曲线拟合与最小二乘法
曲线拟合最小二乘法
曲线拟合最小二乘法
最小二乘法是统计学中最常用的数据拟合方法，也被称为**最小平方法**。
该方法在数学和统计学中已经有很长的历史，广泛应用于各种学科的科学研究和实际应用。
最小二乘法的主要思想是最小化所给数据点与目标曲线之间的误差平方和，以此来确定目标曲线的参数。
具体而言，最小二乘法是根据**基函数**与参数之间的函数关系，采用多元函数去拟合所给数据点，旨在最小化拟合数据点和多元函数之间误差平方和的拟合方法。
最小二乘法可以用来拟合任何形式的曲线，在各种应用中都大量应用。
比如在政治学、经济学和心理学中，研究者通过最小二乘法来拟合某种结果与输入变量之间的联系，以更好地理解呈现结果的背景机制；在数值计算中，最小二乘法可用来拟合数值计算数据，从而精确地求解各种方程；而在工程学中，最小二乘法常用来拟合统计数据，估计影响工作效率的各种自变量。
总之，最小二乘法是一种统计学中经久不衰的拟合方法，可以用来拟合任何形式的曲线，在广泛的应用领域有着重要地位。
计算方法课件第六章最小二乘法与曲线拟合
例1： y aebx
ln y ln a bx
u ln y, A ln a, B b
u A Bx
例2： y
a
1 bx
u 1 y
1 a bx y u a bx
3.写出矛盾方程组。 4.写出正则方程组。（可由多项式模型直接得到）
5.求解正则方程组，得到拟合曲线的待定系数。 6.将正则方程组的解带回到数学模型中，得到拟 合曲线。
Remark
1.同一问题可以有不同的拟合曲线，通常根据均方误
差 N [ (xi 和) 最yi大]2 偏差
max
1i N
( xi
t cos 0.669131 0.390731 0.121869 -0.309017 -0.587785
记 a 1 , b e ，得拟合模型：a bt y
p
p
则矛盾方程组为：
1 0.669131
0.370370
1
1 1
0.390731 0.121869 0.309017
a b
0.500000
一、曲线拟合模型
定义：依据某种标准选择一条“最好”的简单
曲线作为一组离散数据(
xi
,
yi
)
N i0
的连续模型。
确定曲线的类型：一般选取简单的低次多项式。
求一个次数不高于N－1次的多项式：
y (x) a0 a1x a2x2 amxm
(m N 1)
（其中a0,a1,…,am待定），使其“最好”的拟合
j 1
j 1
n a1 j x j b1
计算方法 第三章曲线拟合的最小二乘法20191103
§2 多项式拟合函数
例3.1 根据如下离散数据拟合曲线并估计误差
x 1 23 4 6 7 8 y 2 36 7 5 3 2
解: step1: 描点
7
*
step2: 从图形可以看出拟
6 5
*
合曲线为一条抛物线：
4
y c0 c1 x c2 x2
3 2 1
* *
* * *
step3: 根据基函数给出法
法
18
定理 法方程的解是存在且唯一的。
证： 法方程组的系数矩阵为
(0 ,0 ) (1 ,0 )
G
(0
,1
)
(1 ,1 )
(0 ,n ) (1 ,n )
(n ,0 )
(
n
,
1
)
(n ,n )
因为0( x),1( x), ...,n( x)在[a, b]上线性无关，
所以 G 0,故法方程 GC F 的解存在且唯一。
第三章 曲线拟合的最小二乘法
2
最小二乘拟合曲线
第三章 曲线拟合的最小二乘
2021/6/21
法
3
三次样条函数插值曲线
第三章 曲线拟合的最小二乘
2021/6/21
法
4
Lagrange插值曲线
第三章 曲线拟合的最小二乘
2021/6/21
法
5
一、数据拟合的最小二乘法的思想
已知离散数据： ( xi , yi ), i=0,1,2,…,m ,假设我们用函
便得到最小二乘拟合曲线
n
* ( x) a*j j ( x) j0
为了便于求解，我们再对法方程组的导出作进一步分析。
第三章 曲线拟合的最小二乘
曲线拟合 最小二乘法
曲线拟合最小二乘法
曲线拟合是指通过已知数据点来推导出一条函数曲线，使得该曲线尽
可能地贴近这些数据点。
而最小二乘法（Least Squares Method）是求解
这种拟合问题的一种常用方法。
最小二乘法的核心思想是尽量减小误差平方和。
