实验4 递推最小二乘法的实现

递推最小二乘法原理递推最小二乘法（Recursive Least Squares, 简称RLS）是一种经典的参数估计方法，广泛应用于信号处理、通信系统、自适应滤波等领域。

它通过不断迭代更新参数，逐步逼近最优解，具有快速收敛、适应性强的特点。

本文将从最小二乘法出发，介绍递推最小二乘法的原理及其应用。

最小二乘法（Least Squares）是一种常见的参数估计方法，用于寻找一组参数，使得模型预测值与观测值之间的误差平方和最小。

对于线性模型，最小二乘法可以通过求解正规方程或者利用矩阵运算的方式得到最优参数。

然而，在实际应用中，数据通常是逐步到来的，因此需要一种能够动态更新参数的方法，于是递推最小二乘法应运而生。

递推最小二乘法的基本原理是利用递推的方式不断更新参数，以逼近最优解。

在每一时刻，根据当前的观测数据和先前的参数估计，通过递推公式计算出新的参数估计值，从而实现参数的动态更新。

这样的方法不仅能够适应数据的动态变化，还能够实现快速的收敛，适用于实时系统和非平稳环境下的参数估计。

递推最小二乘法的核心思想是利用指数加权的方式对历史数据进行处理，赋予近期数据更大的权重，从而更好地适应数据的变化。

通过引入遗忘因子（Forgetting Factor），可以控制历史数据对参数估计的影响程度，使得算法更具灵活性和适应性。

同时，递推最小二乘法还可以结合正交分解等技术，进一步提高计算效率和数值稳定性。

在实际应用中，递推最小二乘法被广泛应用于自适应滤波、信道均衡、系统辨识等领域。

例如，在自适应滤波中，递推最小二乘法可以根据接收信号的实际情况，动态调整滤波器的参数，实现信号的实时去噪和增强。

在通信系统中，递推最小二乘法可以用于自适应调制解调器的设计，提高系统的抗干扰能力和适应性。

此外，递推最小二乘法还被广泛应用于雷达跟踪、无线定位等领域，发挥着重要作用。

总之，递推最小二乘法作为一种经典的参数估计方法，具有快速收敛、适应性强的特点，在信号处理、通信系统、自适应滤波等领域有着重要的应用。

递推最小二乘法协方差矩阵概述说明以及解释1. 引言1.1 概述在统计学和计量经济学中，递推最小二乘法（Recursive Least Squares，简称RLS）是一种常用的参数估计方法。

