)将多项式中的参数（p1，p2，p3，…，pd）的值求出，就可以对已知数据进行拟合。
最小二乘法表示形式：要使拟合模型参数值与所拟合数据做到最拟合，就要将拟合模型和实际数据的差值最小化，也就是求出多项式中的参数的值，使得误差平方和最小根据最小二乘法的优化性质，我们可以写出最小二乘优化问题的形式将误差平方和最小化的条件写出来就为：S=（f(x1，p1，…，pd)-y1）^2＋（f(x2，p1，…，pd)-y2）^2＋…＋（f(xn，p1，…，pd)-yn）^2最小二乘问题表示为：min{S(p1，p2，…，pd)}其中p1，p2，…，pd是未知参数，我们要求这些参数值使得S 最小。
为了求得最小二乘拟合参数和进行形式转换，我们对S求偏导：S/pi=2*(f(xi，p1，…，pd)-yi)*f(xi，p1，…，pd)/pi 当S/pi=0时，即有(f(xi，p1，…，pd)-yi)*f(xi，p1，…，pd)/pi=0 于是，我们将最小二乘拟合参数pi的表达式改写为：pi=(A-1)*B其中A=∑(f(xi，p1，…，pd)/pi)^2，B=∑(f(xi，p1，…，pd)-yi)*f(xi，p1，…，pd)/pi根据最小二乘法，我们就可以求得最小二乘拟合参数pi的值了。
最小二乘法知识
最小二乘法知识最小二乘法是一种最优化方法，经常用于拟合数据和解决回归问题。
它的目标是通过调整模型参数，使得模型的预测值与观测值之间的差异最小。
最小二乘法的核心思想是最小化误差的平方和。
对于给定的数据集，假设有一个线性模型y = β₀ + β₁x₁ + β₂x₂ + ... +βₙxₙ，其中β₀, β₁, β₂, ... , βₙ 是需要求解的未知参数，x₁, x₂, ... , xₙ 是自变量，y 是因变量。
那么对于每个样本点 (xᵢ, yᵢ)，可以计算其预测值ŷᵢ = β₀ + β₁x₁ + β₂x₂ + ... + βₙxₙ，然后计算预测值与实际值之间的差异 eᵢ = yᵢ - ŷᵢ。
最小二乘法的目标是使得误差的平方和最小化，即最小化目标函数 E = ∑(yᵢ - ŷᵢ)²。
对于简单的线性回归问题，即只有一个自变量的情况下，最小二乘法可以通过解析方法求解参数的闭合解。
我们可以通过求偏导数，令目标函数对参数的偏导数等于零，求解出参数的最优解。
然而，对于复杂的非线性回归问题，解析方法通常不可行。
在实际应用中，最小二乘法通常使用迭代方法进行求解。
一种常用的迭代方法是梯度下降法。
梯度下降法通过反复进行参数更新的方式逐步降低目标函数的值，直到收敛到最优解。
具体而言，梯度下降法首先随机初始化参数的值，然后计算目标函数对于每个参数的偏导数，根据偏导数的方向更新参数的值。
迭代更新的过程可以通过下式表示：βₙ = βₙ - α(∂E/∂βₙ)其中，α 是学习率参数，控制每次更新参数的步长。
学习率需要适当选择，过小会导致收敛过慢，过大会导致震荡甚至不收敛。
最小二乘法除了可以用于线性回归问题，还可以用于其他类型的回归问题，比如多项式回归。
在多项式回归中，我们可以通过增加高次项来拟合非线性关系。
同样地，最小二乘法可以通过调整多项式的系数来使得拟合曲线与实际数据更加接近。
除了回归问题，最小二乘法还可以应用于其他领域，比如数据压缩、信号处理和统计建模等。
最小二乘法估计
机器学习领域应用
线性回归模型
在机器学习中，最小二乘法是线性回归模型的核心算法之一。通过最小化预测值与实际值之间的平方误差，可以 训练出预测精度较高的线性回归模型。
特征选择
最小二乘法也可以用于特征选择，通过计算特征的系数大小，可以判断哪些特征对模型的预测结果影响较大，从 而进行特征筛选和优化。
06 最小二乘法的未来发展与 研究方向
用于研究社会现象和人类行为 ，如市场调查、人口统计等。
最小二乘法的历史与发展
历史
最小二乘法最早由法国数学家勒让德 于1805年提出，并广泛应用于天文、 物理和工程领域。
发展
随着计算机技术的进步，最小二乘法 在数据处理和统计分析方面得到了广 泛应用和改进，出现了多种扩展和变 种，如加权最小二乘法、广义最小二 乘法等。
加权最小二乘法（WLS）
总结词
详细描述
加权最小二乘法是一种改进的线性回 归分析方法，通过给不同观测值赋予 不同的权重来调整误差的平方和。