假设已知的数据点为$(x_i, y_i)$，曲线函数为 $y=f(x)$，我们希望找到一组参数 $\theta$，使得 $f(x_i;\theta)$ 与 $y_i$ 的差距最小，即：
$$\min_{\theta}\sum_{i=1}^n [y_i - f(x_i;\theta)]^2$$。
这个式子被称为目标函数，也叫做残差平方和（RSS）。
通过对目标
函数进行求导，可以得到最优参数 $\theta^*$ 的解析解：
$$\theta^* = (\mathbf{X}^T \mathbf{X})^{-1} \mathbf{X}^T
\mathbf{y}$$。
其中，$\mathbf{X}$ 是一个 $n \times p$ 的矩阵，每一行代表一
个数据点的特征向量，$p$ 是曲线函数的参数个数。
$\mathbf{y}$ 是一
个 $n \times 1$ 的列向量，代表数据点的真实输出值。
最小二乘法在实际应用中有很广泛的应用。
例如，可以用它来构建多
项式回归模型、高斯过程回归模型等。
此外，在机器学习领域，最小二乘
法也被用于求解线性回归模型、岭回归模型等。
最小二乘法的曲线拟合
最小二乘法的曲线拟合曲线拟合是在给定一组离散数据的情况下，通过一个函数来逼近这些数据的过程。
最小二乘法是一种常用的拟合方法，它通过最小化实际观测值与拟合值之间的误差平方和，来确定最佳的曲线拟合。
在进行最小二乘法的曲线拟合之前，我们首先需要明确拟合的目标函数形式。
根据实际问题的不同，可以选择线性拟合函数、多项式拟合函数或者其他非线性拟合函数。
然后，我们通过求解最小二乘问题的优化方程，来得到拟合函数的系数。
最小二乘法的核心思想是将拟合问题转化为一个优化问题。
我们需要定义一个损失函数，用来衡量观测值与拟合值之间的差异。
常见的损失函数有平方损失函数、绝对损失函数等。
在最小二乘法中，我们选择平方损失函数，因为它能够更好地反映误差的大小。
具体来说，我们假设待拟合的数据点为{(x1,y1),(x2,y2),...,(xn,yn)}，拟合函数为f(x)。
则拟合问题可表示为以下优化方程：min Σ(yi-f(xi))^2通过求解优化方程，即求解拟合函数的系数，我们可以得到最佳的曲线拟合。
最小二乘法的优势在于它能够考虑所有观测值的误差，并且具有较好的稳定性和可靠性。
在实际应用中，最小二乘法的曲线拟合被广泛应用于各个领域。
例如，在物理学中，可以利用最小二乘法来分析实验数据，拟合出与实际曲线相符合的函数。
在经济学中，最小二乘法可以用来估计经济模型中的参数。
在工程领域，最小二乘法可以用于信号处理、图像处理等方面。
总而言之，最小二乘法是一种常用的曲线拟合方法，通过最小化观测值与拟合值之间的误差平方和，来确定最佳的拟合函数。
它具有简单、稳定、可靠的特点，在各个领域都有广泛的应用。
计算方法 第三章 最小二乘法与曲线拟合
j1 i1
i1
称（2）为（1）的正规方程组（法方程组）。 （2）的解即为（1）的解，称此方法为最小二乘法。
例：利用最小二乘法求矛盾方程组：
2x+4y=11
3x 5y 3 x 2 y 6
4x 2 y 14
解：将原方程组改写为
4
1 2x 4 y 11 2 3x 5y 3 3 x 2 y 6
记
Q
n
i2
n
m
2
(aij x j bi ) （求Q的最小值）
i 1
i1 j1
Q
xk
n i 1
2
m
(aij x j
j 1
bi )aik
n
2
i 1
m
(aij x j
j 1
bi )aik
0
即
m
n
aij aik
x
j
n
aik bi
(k 1, 2,
, m)
——（2）
注：拟合时尽量使i 0
2. 常用方法：
m
m
（1）使偏差绝对值之和最小，即 | i | | (xi ) yi |最小。
i 1
i 1
(2)
使偏差最大绝对值最小，即max 1im
|
i
|
max
1im
|
( xi
)
yi
|
最小。
m
m
（3）使偏差平方和最小，即 i2 ［(xi ) yi］2最小。
解得：x 2.977，y 1.226
§3.2 曲线拟合
一、已知 x x1 x2 xn
y y1 y2
yn
n－1的多项式 Q(x) a0 a1x
标准曲线的最小二乘法拟合和相关系数
标准曲线的最小二乘法拟合和相关系数（合肥工业大学控释药物研究室尹情胜）1 目的用最小二乘法拟合一组变量（，，i＝1-n）之间的线性方程（y＝ax+b），表示两变量间的函数关系；（开创者：德国数学家高斯）一组数据（，，i＝1-n）中，两变量之间的相关性用相关系数（R）来表示。
