用正交多项式做最小二乘拟合

数值计算(六)——函数逼近 (2)正交多项式多项式和最小二乘法 正交多项式和最小二乘法拟合 阅读详情

6.5 用正交多项式作最小二乘拟合

  我们不仅可用多项式来拟合函数,还可用一般的函数来拟合。

  定义6.1 若,如果

  

  当且仅当时成立,则称在上线性无关,称为上线性无关族。

  最小二乘法的一般提法为:对给定的一组数据,要求在函数类中找一个函数,使加权平地均和,其中

  

  这里是线性无关的函数族,是上的权函数,点处的表示该点数据的重要程度。

  求误差函数的极小值点,由多元函数极值的必要条件

  

  得:

  

  这是个未知数个方程的方程组,称为法方程式。

  定义6.2:称为与关于点集的内积。

  这样,法方程式可简写为,记为,其中

  

  称为克莱姆行列式,记作。

  定理6.2 的充要条件是线性无关。

  证明:若存在使

  对此式两边分别取与的内积得:

  

  这是一个以为未知数的齐次方程组,有非零解的充要条件是系数矩阵行列式等于零,于是的充要条件是方程有全零解,即全为0,所以线性无关。证毕。

  由于法方程有惟一解的充要条件是,因而线性无关也是法方程有惟一解的充要条件。特别当取为时,由于是在中的线性无关函数族,因而必有最小二乘解。

  用上的多项式拟合,需要解一个的线性方程组,且当取得大一此时,法方程的系数矩阵会出现病态。从系数矩阵B的形式看,里面的元素都是些内积,是否能取某些函数族,使对非对角元素全变为0?如果有这样的函数族,那么方程容易解,病态也得到改善。

  定义6.3 函数族如果在点集上满足

  

  称为点集带权的正交函数族。

  例6.7 三角函数族上是正交函数族(权).

  实际上,而

  

  

  

  如果拟合函数在上取,且是正交函数族,则法方程式成为:

  

  直接可得到,不用解线性方程组了。

  且容易估算,是否病态也容易判断。

  完成以上工作的关键在于如何构造正交函数族。

  正交多项式是最简单的正交函数族。常用的正交多项式如:Chebyshev(切比雪夫)多项式、Legendre(勒让德)多项式等。

  现在我们根据给定结点及权函数,造出带权正交的多项式族,用递推公式表示如下:

  

  其中

  

  这样给出的是正交的,这一点可以用归纳法证明。

  例6.8 已知函数表,利用正交多项式求拟合多项。

1

2

3

4

4

10

18

26

1

1

1

1

  解:设

  

  所以:

  

  

  所以:

  

  所以:

  得:

用离散正交多项式求三次拟合多项式[MATLAB版本] 已知观察数据如下表所示,按下属方案求最小二乘拟合函数,并求出偏差平方和 ,比较拟合曲线的优劣。  x:0 0.2 0.6 1.0 1.3 1.6 1.7 1.8 1.9 2.2 2.3 2.5 2.6  y:0 -2.5 -4.0 -5.7 -3.5 -2.0 -1.0 2.0 3.5 4.0 7.0 7.5 9.9  x:2.9 3.1 3.4 3.8 4.1 4.4 4.7 4.8 4.9 5 阅读详情

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