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。
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。
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。
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:
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,如果
时成立,则称
在
上线性无关,称
为
上线性无关族。
,要求在函数类
中找一个函数
,使加权平地均和
,其中
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。
的极小值点
,由多元函数极值的必要条件

个未知数
个方程的方程组,称为法方程式。
称为
与
关于点集
的内积。
,记为
,其中
称为克莱姆行列式,记作
。
的充要条件是
线性无关。
使
的内积得:
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
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如果在点集
上满足
为点集
带权
的正交函数族。
上是正交函数族(权
).
,而


上取,且
是正交函数族,则法方程式成为:
,不用解线性方程组了。
容易估算,是否病态也容易判断。
及权函数
,造出带权
正交的多项式族
,用递推公式表示如下:

是正交的,这一点可以用归纳法证明。











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