（开创者：英国统计学家卡尔·皮尔逊）2 最小二乘法原理用最小二乘法拟合线性方程时，其目标是使拟合值（）与实测值（）差值的平方和（Q）最小。
式（1）3 拟合方程的计算公式与推导当Q最小时，；得到式（2）、式（3）：式（2）式（3）由式（3）和式（4），得出式（4）和式（5）：式（4）式（5）式（4）乘以n，式（5）乘以，两式相减并整理得斜率a：斜率（k＝xy／xx，n*积和-和积）式（6）截距b的计算公式为公式（5），也即：截距b＝（y-x）／n，差平均差）式（7）4 相关系数的意义与计算公式相关系数（相关系数的平方称为判定系数）是用以反映变量之间相关关系密切程度的统计指标。
相关系数（也称积差相关系数）是按积差方法计算，同样以两变量与各自平均值的离差为基础，通过两个离差相乘来反映两变量之间相关程度；着重研究线性的单相关系数。
相关系数r xy取值在-1到1之间。
r xy = 0时，称x,y不相关；| r xy | = 1时，称x,y完全相关，此时，x,y之间具有线性函数关系；| r xy | < 1时，X的变动引起Y的部分变动，r xy的绝对值越大，x的变动引起y的变动就越大，|r xy | > 0.8时称为高度相关，当0.5< | r xy|<0.8时称为显著相关，当0.3<| r xy |<0.5时，成为低度相关，当| r xy | < 0.3时，称为无相关。
(式（7）5 临界相关系数的意义5.1 临界相关系数中显著性水平（α）与置信度（P）的关系显著性水平取0.05，表示置信度为95%；取0.01，置信度就是99%。
最小二乘法曲线拟合原理
最小二乘法曲线拟合原理最小二乘法曲线拟合是一个重要的数值分析方法，它是通过最小二乘法对样本点与直线或曲线之间的关系进行拟合和分析，从而估算出一个函数的一组参数。
最小二乘法曲线拟合是一种经典的数值分析方法，可以用来拟合函数和曲线，估算出参数，预测数据，分析函数，优化模型，甚至可以分析复杂多变量函数。
最小二乘法曲线拟合的核心方法是使用最小二乘法把拟合的曲线拟合到观察到的数据，通过求解方程的最小二乘法，把一系列的观察数据点拟合为最小二乘法曲线，计算出拟合曲线的最佳系数，满足拟合效果的最佳拟合曲线。
最小二乘法曲线拟合的核心目标是通过计算拟合曲线的最小均方误差(SSE)、平均均方误差(MSE)、最大均方误差(MAXE)等方法，使拟合曲线与观察数据点之间的差距最小，从而求解出最佳拟合曲线系数。
最小二乘法曲线拟合具有很强的解析性，可以用数学计算方法快速求解，可以满足各种不同应用场景的需求，因而被广泛应用于科学研究、工程设计、市场分析等领域。
最小二乘法曲线拟合最常见的应用场景有：根据观察数据拟合和估计函数的参数；分析函数的性质；优化模型的能力；预测数据等等。
当应用最小二乘法拟合函数时，首先需要把观察数据用直线或曲线拟合，然后使用极小化残差平方和的方法，来求解参数，这是一个典型的最优化问题，利用一般最优化算法来求解，如梯度下降算法、牛顿法等。
此外，在应用最小二乘法曲线拟合的过程中，还可以考虑几种情况，比如样本数据受到误差的影响，具有某种偏差性；偏差是否服从正态分布；样本数据的分布是否同分布；拟合曲线的拟合是否收敛，参数计算是否准确等等。
总之，最小二乘法曲线拟合是一种重要的数值分析方法，可以用来拟合函数和曲线、估算参数、预测数据、优化模型等。
在应用最小二乘法曲线拟合时，需要考虑一些影响因素，比如样本数据受到误差的影响、偏差是否服从正态分布等，因此，它是一种有效的数值分析方法。
第5章-1 曲线拟合(线性最小二乘法)讲解
求所需系数，得到方程： 29.139a+17.9b=29.7076 17.9a+11b=18.25
通过全选主元高斯消去求得：
a=0.912605
b=0.174034
所以线性拟合曲线函数为： y=0.912605x+0.174034
练习2
根据下列数据求拟合曲线函数： y=ax2+b
x 19 25 31 38 44 y 19.0 32.3 49.0 73.3 97.8
∑xi4 a + ∑xi2 b = ∑xi 2yi
∑xi2 a + n b = ∑yi
7277699a+5327b=369321.5 5327a+5b=271.4
曲线拟合的最小二乘法
1.曲线拟合的意思
Y
.
