直线拟合(最小二乘法)

直线方程:
y=ax+b y=ax+b y=ax+b
实验测试获得一组数据,记为:(xi,yi) (x_i, y_i)(xi,yi)
现需要根据测试数据,求直线方程参数a, b使得该直线最符合实验数据结果,即等价于问题:
mina,bΣ[yi−(axi+b)]2 \underset{a, b}{min} \Sigma[y_i - (ax_i + b)]^2 a,bminΣ[yi(axi+b)]2
记:
sum=Σ[yi−(axi+b)]2\Sigma[y_i - (ax_i + b)]^2Σ[yi(axi+b)]2
对a, b求导:
dsumda=Σ{−2xi[yi−(axi+b)]}=0 \frac{dsum}{da} = \Sigma\{-2x_i[y_i-(ax_i+b)]\} = 0 dadsum=Σ{2xi[yi(axi+b)]}=0
dsumdb=Σ{−2[yi−(axi+b)]}=0 \frac{dsum}{db}=\Sigma\{-2[y_i-(ax_i+b)]\} = 0 dbdsum=Σ{2[yi(axi+b)]}=0
从而解得:
a=nΣxiyi−ΣxiΣyinΣxi2−(Σxi)2 a = \frac{n\Sigma x_iy_i - \Sigma x_i \Sigma y_i}{n\Sigma x_i^2 - (\Sigma x_i)^2} a=nΣxi2(Σxi)2nΣxiyiΣxiΣyi
b=Σyi−aΣxin b = \frac{\Sigma y_i - a\Sigma x_i}{n} b=nΣyiaΣxi
其中,n为测试得到的数据总数。
nΣxi2−(Σxi)2=0n\Sigma x_i^2 - (\Sigma x_i)^2=0nΣxi2(Σxi)2=0时,直线斜率a为无穷大,不存在,此时,直线方程为:
x=(Σxi)/n x = (\Sigma x_i) / n x=(Σxi)/n

参考资料中对于a,b系数的结果弄反,故而重新梳理公式。

参考资料:
https://wenku.baidu.com/view/d4ede28a910ef12d2af9e7e1.html

<think>嗯,用户想用最小二乘法对超声波测量数据进行直线拟合。我需要先回顾一下最小二乘法的基本原理。最小二乘法是一种数学优化技术,通过最小化误差的平方和来找到数据的最佳函数匹配。在直线拟合的情况下,我们需要找到一条直线$y = ax + b$,使得所有数据点到这条直线的垂直距离的平方和最小。 首先,我需要确定数学模型的建立。假设有n个数据点$(x_i, y_i)$,其中i从1到n。每个数据点的预测值为$\hat{y}_i = ax_i + b$,而实际值与预测值之间的残差为$e_i = y_i - \hat{y}_i$。最小二乘法的目标是最小化所有残差的平方和,也就是$\sum_{i=1}^{n} e_i^2 = \sum_{i=1}^{n} (y_i - ax_i - b)^2$。 接下来,需要对这个目标函数关于参数a和b求偏导,并令导数为零,从而得到方程组。对a求偏导的话,应该是$\frac{\partial}{\partial a} \sum_{i=1}^{n} (y_i - ax_i - b)^2 = 0$。展开后可以得到$-2 \sum_{i=1}^{n} x_i(y_i - ax_i - b) = 0$。同样,对b求偏导得到$-2 \sum_{i=1}^{n} (y_i - ax_i - b) = 0$。 整理这两个方程,可以得到两个线性方程: 1. $\sum_{i=1}^{n} x_i y_i = a \sum_{i=1}^{n} x_i^2 + b \sum_{i=1}^{n} x_i$ 2. $\sum_{i=1}^{n} y_i = a \sum_{i=1}^{n} x_i + b n$ 这组方程可以通过代数方法解出a和b的值。比如,可以用克莱姆法则或者消元法来解这两个方程。为了确保用户能够理解,可能需要详细写出解的过程,或者直接给出最终的表达式。 然后,可能需要考虑数值计算的稳定性。在实际应用中,如果数据点的x值差异很大,可能会导致计算中的数值误差。不过对于超声波测量数据来说,可能数据范围相对稳定,所以直接应用公式应该没问题。 接下来是代码实现的部分。用户需要示例代码,所以需要用Python来写。代码应该包括计算a和b的步骤。首先,需要计算各个求和项,比如$\sum x_i$, $\sum y_i$, $\sum x_i y_i$, $\sum x_i^2$。然后代入公式计算a和b。 例如,假设用户的数据存储在一个二维数组中,或者两个列表x和y。代码需要遍历这些数据,计算各个求和项。然后根据公式计算a和b的值。可能还需要处理除以零的情况,但假设数据点至少有两个不同的x值,避免分母为零的情况。 数学推导方面,需要详细展示如何从目标函数到正规方程的推导过程,确保用户能够理解每个步骤。同时,在代码实现中,要注释清楚每个步骤的作用,方便用户理解。 最后,用户可能关心如何验证拟合结果的正确性,比如计算残差平方和,或者绘制数据点和拟合直线的图像。可能需要在示例代码中加入绘图部分,或者给出评估指标。 总结一下,回答的结构应该是:数学推导部分,步骤分明的公式推导;代码实现部分,清晰的Python代码;可能的应用注意事项或验证方法。同时,要确保所有公式用正确的LaTeX格式,行内公式用$...$,独立公式用$$...$$,代码用代码块包裹,并遵循用户的其他格式要求。</think>### 最小二乘法直线拟合原理 最小二乘法通过最小化残差平方和确定最佳拟合直线参数。对于超声波测量数据$(x_i,y_i)$,假设拟合直线为$y=ax+b$,目标是最小化误差函数: $$ S = \sum_{i=1}^n (y_i - ax_i - b)^2 $$ 对$a,b$分别求偏导并令导数为零,得到正规方程组[^1]: $$ \begin{cases} a\sum x_i^2 + b\sum x_i = \sum x_i y_i \\ a\sum x_i + bn = \sum y_i \end{cases} $$ 解得参数为: $$ a = \frac{n\sum x_i y_i - \sum x_i \sum y_i}{n\sum x_i^2 - (\sum x_i)^2}, \quad b = \frac{\sum y_i - a\sum x_i}{n} $$ ### Python实现示例 ```python import numpy as np def linear_least_squares(x_data, y_data): n = len(x_data) sum_x = np.sum(x_data) sum_y = np.sum(y_data) sum_xy = np.sum(x_data * y_data) sum_x2 = np.sum(x_data ** 2) a = (n * sum_xy - sum_x * sum_y) / (n * sum_x2 - sum_x ** 2) b = (sum_y - a * sum_x) / n return a, b # 示例数据(超声波时间-距离测量) x = np.array([0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5]) # 时间(ms) y = np.array([34.5, 68.1, 102.3, 136.8, 170.2]) # 距离(mm) a, b = linear_least_squares(x, y) print(f"拟合直线方程: y = {a:.2f}x + {b:.2f}") ``` ### 关键注意事项 1. **数据预处理**:超声波数据需先进行异常值剔除和时间单位统一化 2. **数值稳定性**:当$\sum x_i^2 - (\sum x_i)^2/n$趋近于零时,需添加正则化项[^2] 3. **物理意义验证**:拟合结果的斜率$a$应接近声速理论值(空气中约343m/s)
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