数值计算_第6章 曲线拟合的最小二乘法

最小二乘拟合的概念-概述说明以及解释1.引言1.1 概述最小二乘拟合是一种常用的数据分析方法，通过最小化观测值与拟合值之间的残差平方和来求取最优拟合曲线或平面，从而描述数据的模式和趋势。

该方法被广泛应用于统计建模、机器学习、信号处理、金融分析等领域。

最小二乘法的核心思想是寻找一条曲线或平面，使得该曲线或平面与数据点的残差之和最小。

通过最小二乘法，我们可以得到最佳拟合曲线或平面，从而对数据进行更准确的描述和预测。

因此，最小二乘拟合在数据分析中具有重要的意义。

本文将详细介绍最小二乘拟合的定义、原理和应用，从而帮助读者更好地理解和运用这一重要的数据分析方法。

1.2 文章结构文章结构部分的内容如下：文章结构部分将介绍整篇文章的组织结构和主要内容安排，以便读者对文章的整体框架有一个清晰的认识。

在本文中，主要分为引言、正文和结论三个部分。

- 引言部分包括对最小二乘拟合的概念进行简要介绍，阐述本文撰写的目的和重要性。

- 正文部分将详细讨论最小二乘拟合的定义、原理和应用，以便读者全面了解这一重要的数据分析方法。

- 结论部分将对最小二乘拟合的重要性进行总结，探讨最小二乘法在数据分析中的价值，并展望最小二乘拟合在未来的发展趋势。

通过这样的结构安排，读者可以清晰地了解本文的主要内容和章节布局，有助于他们更好地理解和掌握最小二乘拟合的相关知识。

1.3 目的本文的主要目的是介绍最小二乘拟合这一重要的数学方法。

通过对最小二乘拟合的定义、原理和应用进行详细讨论，希望读者能够深入了解这一方法在数据分析和模型拟合中的重要性。

此外，本文还将探讨最小二乘法在实际问题中的应用，以及展望未来最小二乘拟合在数据分析领域的发展趋势。

通过阐述这些内容，旨在让读者更加深入地理解和应用最小二乘拟合方法，为其在数据分析和模型拟合中提供有效的工具和思路。

2.正文2.1 最小二乘拟合的定义最小二乘拟合是一种常用的数学方法，用于通过调整参数来拟合一个数学模型以最小化观测数据和模型之间的残差平方和。

曲线拟合最小二乘法
最小二乘法是统计学中最常用的数据拟合方法，也被称为**最小平方法**。

该方法在数学和统计学中已经有很长的历史，广泛应用于各种学科的科学研究和实际应用。

最小二乘法的主要思想是最小化所给数据点与目标曲线之间的误差平方和，以此来确定目标曲线的参数。

具体而言，最小二乘法是根据**基函数**与参数之间的函数关系，采用多元函数去拟合所给数据点，旨在最小化拟合数据点和多元函数之间误差平方和的拟合方法。

最小二乘法可以用来拟合任何形式的曲线，在各种应用中都大量应用。

比如在政治学、经济学和心理学中，研究者通过最小二乘法来拟合某种结果与输入变量之间的联系，以更好地理解呈现结果的背景机制；在数值计算中，最小二乘法可用来拟合数值计算数据，从而精确地求解各种方程；而在工程学中，最小二乘法常用来拟合统计数据，估计影响工作效率的各种自变量。

总之，最小二乘法是一种统计学中经久不衰的拟合方法，可以用来拟合任何形式的曲线，在广泛的应用领域有着重要地位。

曲线拟合最小二乘法
曲线拟合是指通过已知数据点来推导出一条函数曲线，使得该曲线尽
可能地贴近这些数据点。

而最小二乘法（Least Squares Method）是求解
这种拟合问题的一种常用方法。

最小二乘法的核心思想是尽量减小误差平方和。

假设已知的数据点为$(x_i, y_i)$，曲线函数为 $y=f(x)$，我们希望找到一组参数 $\theta$，使得 $f(x_i;\theta)$ 与 $y_i$ 的差距最小，即：
$$\min_{\theta}\sum_{i=1}^n [y_i - f(x_i;\theta)]^2$$。