.
.
.
y=ax+b y=ax2+bx+c
X
y=ax+b y=ax2+bx+c 就是未知函数的拟合曲线。
2最小二乘法原理
观测值与拟合曲线值误差的平方和为最小。
yi y0 y1 y2 y3 y4…… 观测值 y^i y^0 y^1 y^2 y^3 y^4…… 拟合曲线值
拟合曲线为： y=(-11x2-117x+56)/84
x
yHale Waihona Puke 1.61 1.641.63 1.66
1.6 1.63
1.67 1.7
1.64 1.67
1.63 1.66
1.61 1.64
1.66 1.69
1.59 1.62
数值分析中的最小二乘法与曲线拟合
数值分析中的最小二乘法与曲线拟合数值分析是现代理论与实践密切结合的一门交叉学科，其中最小二乘法和曲线拟合是其中两个非常重要的概念。
最小二乘法是一种数学运算方法，用于求解一组方程组的未知参数，使得每个方程的误差平方和最小。
在实际应用中，最小二乘法广泛应用于数据拟合、信号处理、回归分析等领域。
在数据拟合中，最小二乘法是一种常见的方法，它可以用于拟合曲线和函数。
它通过延伸曲线以获得局部数据之间的交点，并通过在它们上进行平均化的方法来尝试匹配数据。
最小二乘法的概念为我们提供了一个理论基础，以便在一定程度上预测新的数据中对象的行为或趋势。
但是，即使在相对简单的问题中，最小二乘法可能并不是最佳选择。
曲线拟合是对一系列数据进行插值的过程，以便获得与原始数据点更准确相匹配的曲线或函数。
曲线拟合可以通过在相邻数据点之间进行插值来完成。
在曲线拟合中，只有在数据有很好的统计关系或在相邻数据点
有很好的相关性时，才会产生准确的结果。
否则，结果可能并不
准确，因为这些结果取决于数据点的数量和分布。
需要注意的是，曲线拟合和最小二乘法并不是一个可以代替另
一个的工具。
它们的适用范围不同。
曲线拟合适用于对离散数据
点进行联合分析，而最小二乘法适用于求解连续数据的线性模型。
总之，数值分析中的最小二乘法和曲线拟合是非常实用的概念，可以应用于各种领域。
它们作为现代数据分析的主要工具之一，
不断吸引着越来越多的学者和工程师投入到其中，将继续发挥重
要作用。
数值分析论文--曲线拟合的最小二乘法
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 数值分析论文--曲线拟合的最小二乘法曲线拟合的最小二乘法姓名：徐志超学号：2019730059 专业：材料工程学院：材料科学与工程学院科目：数值分析曲线拟合的最小二乘法一、目的和意义在物理实验中经常要观测两个有函数关系的物理量。
根据两个量的许多组观测数据来确定它们的函数曲线，这就是实验数据处理中的曲线拟合问题。
这类问题通常有两种情况：一种是两个观测量 x 与 y 之间的函数形式已知，但一些参数未知，需要确定未知参数的最佳估计值；另一种是 x 与 y 之间的函数形式还不知道，需要找出它们之间的经验公式。
后一种情况常假设 x 与 y 之间的关系是一个待定的多项式，多项式系数就是待定的未知参数，从而可采用类似于前一种情况的处理方法。
在两个观测量中，往往总有一个量精度比另一个高得多，为简单起见把精度较高的观测量看作没有误差，并把这个观测量选作x，而把所有的误差只认为是y 的误差。
设 x 和 y 的函数关系由理论公式 y＝f（x； c1， c2， cm）1 / 13（0-0-1）给出，其中 c1， c2， cm 是 m 个要通过实验确定的参数。
