正交多项式最小二乘法拟合 数学原理

最小二乘法:从数学原理到工程实现的完整指南 在数据分析和机器学习领域,模型拟合是一项基础且关键的任务,其核心目标是寻找最能描述数据内在规律的数学表达式。最小二乘法作为解决拟合问题的经典方法,其原理是通过最小化预测值与实际观测值之间残差的平方和,来求解模型的最优参数。这种方法在数学上具有良好的性质(如可导性),便于求解,并且对大误差给予更大惩罚,符合工程实践中的常见需求。从简单的线性回归到复杂的多项式拟合,最小二乘法构成了许多高级算法的基础。在实际应用中,工程师和科学家们利用它进行曲线拟合、参数估计和趋势预测,广泛应用于信号处理、金融建模、实验数据分析 阅读详情

 

最近在工程的开发中,需要用到最小二乘法来拟合曲线,这里就将相关资料展示出来,后期开发中的算法也会陆续写出来。

在科学领域,为确定客观存在的变量之间的函数之间的关系,须根据大量的实验、观测、或者社会调查所得的数据建立函数关系式。这些数据中往往带有随机的误差,但有时却无法重新采集,如果利用这些数据按插值法求函数关系的近似表达式,必然将不合里的误差(形象的称为“噪音”)带入函数关系式中来!我们如何做到在平方误差最小的原则下最接近?这就是最小二乘拟合(数据拟合的最小二乘法)的思想!

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:

Python实战:3次多项式拟合从原理到代码实现(附完整示例) 本文详细介绍了使用Python进行3次多项式拟合的完整过程,从数学原理到代码实现。通过最小二乘法和QR分解技术,展示了如何从数据点中提取隐藏的三次函数关系,并提供了自定义实现与NumPy内置函数的对比示例。文章还讨论了实际应用中的过拟合问题和数值稳定性等关键注意事项,帮助读者掌握这一数据分析的核心技术。 阅读详情

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