它通过不断更新样本数据进行参数的估计，并且可以适用于非静态数据场景。

协方差矩阵是统计分析中重要的概念，它描述了变量之间的线性关系强度和方向，并且在许多领域具有广泛应用。

1.2 文章结构本文首先介绍递推最小二乘法的定义和原理，在此基础上详细解释算法的步骤以及其应用领域。

接着，我们将引入协方差矩阵的概念并介绍其计算方法，同时探讨了它在实际问题中所起到的作用和应用场景。

最后，我们将对递推最小二乘法与协方差矩阵之间的关系进行解释，并通过实例分析来说明它们如何相互影响。

1.3 目的本文旨在全面介绍递推最小二乘法和协方差矩阵，并深入探讨它们之间的联系。

通过对这两个概念及其应用的理解，我们可以更好地理解参数估计方法和变量间关系的描述与分析。

此外，我们还将展望相关领域未来可能的研究方向，以促进学术和实践的进一步发展。

2. 递推最小二乘法2.1 定义和原理:递推最小二乘法是一种用于估计线性模型参数的方法。

它可以通过历史数据的不断更新来逐步拟合模型，以使得估计值与观测值之间的误差达到最小化。

该方法可以被形式化地描述为以下步骤：1. 初始化模型参数的初始值。

2. 从历史数据中选择一个样本，并使用当前参数估计出该样本对应的输出值。

3. 计算该样本的预测误差。

4. 根据预测误差对参数进行调整，使得预测误差尽量减小。

5. 重复步骤2至4，直到所有样本都被处理过一遍，或者满足终止条件。

递推最小二乘法是基于最小二乘原理，即将真实观测值与模型预测值之间的差异平方求和并最小化这个目标函数。

通过迭代地更新参数，递推最小二乘法可以逐渐优化模型，并获得更准确的参数估计。

2.2 算法步骤:具体而言，在每次迭代中，递推最小二乘法按照以下步骤进行操作：1. 根据历史数据选择一个样本，并根据当前的参数估计出预测值。

递推最小二乘法推导递推最小二乘法是一种经典的数学方法，用于解决数据拟合问题。

它通过最小化误差平方和的方法，寻找最佳的拟合曲线或平面，从而对数据进行预测和分析。

本文将详细介绍递推最小二乘法的原理和推导过程。

一、引言在现实生活和科学研究中，我们经常需要通过已知的数据来拟合一个函数，以便对未知的数据进行预测或分析。

而最小二乘法就是一种常用的数据拟合方法，它的基本思想是通过最小化误差的平方和，找到最佳的拟合函数。

二、最小二乘法的基本原理最小二乘法的基本原理是通过最小化残差平方和来确定拟合函数的参数。

残差指的是每个数据点的观测值与拟合函数预测值之间的差异。

最小二乘法的目标是找到使得残差平方和最小的参数值，从而得到最佳的拟合曲线或平面。

三、递推最小二乘法的推导过程递推最小二乘法是最小二乘法的一种改进方法，它能够更加高效地进行参数估计。

下面将结合一个简单的一元线性回归问题，来详细介绍递推最小二乘法的推导过程。

假设我们有一组样本数据(x₁, y₁), (x₂, y₂), …, (xₙ, yₙ)，需要找到一条直线y = ax + b 来拟合这些数据。

我们可以定义残差eᵢ= yᵢ- (axᵢ + b)，其中 eᵢ表示第 i 个数据点的残差。

我们的目标是通过最小化残差平方和来确定直线的参数a 和b。

即最小化损失函数 S = Σ(eᵢ²)。

我们需要计算一些中间变量，包括样本数据的均值xₙ和yₙ，以及样本数据的协方差 sₓy 和方差 sₓ²。

其中，xₙ = (x₁ + x₂ + … + xₙ) / n，yₙ = (y₁ + y₂ + … + yₙ) / n，sₓy = (Σ(xᵢ - xₙ)(yᵢ - yₙ)) / (n - 1)，sₓ² = (Σ(xᵢ - xₙ)²) / (n - 1)。

接下来，我们可以通过递推公式来更新参数 a 和 b 的估计值。

首先，我们初始化a₀和 b₀的估计值为0。

1最小二乘法的理论基础1.1最小二乘法设单输入单输出线性定长系统的差分方程表示为：其中δ(k)为服从N(0,1)的随机噪声,现分别测出n+N 个输出输入值y(1),y(2),…,y(n+N),u(1),u(2),…,u(n+N),则可写出N 个方程，写成向量－矩阵形式()()()()()()()()1201121n n y k a y k a y k a y k n b u k b u k b u k n k ξ=-------++-++-+L L ()()()()()()()()()()()()()()()()()()10111121222112n n y n y n y u n u y n y n y u n u y n N y n N y N u n N u N a n a n b n N b ξξξ+--+⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥+-+-+⎢⎥⎢⎥=⨯⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥+-+--+⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎡⎤⎢⎥+⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥+⎢⎥+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥+⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦LLL L M M MMLL M M M(4.1.1)则式(1.1.1)可写为 （4.1.2）式中：y 为N 维输出向量；ξ为N 为维噪声向量；θ为（2n+1）维参数向量；Φ为N ×（2n+1）测量矩阵。

因此，式（4.1.1）是一个含有（2n+1）个未知参数，由N 个方程组成的联立方程组。

11y θφφξ--=-在给定输出向量y 和测量矩阵Φ的条件下求参数θ的估计，这就是系统辨识问题。

设 表示 θ 的估计值，ŷ表示y 的最优估计，则有 （4.1.3） 式中：()()()10ˆˆ1ˆˆ2ˆˆ,ˆˆˆn n ay n a y n y b y n N b θ⎡⎤⎢⎥+⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥+⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥+⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦M M M ()()()()()()()()()()()()()()()()()()101122,,11112221n n a y n n y n a n y b y n N n N b y n y u n u y n y u n u y n N y N u n N u N ξξθξξφ⎡⎤⎢⎥++⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥++⎢⎥⎢⎥===⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥++⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦--+⎡⎤⎢⎥-+-+⎢⎥=⎢⎥⎢⎥-+--+⎢⎥⎣⎦M M M M L LL L M MMLL y φθξ=+ˆθˆˆyθ=Φ设e(k)=y(k)- ŷ(k), e(k)称为残差，则有e=y- ŷ=y-Φθ 最小二乘估计要求残差的平方和最小，即按照指数函数（4.1.4）求Ｊ对 的偏导数并令其等于0可得：（4.1.5）由式（4.1.5）可得的 θ 最小二乘估计：（4.1.6）J 为极小值的充分条件是：即矩阵ΦT Φ为正定矩阵，或者说是非奇异的。