对于每组观测数据（xi， yi） i＝1， 2，， N。
都对应于 xy 平面上一个点。
若不存在测量误差，则这些数据点都准确落在理论曲线上。
只要选取m 组测量值代入式（0-0-1），便得到方程组yi＝f （x；c1，c2，cm）（0-0-2）式中 i＝1，2，， m.求 m 个方程的联立解即得 m 个参数的数值。
显然Nm 时，参数不能确定。
在 Nm 的情况下，式（0-0-2）成为矛盾方程组，不能直接用解方程的方法求得 m 个参数值，只能用曲线拟合的方法来处理。
excel拟合曲线用的最小二乘法
Excel拟合曲线用的最小二乘法1. 介绍Excel作为一款常用的办公软件，被广泛应用于数据分析和处理，而拟合曲线是数据分析中常用的方法之一。
拟合曲线用的最小二乘法是一种常见的拟合方法，通过最小化数据点与拟合曲线之间的距离来找到最佳拟合曲线，从而对数据进行预测和分析。
在本文中，我将从深度和广度的角度来探讨Excel拟合曲线用的最小二乘法，带你深入探索这一主题。
2. 最小二乘法的原理在Excel中进行曲线拟合时，最小二乘法是一种常用的拟合方法。
其原理是通过最小化残差平方和来找到最佳拟合曲线。
残差是指每个数据点到拟合曲线的垂直距离，最小二乘法通过调整拟合曲线的参数，使得残差平方和最小化，从而得到最佳拟合曲线。
在Excel中，可以利用内置函数或插件来实现最小二乘法的曲线拟合，对于不同类型的曲线拟合，可以选择不同的拟合函数进行拟合。
3. Excel中的拟合曲线在Excel中进行拟合曲线时，首先需要将数据导入Excel，然后利用内置的数据分析工具或者插件来进行曲线拟合。
通过选择拟合函数、调整参数等操作，可以得到拟合曲线的相关信息，如拟合优度、参数估计值等。
可以根据拟合曲线的结果来对数据进行预测和分析，从而得到对应的结论和见解。
4. 个人观点与理解对于Excel拟合曲线用的最小二乘法，我认为这是一种简单而有效的数据分析方法。
它能够快速对数据进行拟合，并得到拟合曲线的相关信息，对于数据的预测和分析具有一定的帮助。
然而，也需要注意到拟合曲线并不一定能够准确描述数据的真实情况，需要结合实际背景和专业知识进行分析和判断。
在使用最小二乘法进行曲线拟合时，需要注意数据的可靠性和拟合结果的可信度，以避免出现不准确的结论和偏差的情况。
5. 总结通过本文的探讨，我们对Excel拟合曲线用的最小二乘法有了更深入的了解。
最小二乘法的原理、Excel中的实际操作以及个人观点与理解都得到了充分的展示和探讨。
在实际应用中，需要结合具体情况和专业知识来灵活运用最小二乘法进行曲线拟合，从而得到准确的分析和预测结果。
最小二乘法曲线拟合推导过程
假设现在有n对坐标系中的点
现在要做k阶多项式拟合，多项式函数如下
将已知的观测点数据代入上述公式得到如下n组等式：
......
最小二乘法（又称最小平方法）是一种数学优化技术。
它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。
利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小，如下所示：
代入公式可以得到
可以通过上述公式对求偏导后，令其为0来求解所有a的值，得到下面的式子
......
将上述方程整理归纳得
......