加权最小二乘法（Weighted Least Squares，WLS）是对普通最小二乘法 的改进，通过给不同观测值赋予不同 的权重来调整误差的平方和。这种方 法适用于存在异方差性的数据，即误 差项的方差不恒定的情况。通过合理 地设置权重，WLS能够更好地拟合数 据并提高估计的准确性。
广泛的应用领域
最小二乘法适用于多种统计模型 和回归分析，是线性回归分析中 最常用的方法之一。
缺点
假设限制
01
最小二乘法要求数据满足线性关系和误差项独立同分布等假设，
这些假设在实际应用中可能难以满足。
对异常值敏感
02
虽然最小二乘法相对稳健，但仍然容易受到异常值的影响，可
能导致估计结果偏离真实值。
最小二乘法及其应用
最小二乘法及其应用什么是最小二乘法？最小二乘法（LeastSquaresMethod）是一种常用的统计分析方法，用于找到在一组已知数据上拟合度最高的线性模型。
最小二乘法通常用于在一组可选的模型中自动选择最能够最佳地拟合数据的模型。
它也可以用来估计在未观测到的预测值，从而预测某个变量的取值范围。
最小二乘法可以用于多元统计回归分析，而且也是用来计算一元线性回归系数的主要方法。
最小二乘法的基本思想是拟合所选择的模型，以便使拟合模型的预测结果（横坐标的值）与实际观测结果（纵坐标的值）之间的差异最小化。
最小二乘法的运算步骤是：计算每个观测值（纵坐标）与回归模型（横坐标）之间的差值；然后将这些差值的平方和求和，并选择使平方和最小的回归系数，从而获得最佳拟合。
最小二乘法也可以用来估计不可观测的参数。
例如，在预测一个系统的行为时，可以用最小二乘法进行拟合，找到模型参数的最佳估计值，从而估计系统的行为趋势。
在另一方面，最小二乘法也可以用来预测诸如未来产量或销售额等量化指标。
在应用最小二乘法进行科学研究时，它已成为科学界公认的标准统计方法。
它已经被用于统计分析、估计、预测、演示和建模等多个科学研究领域。
例如，最小二乘法可以用于统计推断，用于探究一些不同因素之间的关系，以及推断出假设条件下的基本模型。
它也可以用于估计参数，比如用于估计一个模型的参数值，从而使模型能够更精确地模拟数据。
最小二乘法也被用于拟合非线性曲线。
当数据不满足线性关系时，可以使用最小二乘法拟合曲线。
曲线拟合有很多方法，比如传统的曲线拟合方法，最小二乘法，最小绝对值拟合，和其他各种复杂的曲线拟合方法等等。
总之，最小二乘法是一种非常常用的统计分析方法。
它可以用来自动选择在一组可选的模型中最能够拟合数据的模型，并且可以用于估计不可观测的参数。
此外，最小二乘法也可以用于拟合非线性曲线，从而更精确地模拟实际数据。
由于这种效率和可靠性，最小二乘法已成为科学研究中一种公认的统计分析方法。
最小二乘法(least sqaure method)
最小二乘法（least sqauremethod）专栏文章汇总文章结构如下：1：最小二乘法的原理与要解决的问题2 ：最小二乘法的矩阵法解法3：最小二乘法的几何解释4：最小二乘法的局限性和适用场景5：案例python实现6：参考文献1：最小二乘法的原理与要解决的问题最小二乘法是由勒让德在19世纪发现的，形式如下式：标函数 = \sum（观测值-理论值）^2\\观测值就是我们的多组样本，理论值就是我们的假设拟合函数。
目标函数也就是在机器学习中常说的损失函数，我们的目标是得到使目标函数最小化时候的拟合函数的模型。
举一个最简单的线性回归的简单例子，比如我们有 m 个只有一个特征的样本： (x_i, y_i)(i=1, 2, 3...,m)样本采用一般的 h_{\theta}(x) 为 n 次的多项式拟合，h_{\theta}(x)=\theta_0+\theta_1x+\theta_2x^2+...\theta_nx^n,\theta(\theta_0,\theta_1,\theta_2,...,\theta_n) 为参数最小二乘法就是要找到一组\theta(\theta_0,\theta_1,\theta_2,...,\theta_n) 使得\sum_{i=1}^n(h_{\theta}(x_i)-y_i)^2 (残差平方和) 最小，即，求 min\sum_{i=1}^n(h_{\theta}(x_i)-y_i)^22 ：最小二乘法的矩阵法解法最小二乘法的代数法解法就是对 \theta_i 求偏导数，令偏导数为0，再解方程组，得到 \theta_i 。
