最小二乘法公式

简介

最小二乘法公式

∑(X--X平)(Y--Y平)

=∑(XY--X平Y--XY平+X平Y平)

=∑XY--X平∑Y--Y平∑X+nX平Y平

=∑XY--nX平Y平--nX平Y平+nX平Y平

=∑XY--nX平Y平

∑(X --X平)^2

=∑(X^2--2XX平+X平^2)

=∑X^2--2nX平^2+nX平^2

=∑X^2--nX平^2最小二乘公式（针对y=ax+b形式）

a=(NΣxy-ΣxΣy)/(NΣx^2-(Σx)^2)

b=y(平均)-ax（平均）最小二乘法

在我们研究两个变量(x, y)之间的相互关系时，一般可以得到一连串成对的报告(x1, y1),(x2, y2).. (xm , ym)；将该数据描绘在x -y直角坐标系中(如图1), 若发现这些点在一条直线附近，可以令这条直线方程如(式1-1)。

Y计= a0 + a1 X (式1-1)

其中：a0、a1 是任意实数

为建立这直线方程就要确定a0和a1，应用《最小二乘法原理》，将实测值Yi与利用(式1-1)计算值(Y计=a0+a1X)的离差(Yi-Y计)的平方和〔∑(Yi - Y计)²〕最小为“优化判据”。

令: φ = ∑(Yi - Y计)² (式1-2)

把(式1-1)代入(式1-2)中得:

φ = ∑(Yi - a0 - a1 Xi)2 (式1-3)

当∑(Yi-Y计)²最小时，可用函数 φ 对a0、a1求偏导数，令这两个偏导数等于零。

(式1-4)

(式1-5)亦即

m a0 + (∑Xi ) a1 = ∑Yi (式1-6)

(∑Xi ) a0 + (∑Xi2 ) a1 = ∑(Xi, Yi) (式1-7)

得到的两个有关a0、 a1为未知数的两个方程组，解这两个方程组得出：

a0 = (∑Yi) / m - a1(∑Xi) / m (式1-8)

a1 = [∑Xi Yi - (∑Xi ∑Yi)/ m] / [∑Xi2 - (∑Xi)2 / m)] (式1-9)

这时把a0、a1代入(式1-1)中, 此时的(式1-1)就是我们回归的元线性方程即：数学模型。

在回归过程中，回归的关联式是不或许全部通过每个回归报告点(x1, y1、 x2, y2...xm,ym),为了分析关联式的好坏,可借助有关系数“R”，统计量“F”，余下标准偏差“S”执行分析；“R”越趋近于 1 越好；“F”的绝对值越大越好；“S”越趋近于 0 越好。

R = [∑XiYi - m (∑Xi / m)(∑Yi / m)]/ SQR{[∑Xi2 - m (∑Xi / m)2][∑Yi2 - m (∑Yi / m)2]} (式1-10) ＊

在(式1-1)中，m为样本容量，即实验次数；Xi、Yi分别任意一组实验X、Y的数值。微积分应用课题一 最小二乘法

从前面的学习中, 我们知道最小二乘法可以用来处理一组报告, 可以从一组测定的报告中谋求变量之间的依靠关系, 该种函数关系称为经验公式. 本课题将介绍最小二乘法的精确定义及如何谋求 与 之间近似成线性关系时的经验公式. 假定实验测得变量之间的 个报告 , , …, , 则在 平面上, 可以得到 个点 , 该种图形称为“散点图”, 从图中可以粗略看出这些点大差不差散落在某直线近旁, 我们觉得 与 之间近似为一线性函数, 下面介绍求解步骤.

考虑函数 , 其中 和 是待定常数. 假使 在一直线上, 可以觉得变量之间的关系为 . 但一般说来, 这些点不或许在与一直线上. 记 , 它反应了用直线 来描述 , 时, 计算值 与事实值 造成的偏差. 诚然要求偏差越小越好, 但受于 可正可负, 所以不能觉得总偏差 时, 函数 就很好地反应了变量之间的关系, 由于此时每个偏差的绝对值或许很大. 为了改进这一缺陷, 就考虑用 来代替 . 但是受于绝对值不易作解析运算, 所以, 更深一步用 来度量总偏差. 因偏差的平方和最小可以保证每个偏差都不会很大. 于是困难归结为确定 中的常数 和 , 使 为最小. 用该种方法确定系数 , 的方法称为最小二乘法.

由极值原理得 , 即

解此联立方程得

(*)

困难 I 为研究某一化学反映过程中, 温度 ℃)对产品得率 (％)的影响, 测得报告如下:

温度 ℃)

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

得率 (％)

45 51 54 61 66 70 74 78 85 89

(1) 利用“ListPlot”函数, 绘出报告 的散点图(采取格式: ListPlot[{ , , …, }, Prolog->AbsolutePointSize[3]] );

(2) 利用“Line”函数, 将散点连接起来, 注意观察有何特质? (采取格式: Show[Graphics[Line[{ , , …, }]] , Axes->True ]) ;

(3) 依据公式(*), 利用“Apply”函数及集合的相关运算编撰一个小的程序, 求经验公式 ;

(程序编撰思路为: 任意给定两个集合A (此处表明温度)、B(此处表明得率), 由公式(*)可定义两个二元函数(集合A和B为其变量)分别表明 和 . 集合A元素求和: Apply[Plus,A] 表明将加法施加到集合A上, 即各元素相加, 比如Apply[Plus,{1,2,3}]=6;Length[A]表明集合A 元素的个数, 即为n; A.B表明两集合元素相乘相加;A*B表明集合A与B元素对应相乘得到的新的集合.)

(4) 在与一张图中表明直线 及散点图;

(5) 预期温度为200时产品得率.

但是, 不少事实困难的观测报告 , , …, 的散点图显著地不能用线性关系来描叙, 但的确散落在某一曲线近旁, 这时可以依据散点图的轮廓和事实经验, 选一条曲线来近似表达 与 的相互关系.

困难 II 下表是美国旧轿车价格的调查资料, 今以 表明轿车的运用年数, (美元)表明相应的平均价格, 求 与 之间的关系.运用年数

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10平均价格

2651 1943 1494 1087 765 538 484 290 226 204

(1) 利用“ListPlot”函数绘出报告 的散点图, 注意观察有何特质?

(2) 令 , 绘出报告 的散点图, 注意观察有何特质?

(3) 利用“Line”函数, 将散点 连接起来, 表明有何特质?

(4) 利用最小二乘法, 求 与 之间的关系;

(5) 求 与 之间的关系;

(6) 在与一张图中表明散点图 及 有关 的图形.思考与练习

1. 如果一组报告 : , , …, 变量之间近似成线性关系, 试利用集合的相关运算, 编撰一简单程序: 对于任意给定的报告集合 , 通过求解极值原理所包含的方程组, 不需要给出 、 计算的表达式, 立刻得到 、 的值, 并就本课题 I /(3)执行实验.

注: 利用Transpose函数可以得到报告A的第一个分量的集合, 命令格式为:

先求A的转置, 然后取第一行元素, 即为报告A的第一个分量集合, 比如

(A即为矩阵 )

= (报告A的第一个分量集合)

= (报告A的第二个分量集合)

B-C表明集合B与C对应元素相减所得的集合, 如 = .

2. 最小二乘法在数学上称为曲线拟合, 请运用拟合函数“Fit”从新计算 与 的值, 并与先前的结果作一比较.