将上述方程用矩阵表述
将上述方程分解，令
，
那么上面的矩阵计算可以简化为，所以得到
网上的一些证明到这里基本就结束了，但我觉得根据逆矩阵的特性还可以优化的，在矩阵中AB的逆等于B的逆乘A的逆，如下
化简可以得到a为X的逆乘Y
计算出X的逆矩阵乘Y得到的就是多项式的系数，就能得到一个多项式了，曲线拟合就算完成了。
但是有没有发现，X的逆矩阵计算量很大，还要明白如何求解逆矩阵的，用程序去实现也有一定难度。
后面会介绍一种法则，求解多项式的系数，套公式即可。
以及用C语言实现最小二乘法的2次曲线拟合算法。
普通最小二乘法的拟合曲线准则
普通最小二乘法的拟合曲线准则1. 什么是普通最小二乘法？普通最小二乘法（Ordinary Least Squares, OLS）是一种经典的统计学和数学工具，用于拟合数据点与数学模型的关系。
通过最小化观测数据点与拟合曲线之间的残差平方和来确定最佳拟合曲线，从而推断出数据点之间的潜在关系。
2. 拟合曲线的准则在进行数据拟合时，选择合适的拟合曲线准则对最终结果具有至关重要的影响。
常见的拟合曲线准则包括最小化残差平方和、最小化残差绝对值和最小化残差的百分比等。
其中，最小二乘法的核心就是最小化残差平方和，使得拟合曲线与观测数据点之间的误差达到最小。
3. 评估拟合曲线的深度和广度为了全面评估拟合曲线的深度和广度，我们可以从以下几个方面进行考虑：- 数据拟合的准确性：通过分析拟合曲线与实际观测数据点之间的误差大小和分布情况，可以评估拟合曲线对数据的拟合程度。
一般来说，残差应该在一定范围内呈现随机分布，同时残差的平方和应该足够小，这样才能认为拟合曲线较好地拟合了数据点。
- 拟合曲线的泛化能力：除了拟合实际观测数据点外，我们还需要考虑拟合曲线在未知数据的泛化能力。
拟合曲线是否能够很好地适应新的数据点，是否具有较好的预测能力，这些都是评价拟合曲线广度的重要指标。
- 模型的复杂度：复杂的拟合曲线可能会过度拟合观测数据点，导致在未知数据上的预测能力降低；而过于简单的拟合曲线可能无法很好地拟合实际观测数据点。
我们需要对拟合曲线的复杂度进行合理的权衡，以达到最佳的拟合效果。
4. 个人观点和理解在我看来，普通最小二乘法是一种较为可靠和普遍适用的拟合方法，其核心准则即最小化残差平方和可以帮助我们得到相对较好的拟合效果。
然而，需要注意的是，在进行数据拟合时，我们应该不断地评估拟合曲线的准确性和泛化能力，并合理地考虑拟合曲线的复杂度，以得到更加可靠和实用的结果。
通过对普通最小二乘法的拟合曲线准则进行充分的评估，我们可以更深入地理解数据拟合的原理和方法，从而在实际应用中取得更加准确和可靠的结果。
matlab最小二乘法曲线拟合
matlab最小二乘法曲线拟合在数据处理和拟合曲线中，最小二乘法是一种常用的数学方法。
通过最小化数据点到拟合曲线的垂直距离的平方和，最小二乘法可以在给定数据集上拟合出一条曲线。
在MATLAB中，最小二乘法曲线拟合可以通过使用polyfit函数来实现。
最小二乘法原理最小二乘法的目标是找到一条曲线，使得曲线上的点到原始数据点的垂直距离的平方和最小。
具体而言，对于给定的数据集{(x1, y1), (x2, y2), ... , (xn, yn)}，最小二乘法拟合的目标是找到一个多项式函数y =f(x) = a0 + a1*x + a2*x^2 + ... + an*x^n，其中a0, a1, a2, ... , an为待定系数，使得下述式子最小化：这里，ei表示第i个数据点的观测误差。
在MATLAB中使用最小二乘法进行曲线拟合MATLAB提供了polyfit函数来进行最小二乘法曲线拟合。
polyfit函数采用两个输入参数：x和y，分别表示数据点的横坐标和纵坐标。
此外，用户还需要指定多项式的阶数n。
polyfit将返回一个包含拟合多项式系数的向量p。
用户可以使用polyval函数来计算拟合曲线上的点的纵坐标，具体使用如下：p = polyfit(x, y, n);y_fit = polyval(p, x);下面我们通过一个例子来演示如何使用MATLAB进行最小二乘法曲线拟合。
假设我们有如下数据集，表示了一个函数y = f(x) = 2x^3 + 3x^2 - 5x + 2上的一些离散数据点：x = [0, 1, 2, 3, 4, 5];y = [2, 3, 4, 5, 6, 7];我们可以使用polyfit函数进行二次多项式曲线拟合，代码如下：p = polyfit(x, y, 2);y_fit = polyval(p, x);接下来，我们可以绘制原始数据点和拟合曲线，代码如下：plot(x, y, 'o');hold on;plot(x, y_fit, '-');xlabel('x');ylabel('y');legend('原始数据', '拟合曲线');在图中，原始数据点以圆圈表示，拟合曲线以实线表示。
最小二乘法曲线拟合算法
