第5章最小二乘法讲解材料.ppt

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第5章最小二乘法讲解材料.ppt

3.不等精度测量的线性参数最小二乘法处理的正规方程 不等精度测量时线性参数的误差方程仍如上述式(5—9)一样,但在进行最小二乘法处理时,要取加权残余误差平方和为最小,即 用矩阵表示的正规方程与等精度测量情况类似,可表示为 (5-27) 即 上述正规方程又可写成 (5-28) 该方程的解,即参数的最小二乘法处理为 (5-29) 令 则有 (5-30) 例5—2 某测量过程有误差方程式及相应的标准差如下: 试求x1,x2的最小二乘法处理正规方程的解。 解: (1)首先确定各式的权 (2)用表格计算给出正规方程常数项和系数 (3)给出正规方程 (4)求解正规方程组 解得最小二乘法处理结果为 四、最小二乘原理与算术平均值原理的关系 为了确定一个量X的估计量x,对它进行n次直接测量,得到n个数据 l1,l2,…,ln,相应的权分别为p1,p2,…,pn,则测量的误差方程为 (5-35) 其最小二乘法处理的正规方程为 (5-36) 由误差方程知a=l,因而有 可得最小二乘法处理的结果 (5-37) 这正是不等精度测量时加权算术平均值原理所给出的结果。 对于等精度测量有 则由最小二乘法所确定的估计量为 此式与等精度测量时算术平均值原理给出的结果相同。 由此可见,最小二乘法原理与算术平均值原理是一致的,算术平均值原理可以看做是最小二乘法原理的特例。 第三节 精度估计 对测量数据最小二乘法处理的最终结果,不仅要给出待求量的最可信赖的估计量,而且还要确定其可信赖程度,即应给出所得估计量的精度。 一、测量数据的精度估计 为了确定最小二乘估计量X1,X2,…,Xt的精度,首先需要给出直接测量所得测量数据的精度。测量数据的精度也以标准差σ来表示。因为无法求得σ的真值,因而只能依据有限次的测量结果给出σ的估计值 ,所谓给出精度估计,实际上是求出估计值 。 (一)等精度测量数据的精度估计 设对包含t个未知量的n个线性参数方程组(5-7)进行n次独立的等精度测量,获得了n个测量数据l1,l2,…,ln。其相应的测量误差分别为δ1,δ2,…,δn,它们是互不相关的随机误差。因为一般情况下真误差δ1,δ2,…,δn是未知的,只能由残余误差νl,ν2,…,νn给出σ的估计量。 前面已证明 是自由度为(n-t)的χ2变量。 根据χ2变量的性质,有 (5-39) 取 (5-40) 可以证明它是σ2的无偏估计量 因为 习惯上,式5-40的这个估计量也写成σ2,即 (5-41) 因而测量数据的标准差的估计量为 (5-43) 例5.3 试求例5.1中铜棒长度的测量精度。 已知残余误差方程为 将ti,li,值代人上式,可得残余误差为 (二)不等精度测量数据的精度估计 不等精度测量数据的精度估计与等精度测量数据的精度估计相似,只是公式中的残余误差平方和变为加权的残余误差平方和,测量数据的单位权方差的无偏估计为 (5-44) 通常习惯写成 (5-45) 测量数据的单位权标准差为 (5-46) 二、最小二乘估计量的精度估计 最小二乘法所确定的估计量X1,X2,…,Xt的精度取决于测量数据的精度和线性方程组所给出的函数关系。对给定的线性方程组,若已知测量数据l1,l2,…,ln的精度,就可求得最小二乘估计量的精度。 下面首先讨论等精度测量时最小二乘估计量的精度估计。 设有正规方程 现要给出由此方程所确定的估计量xl,x2,…,xt的精度。为此,利用不定乘数法求出xl,x2,…,xt的表达式,然后再找出估计量xl,x2,…,xt的精度与测量数据l1,l2,…,ln精度的关系,即可得到估计量精度估计的表达式。 设d11,dl2,…,dlt;d2l,d22,…,d2t:…; dtl,dt2,…,dtt分别为下列各方程组的解: 则各估计量xl,x2,…,xt的方差为 (5-52) 相应的标准差为 (5-53) 式中,σ为测量数据的标准差。 不等精度测量的情况与此类似。 矩阵形式的结果表达 利用矩阵的形式可以更方便地获得上述结果。 设有协方差矩阵(n×n阶矩阵) 式中 等精度独立测量 若l1,l2,…,ln为等精度独立测量的结果,即 且相关系数ρij = 0,即Dlij = 0 协方差矩阵 于是估计量的协方差为 式中各元素即为上述的不定乘数,可由矩阵(ATA)求逆而得,或由式(5—51)求得。 各估计量xl,x2,…,xt的方差为 第5章 线性参数的最小二乘法处理 最小二乘法是用于数据处理和误差估计中的一个很得力的数学工具。对于从事精密科学实验的人们说来,应用最小二乘法来解决一些实际问题,仍是目前必不可少的

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