这个式子被称为目标函数，也叫做残差平方和（RSS）。

通过对目标
函数进行求导，可以得到最优参数 $\theta^*$ 的解析解：
$$\theta^* = (\mathbf{X}^T \mathbf{X})^{-1} \mathbf{X}^T
\mathbf{y}$$。

其中，$\mathbf{X}$ 是一个 $n \times p$ 的矩阵，每一行代表一
个数据点的特征向量，$p$ 是曲线函数的参数个数。

$\mathbf{y}$ 是一
个 $n \times 1$ 的列向量，代表数据点的真实输出值。

最小二乘法在实际应用中有很广泛的应用。

例如，可以用它来构建多
项式回归模型、高斯过程回归模型等。

此外，在机器学习领域，最小二乘
法也被用于求解线性回归模型、岭回归模型等。

第6章曲线拟合的最小二乘法6.1 拟合曲线通过观察或测量得到一组离散数据序列，当所得数据比较准确时，可构造插值函数逼近客观存在的函数，构造的原则是要求插值函数通过这些数据点，即。

此时，序列与是相等的。

如果数据序列，含有不可避免的误差（或称“噪音”），如图6.1所示；如果数据序列无法同时满足某特定函数，如图6.2所示，那么，只能要求所做逼近函数最优地靠近样点，即向量与的误差或距离最小。

按与之间误差最小原则作为“最优”标准构造的逼近函数，称为拟合函数。

图6.1 含有“噪声”的数据图6.2 一条直线公路与多个景点插值和拟合是构造逼近函数的两种方法。

插值的目标是要插值函数尽量靠近离散点；拟合的目标是要离散点尽量靠近拟合函数。

向量与之间的误差或距离有各种不同的定义方法。

例如：用各点误差绝对值的和表示：用各点误差按模的最大值表示：用各点误差的平方和表示：或（6.1）其中称为均方误差，由于计算均方误差的最小值的方法容易实现而被广泛采用。

按均方误差达到极小构造拟合曲线的方法称为最小二乘法。

本章主要讲述用最小二乘法构造拟合曲线的方法。

在运筹学、统计学、逼近论和控制论中，最小二乘法都是很重要的求解方法。

例如，它是统计学中估计回归参数的最基本方法。

关于最小二乘法的发明权，在数学史的研究中尚未定论。

有材料表明高斯和勒让德分别独立地提出这种方法。

勒让德是在1805年第一次公开发表关于最小二乘法的论文，这时高斯指出，他早在1795年之前就使用了这种方法。

但数学史研究者只找到了高斯约在1803年之前使用了这种方法的证据。

在实际问题中，怎样由测量的数据设计和确定“最贴近”的拟合曲线？关键在选择适当的拟合曲线类型，有时根据专业知识和工作经验即可确定拟合曲线类型；在对拟合曲线一无所知的情况下，不妨先绘制数据的粗略图形，或许从中观测出拟合曲线的类型；更一般地，对数据进行多种曲线类型的拟合，并计算均方误差，用数学实验的方法找出在最小二乘法意义下的误差最小的拟合函数。