最小二乘法曲线拟合算法
最小二乘法是一种常见的曲线拟合算法，其原理是通过计算样本点与拟合曲线的误差平方和最小化，得到最佳的曲线拟合结果。
以下是最小二乘法曲线拟合算法的步骤：
步骤一：选择合适的拟合函数。
通常情况下，拟合函数的选择取决于数据集的特性和需要得到的拟合效果。
例如，对于线性拟合，拟合函数可采用一次多项式函数y=kx+b；对于非线性拟合，拟合函数可能需要采用高次多项式函数或指数函数等。
步骤二：确定误差函数。
误差函数的目的是衡量样本点与拟合曲线的偏差程度。
最常用的误差函数是均方误差，即将每个样本点的实际值与相应拟合函数的输出值之间的平方误差求和，得到样本点的一般均方误差。
公式为：E = Σ(yi-f(xi))^2。
步骤三：最小化误差函数。
最小二乘法的核心就是通过求解误差函数的最小值来得到最佳的拟合曲线。
最小化误差函数可以采用梯度下降法或牛顿法等优化算法进行求解。
步骤四：得到最佳的拟合曲线。
在得到最小化误差函数的解后，即可获得最佳的拟合曲线，该曲线可用于对数据集进行预测、分类或回归等任务。
步骤五：评估拟合效果。
为了验证最佳拟合曲线的精度和泛化能力，需要将新的数据样本输入到该曲线中进行预测，并通过各种评估指标（例如均方根误差、相关系数等）来评估拟合效果。
最小二乘法曲线拟合算法是数据分析领域中的重要算法之一，可用于各种领域中的数据拟合和模型预测任务，例如气象科学、金融投资、信号处理等。
在应用过程中，需要根据实际情况灵活选择拟合函数和误差函数，同时对拟合结果进行合理的评估和优化，以获得更好的预测效果。
曲线拟合 最小二乘法
曲线拟合的线性最小二乘法拟合是已知有限个数据点，求近似函数，不要求过已知数据点，只要求在某种意义下它在这些点上的总偏差最小。
线性最小二乘法曲线拟合问题的提法是，已知一组（二维）数据，即平面上的n 个点(,),i i x y 1,2,,i n =⋅⋅⋅，i x 互不相同，寻求一个函数（曲线）()y f x =，使()f x 在某种准则下与所有数据点最为接近，即曲线拟合的最好。
线性最小二乘法是解决曲线拟合最常用的方法，基本思路是，令1122()()()(),m m f x a r x a r x a r x =++⋅⋅⋅+其中：()k r x 是事先选定的一组线性无关的函数；k a 是待定系数(1,2,,;k m =⋅⋅⋅)m n <。
拟合准则是使(1,2,,)i y i n =⋅⋅⋅与()i f x 的距离i δ的平方和最小，称为最小二乘准则。
1.系数k a 的确定 记[]221211(,,,)()nnm i i i i i J a a a f x y δ====-∑∑为求12,,,m a a a ⋅⋅⋅使J 达到最小，只需利用极值的必要条件0jJa ∂=∂(1,2,,)j m =⋅⋅⋅，得到关于12,,,m a a a ⋅⋅⋅的线性方程组11()[()]0,1,2,,n mjik kiii k r x a r x y j m ==-==∑∑，即111[()()](),1,2,,.m n nkjikijiik i i a r x r x r x y j m =====∑∑∑ （1.1）记1111()()()()m n m n n mr x r x R r x r x ⨯⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦ [][]TT1212,,,,,,,m n A a a a Y y y y =⋅⋅⋅=⋅⋅⋅方程（1.1）可表为T T .R RA R Y = （1.2） 当{}12(),(),,()m r x r x r x ⋅⋅⋅线性无关时，R 列满秩，T R R 可逆，于是方程组（1.2）有唯一解()1TT .A R R R Y -=2.函数()k r x 的选取面对一组数据(,),1,2,,i i x y i n =⋅⋅⋅，用线性最小二乘法作曲线拟合时，首要的也是关键的一步是恰当地选取12(),(),,()m r x r x r x ⋅⋅⋅。
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y4=20.963
《计算则正规方程组为4a04 a1
4 i1
xi
4
4 i1
yi
4
方 法 与
a0 i1 xi a1 i1 xi2 i1 xi yi
实
习
其中
4
xi 7.32
4
4
xi2 13.8434 yi 70.376
4
xi yi 132.12985
》
i1
i1
i1
i1
将以上数据代入上式正规方程组,得
xi
m i1
yi
《
计 算
a1
m i1
xi2
m
a0 xi
i1
m
xi yi
i1
例5. 1 设有某实验数据如下：
方 法
i1
2
与 实 习 》
xi
1.36
1.37
yi
14.094 16.844
(5.1)
3 1.95 18.475
4 2.28 20.963