矩阵法比代数法要简洁，下面主要讲解下矩阵法解法，这里用多元线性回归例子来描：假设函数h_{\theta}(x_1,x_2,...x_n)=\theta_0+\theta_1x_1+...+\t heta_nx_n 的矩阵表达方式为：h_{\theta}(\mathbf{x})=\mathbf{X}\theta\\其中，假设函数 h_{\theta}(\mathbf{x})=\mathbf{X}\theta 为 m\times1 的向量, \theta 为 n\times1 的向量，里面有 n 个代数法的模型参数。
最小二乘法
最小二乘法一、最小二乘法概述最小二乘法是1795年高斯在预测星体运行轨道最先提出的，它奠定了最小二乘估计理论的基础．到了20世纪60年代瑞典学者Austron 把这个方法用于动态系统的辨识中，在这种辨识方法中，首先给出模型类型，在该类型下确定系统模型的最优参数。
我们可以将所研究的对象按照对其了解的程度分成白箱、灰箱和黑箱。
于其内部结构、 机制只了解一部分，对于其内部运行规律并不十分清楚，这样的研究对象通常称之为 “灰箱”；如果我们对于研究对象的内部结构、 内部机制及运行规律均一无所知的话，则把这样的研究对象称之为“黑箱”。
研究灰箱和黑箱时，将研究的对象看作是一个系统，通过建立该系统的模型，对模型参数进行辨识来确定该系统的运行规律。
对于动态系统辨识的方法有很多，但其中应用最广泛，辨识效果良好的就是最小二乘辨识方法，研究最小二乘法在系统辨识中的应用具有现实的、广泛的意义。
应用最小二乘法对系统模型参数进行辨识的方法有离线辨识和在线辨识两种离线辨识是在采集到系统模型所需全部输入输出数据后，用最小二乘法对数据进行集中处理，从而获得模型参数的估计值；而在线辨识是一种在系统运行过程中进行的递推辨识方法，所应用的数据是实时采集的系统输入输出数据，应用递推算法对参数估计值进行不断修正，以取得更为准确的参数估计值。
假设一个SISO 系统如下图所示：图1 SISO 系统结构图其离散传递函数为：（1）输入输出的关系为：)()()()(1k y k e z G k u =+•- （2）进一步，我们可以得到：)()()()()(11k e z B k u z A k y +⋅=⋅-- （3）其中，扰动量)(k e 为均值为0，不相关的白噪声。
将式（3）写成差分方程的形式：)()()2()1()()2()1()(2121k e n k u b k u b k u b n k y a k y a k y a k y n n +-⋯+-+-+--⋯-----=（4）令T n k u k u k u n k y k y k y k ])()2()1()()2()1([)(-⋯----⋯----=ϕnn n n z a z a z a z b z b z b z A z B z G ---------+⋯++++⋯++==221122111111)()()(][2121n nb b b a a a ⋯⋯=θ则式（4）可以写为：)()()(k e k k y T+=θϕ （5）将上述式子扩展到N 个输入、输出观测值{)(),(k y k u }，k=1,2,…，N+n 。
最小二乘法表达式
最小二乘法表达式
最小二乘法是一种常见的数学方法，用于拟合数据点的线性模型。
它通过最小化观测值与模型预测值之间的平方误差来确定最佳拟合
直线。
最小二乘法的表达式可以用以下公式表示：
y = a + bx
其中，y是因变量，x是自变量，a是截距，b是斜率。
最小二乘法的目标是找到最佳的a和b，使得所有数据点到拟合直线的距离平方和最小化。
最小二乘法可以用于各种拟合问题，例如线性回归、非线性回归、曲线拟合等。
它是统计学、经济学等领域中广泛应用的方法之一。
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对的不同的具体值，Y与X之间的相关关系分析如下： ① 当r=1时，称为完全线性正相关；当r=-1时，称为完全线性 负相关。 ② 当0<│r│<1时，Y与X存在一定的线性相关。当r>0时称Y与 X正相关。当r<0时称Y与X是负相关。一般地说,r2≥0.9时， 估计模型为＂优＂；0.8≤r2<0.9时，估计模型为＂良＂； 0.6≤r2<0.8时，估计模型为＂一般＂。R2≤0.5时估计模型 为＂差＂。
试根据上面的试验数据建立y 和 t 之间的经验公 式 y f (t ).