数值分析中的最小二乘法与曲线拟合数值分析是现代理论与实践密切结合的一门交叉学科，其中最小二乘法和曲线拟合是其中两个非常重要的概念。

最小二乘法是一种数学运算方法，用于求解一组方程组的未知参数，使得每个方程的误差平方和最小。

在实际应用中，最小二乘法广泛应用于数据拟合、信号处理、回归分析等领域。

在数据拟合中，最小二乘法是一种常见的方法，它可以用于拟合曲线和函数。

它通过延伸曲线以获得局部数据之间的交点，并通过在它们上进行平均化的方法来尝试匹配数据。

最小二乘法的概念为我们提供了一个理论基础，以便在一定程度上预测新的数据中对象的行为或趋势。

但是，即使在相对简单的问题中，最小二乘法可能并不是最佳选择。

曲线拟合是对一系列数据进行插值的过程，以便获得与原始数据点更准确相匹配的曲线或函数。

曲线拟合可以通过在相邻数据点之间进行插值来完成。

在曲线拟合中，只有在数据有很好的统计关系或在相邻数据点
有很好的相关性时，才会产生准确的结果。

否则，结果可能并不
准确，因为这些结果取决于数据点的数量和分布。

需要注意的是，曲线拟合和最小二乘法并不是一个可以代替另
一个的工具。

它们的适用范围不同。

曲线拟合适用于对离散数据
点进行联合分析，而最小二乘法适用于求解连续数据的线性模型。

总之，数值分析中的最小二乘法和曲线拟合是非常实用的概念，可以应用于各种领域。

它们作为现代数据分析的主要工具之一，
不断吸引着越来越多的学者和工程师投入到其中，将继续发挥重
要作用。

§7 曲线拟合的最小二乘法7-1 一般的最小二乘逼近(曲线拟合的最小二乘法)最小二乘法的一般提法是:对给定的一组数据(,)(0,1,,)i i x y i m =L ,要求在函数类01{,,,}n ϕϕϕϕ=L 中找一个函数*()y S x =,使误差平方和22*222()001[()]min [()]m m m i i i i iS x i i i S x y S x y ϕδδ∈=====−=−∑∑∑其中 0011()()()()()n n S x a x a x a x n m ϕϕϕ=+++<L 带权的最小二乘法： 2220()[()()]mi i i i x S x f x δω==−∑其中()0x ω≥是［a,b ］上的权函数。

用最小二乘法求曲线拟合的问题，就是在()S x 中求一函数*()y S x =，使22δ取的最小。

它转化为求多元函数20100(,,,)()[()()]m n n i j j i i i j I a a a x a x f x ωϕ===−∑∑L 的极小点***01(,,,)n a a a L 问题。

由求多元函数极值的必要条件，有002()[()()]()0m n i j j i i k i i j k I x a x f x x a ωϕϕ==∂=−=∂∑∑ ),,1,0(n k L =若记 0(,)()()()m j k ij i k i i x x x ϕϕωϕϕ==∑ 0(,)()()()mk i i k i k i f x f x x d ϕωϕ==≡∑ ),,1,0(n k L = 则上式可改写为0(,)n kj j k j a d ϕϕ==∑ ),,1,0(n k L =这个方程称为法方程，矩阵形式.Ga d =其中 0101(,,,),(,,,)T T n n a a a a d d d d ==L L ，0001010111011(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)n n n n n n G ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ− = LL L L L L L 由于01,,,n ϕϕϕL 线性无关，故0G ≠，方程组存在唯一解*(0,1,,),k k a a k n ==L从而得到函数()f x 的最小二乘解为****0011()()()()n n S x a x a x a x ϕϕϕ=+++L 可证 *2200()[()()]()[()()]m mii i i i i i i x S x f x x S x f x ωω==−≤−∑∑ 故*()S x 使所求最小二乘解。

实验三函数逼近与曲线拟合、问题的提出：函数逼近是指“对函数类A中给定的函数f(x),记作f(x)・A,要求在另一类简的便于计算的函数类B中求函数p(x)・A,使p(x)与f (x)的误差在某中度量意义下最小”函数类A通常是区间[a,b]上的连续函数，记作C[a,b],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{ \ ( X)}o •:设\ ( X)是［a,b］上首项系数数，如果多项式序列{ \ ( X)}o：满足关系式则称多项式序列{ \(X)}o：为在［a,b］上带权的n次正交多项式。

1 )输入函数「(x)和数据a,b;2) 分别求(x n, j(x)),C j (x), j(x))的内积；. . n 2 (X n,®j(X)), ,3) 按公式①；：o(X)=1, -(X) =X n j j(X)计算；：n(X)，生成正交多项式;j鼻Wj(x),W j(x))流程图：开始a n=0的n次多项式，r(x)为［a,b］上权函；Q j秋A 0, jb(j, k)」(x) j(x) k(x)d(X> =a「(x)正交，称;:n (x)为［a,b］上带权「(x)cz>结束2、最佳一致逼近多项式f(x) C[a,b]，若存在 R*(x) H n 使得.：(f,P ；^E n ，则称 P ； (x)是 f (x)在[a,b]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。