最小二乘法(least squares)

本文介绍了最小二乘法的概念,作为曲线拟合和损失函数的使用,通过数学公式展示了如何求解直线方程的参数。同时,文章提到了最小二乘法与极大似然估计(MLE)的相似之处,并对两者进行了简要对比。最后,提供了多维线性求解的损失函数和Python代码示例。

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都忘了,再回顾一下:
参考知乎 https://www.zhihu.com/question/20447622 该问题下面的部分回答:

建议有时间的把问题下面的所有答案都过一遍,这样可以通过不同的切入点来更好的理解。

最小二乘法,也叫最小平方法,在古汉语中“平方”称为“二乘”,“最小”指的是参数的估计值要保证各个观测点与估计点的距离的平方和达到最小。(记得赟哥解释过,这个方法起源于日本,就直接拿过来用了,其实最小平方法更好理解一点)

最小二乘作为一种损失函数,也用做曲线拟合(曲线拟合求参数也是利用最小化平方的方法,其实也是作为一种损失函数,两个作用可以认为是一致的)

在直线的 y = ax + b中,通过给定的几个点(x1, y1), (x2, y2), (x3, y3)然后求出参数 (a, b), 根据给出的点列出方程组,然后令:
S(a,b)(y1(ax1+b))2+(y2(ax2+b))2+(y3(ax3+b))2
然后使 S(a,b) 最小化, 对a 和 b 分别求偏导,令其等于0, 求得a 和 b 的估计值。

上面这个过程是不是跟极大似然估计(MLE)的过程有点像,下面我们再回顾一下MLE做一下对比:
首先MLE使在已知分布的条件下根据一些样本来估计参数的方法:
将 y = ax + b 扩展到多维的情况,
f(x)=dj=1xjwj+ϵ=xw+ϵ
其中 xj1×d ,

<think>嗯,用户想了解如何使用最小二乘法进行路径平滑处理。首先,我得回忆一下最小二乘法的基本原理。最小二乘法主要是通过最小化误差的平方和来找到最佳拟合曲线,对吧?这在数据拟合和参数估计中很常见。那如何应用到路径平滑呢? 路径平滑通常是在机器人导航或者自动驾驶中遇到的问题,原始路径可能有很多折线或者不连续的转折点,需要平滑处理以减少急转弯,提高行驶的平稳性。这时候,最小二乘法可能用来拟合这些点,生成平滑的曲线。 接下来,我得考虑具体怎么实现。可能需要将路径点视为观测数据,设定一个参数化的曲线模型,比如多项式曲线或者样条曲线,然后用最小二乘法求解模型参数。误差项应该是实际路径点与拟合曲线之间的偏差,平方和最小化这个过程。 另外,用户提到应用场景,可能需要举几个例子,比如机器人路径规划、自动驾驶轨迹优化或者游戏中的角色移动路径平滑。这些都是常见的应用领域。 还要注意是否要考虑约束条件,比如路径的起点和终点必须固定,或者某些点必须经过。这时候可能需要带约束的最小二乘法,或者使用惩罚项的方法。 然后,实现步骤可能需要数学建模,比如构造设计矩阵和观测向量,求解线性方程组。对于二次曲线的情况,可能需要用矩阵运算来求解系数。 最后,代码示例可能会有帮助,用Python或者MATLAB展示如何用最小二乘法拟合路径点。同时,相关的问题可以引导用户深入探讨,比如与其他平滑算法的比较,如何处理动态障碍物,或者实时性要求高的场景如何优化。 不过,我得检查一下引用的资料是否相关。用户提供的引用中,有关于加权最小二乘法在相位解包裹的应用,这可能涉及到不同权重的处理,或许在路径平滑中也可以引入权重,比如对某些关键点给予更高的权重,确保拟合曲线更贴近这些点。另外,引用中还提到梯度下降,不过可能和最小二乘的直接解法不太相关,除非问题规模很大需要迭代方法。 总之,我需要整理出一个清晰的步骤,从问题分析到数学模型,再到算法实现和应用举例,同时结合用户提供的引用中的相关内容,比如加权最小二乘法的应用,可能作为扩展点提到。</think>### 最小二乘法路径平滑算法实现及应用 #### 1. 问题分析 路径平滑的核心是将原始离散路径点转化为连续平滑曲线,同时减少剧烈方向变化。最小二乘法通过最小化实际路径点与拟合曲线的垂直距离平方和,找到最优平滑路径[^1]。 #### 2. 数学模型 假设原始路径点为$(x_i, y_i)$,需拟合$n$次多项式曲线: $$ y = a_0 + a_1x + a_2x^2 + \dots + a_nx^n $$ 构造误差函数: $$ E = \sum_{i=1}^m \left( y_i - \sum_{k=0}^n a_kx_i^k \right)^2 $$ #### 3. 算法实现步骤 1. **构造设计矩阵**: $$ X = \begin{bmatrix} 1 & x_1 & x_1^2 & \dots & x_1^n \\ 1 & x_2 & x_2^2 & \dots & x_2^n \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 1 & x_m & x_m^2 & \dots & x_m^n \end{bmatrix} $$ 2. **求解正规方程**: $$ (X^T X) \mathbf{a} = X^T \mathbf{y} $$ 解得系数向量: $$ \mathbf{a} = (X^T X)^{-1} X^T \mathbf{y} $$ 3. **加权优化**(可选): 引入权重矩阵$W$处理关键点优先级[^2]: $$ \mathbf{a} = (X^T W X)^{-1} X^T W \mathbf{y} $$ #### 4. Python实现示例 ```python import numpy as np def smooth_path(points, degree=3): x = np.array([p[0] for p in points]) y = np.array([p[1] for p in points]) # 构造范德蒙德矩阵 X = np.vander(x, degree+1) # 求解最小二乘 coeffs = np.linalg.lstsq(X, y, rcond=None)[0] # 生成平滑曲线 x_smooth = np.linspace(min(x), max(x), 100) y_smooth = np.polyval(coeffs, x_smooth) return list(zip(x_smooth, y_smooth)) ``` #### 5. 应用场景 1. **自动驾驶轨迹优化**:将传感器原始路径点转化为可执行轨迹 2. **机器人导航**:平滑SLAM生成的栅格地图路径 3. **游戏AI寻路**:优化A*算法生成的折线路径[^1] 4. **无人机航迹规划**:消除GPS定位点抖动 #### 6. 参数选择建议 - **多项式次数**:通常选择3-5次,过高易过拟合 - **权重设置**:对障碍物附近点赋予更高权重保证安全性 - **边界约束**:保持起点/终点位置不变
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