5． 最小二乘参数的递推算法根据递推公式用循环实现递增。

如果满足所要求的精度，则跳出循环。

递推公式如下：)ˆ)1((ˆˆT 11θw K θθ⨯-++=++NN N N N z 1T 1))(1()(-++=N N N N N N w P w w P K))(1/()()()()1(T T N N N N N N N N N w P w P w w P P P +-=+源程序为：“ls.dsw ” 。

输入信号M 序列存在数据文件“data1.txt ”中 ，均值为0,方差为0.1的高斯白噪声存在数据文件“data2.txt ”中 。

估计结果存在数据文件“data3.txt ”中。

源程序：math.h"#include "stdio.h"#include "brmul.c"#include "brinv.c"int main(){FILE *fp1,*fp2,*fp;int u[600]; double v[600];int i, j, k, count;double y1[4][1],y[510],y2[1][1];double t1[4][1],t2[1][4],t3[1][1],t5[4][4],t6[4][4];double o[4][1], o1[500][4], w[4][1], w1[1][4];double p[4][4], km[4][1], er[4][1];double maxe;t3[0][0] = 0.0;y2[0][0] = 0.0;fp1 = fopen("data1.txt","r");fp2 = fopen("data2.txt","r");for( i = 0; i < 600; i++ ){fscanf(fp1,"%d",&u[i]);//输入信号M 序列fscanf(fp2,"%lf",&v[i]);//均值为0,方差为0.1的白噪声}fclose(fp1);fclose(fp2);y[0] = v[0];y[1] = v[1]; for( i = 2; i < 510; i++ )y[i] = 1.5*y[i-1]-0.7*y[i-2]+u[i-1]+0.5*u[i-2]+v[i];y1[0][0] = -1.5;y1[1][0] = 0.7;y1[2][0] = 1.0;y1[3][0] = 0.5;for( i = 0; i < 4; i++ ) o[i][0] = 0;for( i = 0; i < 4; i++ )for( j = 0; j < 4;j++ ){if( i == j ) p[i][j] = 1000000;else p[i][j] = 0;}for( k = 0; k < 500; k++ ){for( i = 0; i < 2; i++ ) w[i][0] = w1[0][i] = -y[1-i+k];for( i = 2; i < 4; i++ ) w[i][0] = w1[0][i] = u[3-i+k];brmul(p,w,4,4,1,t1);brmul(w1,p,1,4,4,t2);brmul(t2,w,1,4,1,t3);for( i = 0; i < 4; i++ ) km[i][0] = t1[i][0]/(1+t3[0][0]);brmul(w1,o,1,4,1,y2);for( i = 0; i < 4; i++ ) o[i][0] = o[i][0] + km[i][0]*(y[k+2] - y2[0][0]);brmul(t1,w1,4,1,4,t5);brmul(t5,p,4,4,4,t6);for( i = 0; i < 4; i++ )for( j = 0; j < 4; j++ ) p[i][j] = p[i][j] - t6[i][j]/(1+t3[0][0]);for ( i = 0; i < 4; i++ ) o1[k][i] = o[i][0];maxe = 0;for( i = 0; i < 4; i++ ){er[i][0] = fabs((o[i][0] - y1[i][0])/y1[i][0]);maxe = max( er[i][0], maxe );}count = k;if( maxe < 0.01 ) break;}fp = fopen("Data3.txt","w");fprintf(fp,"a0\t\ta1\t\tb0\t\tb1\n");for( i = 0; i < count+1; i++ ){fprintf(fp,"%f\t%f\t%f\t%f\n",o1[i][0],o1[i][1],o1[i][2],o1[i][3]);}fclose(fp);return 0; }。

线性方程组的最优求解方法一．递推最小二乘法设线性方程组b Ax = (1)则有k b k =x :A ),(, (n k Λ,2,1=) (2)其中，[]kn k k a a a k ,,,:),(21Λ=A ，[]Tn x x x ,,,21Λ=x 。