解 首先确定 f ( t ) 的类型. y 如图，在坐标纸上画出 这些点，观察可以认为
27
y f (t ) 是 线 性 函 数 ,
并设 f ( t ) at b, 其中 a 和b 是待定常数.
26 25
24
o
1 2 3 4 5 6 7 8
t
因为这些点本来不在一条直线上，我们只 能要求选取这样的 a , b ，使得 f ( t ) at b 在 t0 , t1 ,, t7 处的函数值与实验数据 y0 , y1 , y7 相 差都很小．
就是要使偏差
yi f ( t i )
7
(i 0,1,2,,7) 都很小.
2
因此可以考虑选取常数 a , b ，使得
8 24 6.5
i
yi
57.6 41.9 31.0 22.7 16.6 12.2
y 表示时刻 其中 表示从实验开始算起的时间， 反应物的量．试定出经验公式 y f ( ).
解 由化学反应速度的理论知道， y f ( ) 应是 指数函数： y ke m , 其中 k 和 m是待定常数.
记 回归平方和 残差平方和 有
y i y
i
i
y y y y y y y y y
i y yi y
2 i 2 i 2 i i 2 i i
2
2
i y yi y i 2 y 0
y f ( t ) 0.3036 t 27.125.
( 2)
由（2）式算出的函数值 f ( t i ) 与实测 yi 的有 一定的偏差.现列表比较如下：
ti
实测
0 27.0
1 26.8
2 26.5
3 26.3
4 26.1
5 25.7
6 25.3
7 24.3
yi
算得
27.125 26.821 26.518 26.214 25.911 25.607 25.303 25.000 -0.125 -0.021 -0.018 -0.086 0.189 0.093 -0.003 -0.200
f (ti )
偏差
偏差的平方和 M 0.108165 ， 它的平方根 M 0.329 ． 我们把 M 称为均方误差，它的大小在一定 程度上反映了用经验公式来近似表达原来函数关 系的近似程度的好坏．
例2 在研究单分子化学反应速度时，得到下列数据：
i
1 3
2 6
3 9
4 12
5 15
6 18
7 21 8.9
1.2.3 一元直线回归分析
• 基本方法 • 利用excel进行线性回归分析的方法
– – – – 输入原始实测量值x（自变量）y（因变量） 选择数据区域 选择图表类型——xy散点图 添加趋势线
• 方差分析 • 相关性检验—求相关系数R
例
• 研究腐蚀时间与腐 蚀深度两个量的关 系 • 实验数据如下：
m 0.1036 , k 78.78.
因此所求经验公式为 y 78.78e 0.1036 .
三、小结
给定平面上一组点( xi , yi ) ( i 1,2,3,, n)， 作曲线拟合有多种方法 ，其中最小二乘法是常 用的一种．
最小二乘法的原理：
求 f ( t )，使 M yi (ati b) 达到最小．
a
+
b x i + ei
2
i 1,2,, n
i y
a +b xi
n 2
yi a bxi Q yi y
i 1 i 1
n
Q 2 y i a bx i 0 a Q 2 y i a bx i x i 0 b
M yi (ati b)
i 0
最小来保证每个偏差的绝对值都很小． 定义 这种根据偏差的平方和为最小的条件来选 择常数 a , b 的方法叫做最小二乘法． 这种确定常数的方法是通常所采用的.
