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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,当所得数据比拟准确时,可构造插值函数逼近客观存在的函数,构造
的原那么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,含有不可防止的误差〔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
间误差最小原那么作为“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。按均方误差到达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根本方法。
关于最小二乘法的创造权,在数学史的研究中尚未定论。有材料说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。
例如,某风景区要在已有的景点之间修一条规格较高的主干路,景点与主干路之间由各具特色的支路联接。设景点的坐标为点列
;设主干路为一条直线,即拟合函数是一条直线。通过计算均方误差最小值而确定直线方程〔见图6.2〕。
6.2线性拟合和二次拟合函数
线性拟合
给定一组数据,做拟合直线,均方误差为
〔6.2〕
是二元函数,的极小值要满足
整理得到拟合曲线满足的方程:
〔6.3〕
或
称式〔6.3〕为拟合曲线的法方程。用消元法或克莱姆法那么解出方程:
a=
=
例6.1下表为P.Sale及R.Dybdall在某处作的鱼类抽样调查,表中为鱼的数量,为鱼的种类。请用线性函数拟合鱼的数量和种类的函数
关系。
1315162122232529303136
11101112121313
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