设x :A ),()(k k f = (3)下面采用基于递推最小二乘法(RLS)的神经网络算法来训练权值向量x ，以获得线性方程组（1）的解x 。

由式（3）可知，若以)(k f 为神经网络输出，以k b 为神经网络训练样本，以x 为神经网络权值向量，[]kn k k a a a k ,,,:),(21Λ=A 为神经网络输入向量，则解线性方程组的神经网络模型如同1所示。

图1 神经网络模型采用RLS 算法训练神经网络权值向量x ，其算法如下： （1）神经网络输出：x :A ),()(k k f = (4)（2）误差函数：)()(k f b k e k -= (5)（3）性能指标：∑==n k k e J 12)(21 (6)（4）使min =J 的权值向量x ，即为所求的神经网络权值向量x ，这是一个多变量线性优化问题，为此，由0=∂∂xJ可得最小二乘递推法（RLS ）：]),([1k k k k k k b x :A Q x x -+=+ (7)),(),(1),(:A P :A :A P Q k k k T k T k k+= (8)k k k k P :A Q I P )],([1-=+ (9)()n k ,,2,1Λ=随机产生初始权值向量)1,(0n rand =x ，设nn ⨯∈=R I P α0（α是足够大的正数（一般取10610~10=α），nn ⨯∈R I 是单位矩阵），通过对样本数据训练，即可获得神经网络权值向量x ，此即为线性方程组（1）的解。

二．具有遗忘因子的递推最小二乘估计公式为：]),([1k k k k k k b x :A Q x x -+=+ (10)),(),(),(:A P :A :A P Q k k k Tk T k k+=λ (11) k k k k P :A Q I P )],([11-=+λ(12)式中，1:)],(:),([)(-=k A k A k TW P ，W 为加权对角阵：⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=--10021λλλOn n W（nn ⨯∈=R I P α0，10610~10=α）。

递推最小二乘法递推最小二乘法是一种避免精度损失的迭代计算方法，在最小二乘法的基础上加以改进，主要用于拟合复杂的数据，解决拟合时出现精度下降问题。

一、什么是递推最小二乘法递推最小二乘法是一种迭代计算方法，利用多项式曲线拟合曲线数据，对于某个曲线，只需要实施最小二乘法的迭代计算，而不需要考虑精度的损失。

递推最小二乘法的主要工作是根据给定的拟合曲线，把它拟合到数据集中，从而使数据集距离拟合曲线最小。

二、递推最小二乘法的原理递推最小二乘法的核心原理是，利用多项式拟合曲线，按照“最小二乘法”的原理，以当前拟合曲线为参照，不断进行前进和后退，以达到拟合曲线将数据集中的数据最佳拟合的目的。

这个最佳拟合目标就是实现拟合曲线与数据集之间的最小误差，其中，最小误差就是拟合曲线与实际数据集之间的最小差值。

递推最小二乘法的实现方式主要有两种，一种是基于递推的方式，另一种是基于函数的方式。

前者大致的实现方法是：先计算出多项式拟合曲线的每一个系数，然后再利用这些系数计算出多项式拟合曲线的最终拟合曲线，最后比较拟合曲线与实际数据集之间的实际差异，根据差异再调整系数，不断循环，直到最后拟合曲线与实际数据集之间的实际差异达到预期值为止。

函数的实现方式也很类似，只是在计算过程中，会使用函数的方式，将拟合曲线的系数表示为函数的形式，然后再比较拟合曲线与实际数据集之间的实际差异，根据差异再调整函数系数，最后实现拟合曲线与实际数据集之间的最小差异。

三、应用递推最小二乘法在实际应用中可以用来拟合复杂的数据曲线，以求得更好的拟合效果，解决拟合时出现精度下降问题。

它具有计算量小、运算简单、拟合结果较好的优点，因此在实际应用中得到了广泛的使用，比如在众多植物物种的遗传分析中，用递推最小二乘法来拟合植物的遗传规律，以获得更准确的估计结果；在探测地球大气层时，也可以用最小二乘法来拟合大气层中的湿度数据，以获取更加准确的湿度数据；在搜索引擎中，对查询结果也可以用最小二乘法拟合出来，以获得更准确的查询结果等等。