把 M 看成自变量 a 和 b 的一个二元函数， 那么问题就可归结为求函数 M M (a , b) 在那 些点处取得最小值.
• 实验目的
– 了解回归分析的基本概念; – 初步掌握应用excel进行回归分析方法.
• 实验内容
– 根据下面给定的实验数据应用excel进行回归 分析
• 实验数据
– 退火温度对黄铜延性的影响试验数据如下表
退火温度 x(℃) 黄铜延性 y×100 300 40 400 50 500 55 600 60 700 67 800 70 900 73
2
1 x n
x
i
2
1 xi x yi y xi yi n 2 2 1 2 yi y yi yi n
x y
i i
b S XY
S XX
a y bx
总平方和
SST yFra bibliotekiy
i
y y
最小二乘法
1.2 回归分析
• 1.2.1概述
– 研究变量与变量之间关系的数学方法 – 变量之间关系种类
• 确定性关系即函数关系 • 相关关系
– 主要解决的问题
• 确定相关关系,找出数学表达式 • 根据变量的值,预测/控制另一变量的取值,给出精度 • 进行因数分析
1.2.2 最小二乘法原理
yi
= =
( 3)
108, lg y 10.3,
i 1 8 i i 1 8 i 1 i i 1
8
8
2
i
1836, lg yi 122.
i
将他们代入方程组（3）得
1836a 108b 122, 108a 8b 10.3. a 0.4343 m 0.045, 解这方程组，得 b lg k 1.8964.
时间 x(min) 腐蚀深度 y(μm) 3 40 5 60 10 80 20 130 30 40 50 190 60 250 65 250 90 290 120 460
160 170
1.2.4曲线回归
• 基本概念 • 应用excel进行曲线回归的方法 • 举例
上机实验3
常用数学分析方法应用实践（2）
二、最小二乘法
例1 为了测定刀具的磨损速度，我们做这样的 实验：经过一定时间(如每隔一小时)，测量一 次刀具的厚度,得到一组试验数据如下：
0 1 2 3 4 5 6 7 顺序编号i 0 1 2 3 4 5 6 7 时间t i (小时) 刀具厚度 y i (毫米) 27.0 26.8 26.5 26.3 26.1 25.7 25.3 24.3
[ y
y
n
y=ax+b
i 1
i
(axi b)]
2
最小
此式对a和b的偏导数均 为0， 解相应方程组，求得：
n ( x x )( y y ) i i i 1 a n 2 ( x x ) i i 1 b y ax
(xi ,yi) x
7 M 2 yi (ati b )t i 0, a i 0 令 7 M 2 yi (ati b ) 0; b i 0
即
7 y (at b )t 0, i i i i 0 7 yi (at i b ) 0. i 0
y na b x x y a x b x
i i i i i
2 i
b
x
i
yi
1 n
2 i
x y
n
i
a
x b n
x y 1 x n
i i 2 i i
X
x n ,
i
Y
2 i
y n
i
S XX xi x S XY SYY
1.半对数关系式变换
y=a+blogu (y、u为变量，a和 b为参量， 极化值与极化电流密压I之间
2.双对数关系式变换
3.抛物线关系式的变换
k1 k2 k1 k2
2
4.指数函数关系式的变换
Ae
Bu
例题：对于Fe在700度的空气中的氧化 试验，测得表中实验数据，检验这些 数据是否适合动力学公式 k k 和
将括号内各项进行整理合并，并把未知数 a 和 b 分离出来，便得
a t 2 b t y t , i i i i i 0 i 0 i 0 7 7 a t i 8b y i . i 0 i 0
7 7 7
(1)
计算得
t
i 0 7 i 0
变数变换（非线性问题的线性化处理）
处理数据时，两个变量之间本来并不是线性 关系，但是经过变数变换，由原来的变量形 成两个新的变量，而在两个新的变量之间， 则是线性的关系，此情况下求出两个变量的 线性关系中的参量的最佳估计值，然后再变 换回去，求出原来关系式中参量的估计值。 （根据专业知识，理论推导，经验公式也可 以根据试验数据从坐标上分布形式特点拟合）