用最小二乘法求以上数据的拟合函数
解:把表中所给数据画在坐标纸上,将会看到数据点
的分布可贵以州航用天一职条业技直术线学院来计近算似机科地学描系 述王陞,设国所制求作 的 。
第五章 曲线拟合与最小二乘法
拟解合得直线为a y0 (x )3 a.9 0a 3 1x,记7x14 =a 1 1. 367 , .x4 2=16 .372 , x36 =1.95
x4即=得2.2拟8,合y1直=线14.094y, y2=3.9 16.3 844 7 , y734 .=4186 .47x2 5, 6
N
m
Q (yi ajxij)2
i1
j0
由于Q可以看作是关于 ( j=0,1,2,…, m)的多
《 元函数, 故上述拟合多项式的构造问题可归
计
算 结为多元函数的极值问题。令
方
法
与 实
Q0,k0,1,2,,m
习
》得
ak
即有
N
m
(yi ajxij)xik0, k0,1,,m
i1
j0
贵州航天职业技术学院计算机科学系 王陞国 制作
74.a30 2a07 .312a3.18473a0.1347163.122985
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（2）多项式拟合
第五章 曲线拟合与最小二乘法
有时所给数据点的分布并不一定近似地呈一条直
线,这时仍用直线拟合显然是不合适的,可用多项式
拟合。对于给定的一组数据 x i,y i ,i 1 ,2 , ,N
换句话说:求一条曲线,使数据第点五章均曲在线离拟合此与曲最小线二的乘上法
为方此或,我下们方不希远望处从,所给求定的的曲数线据称为(xi拟,yi)合出曲发线,构,它造既一能个
近反似映函数数据的 (总x),体不分要布求,又函不数至于( x出) 完现全局通部较过大所的有波的
数动据,更点能，反只映要被求逼近所函得数的的近特似性曲,使线求能得反的逼映近数函据数的
《 基与本已趋知势函，数如从总图体5-上1所来示说。其偏差按某种方法度量达
计
算 方
到最小,这就是最小二乘法。
法 与
y
•
实
••
习
••
》 图5-1
•
• •
曲线拟合示意图
••
•
•
•
•
••
贵州航天职业技术o 学院计算机科学系 王陞国 制作x
第五章 曲线拟合与最小二乘法
与函数插值问题不同,曲线拟合不要求曲线通过
两边取对数得.lnylnab令x
a0lna,a1b 得 a0lna,a1b
则就得到线性模型 ya0a1x
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第五章 曲线拟合与最小二乘法
则于由正是规a1得方到6程ab0拟6组得合a为1 i指61bx数i 6函ai611数yi为60.772282
y1.754e70 8 《
n i0
(xi)f(xi)2 2
》即
n
n
2
e2 2 i2 (xi)f(xi)
i0
i0
为最小。这种要求误差（偏差）平方和最小的拟合
称为曲线拟合的最小二乘法。
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（1）直线拟合
第五章 曲线拟合与最小二乘法
设已知数据点 x i,y i,i 1 ,2 , ,m ,分布大致为一条直线
与 实
，如果要求所得的近似函数曲线精确无误地通过所有的
习 》
点(xi,yi),就会使曲线保留着一切测试误差。当个别数据
的误差较大时,插值效果显然是不理想的。此外,由实验
或观测提供的数据个数往往很多,如果用插值法,势必得
到次数较高的插值多项式，这样计算起来很烦琐。
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15a0 55a1 225a2 30 55a0 225a1 979a2 122
解之得 a 0 4 .71 ,a 14 2 3 .78 ,a 25 0 .7 5000
所求的多项式为 y4.714 2.738x 50.7 50x2 00 贵州航天职业技术学院计算机科学系 王陞国 制作
第五章 曲线拟合与最小二乘法
习
》 两种逼近概念:
插值: 在节点处函数值相同.
拟合: 在数据点处误差平方和最小
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第五章 曲线拟合与最小二乘法
函数插值是插值函数P(x)与被插函数f(x)在节处函数值
相同,即 P(xi)f(xi)(i0 ,1 , ,n )而曲线拟合函数(x)不
要求严格地通过所有数据点 (xi,也yi)就是说拟合函数(x)在
《 xi 处的偏差(亦称残差）
计 算
i (xi)f(xi) (i 0 ,1 , ,n )
方
法 不都严格地等于零。但是,为了使近似曲线能尽量反
与
实 习
映所给数据点的变化趋势,要求 i
按某种度量标准
》 最小。若记向量e0,1,,nT,即要求向量e的某种
范数 e
最小,如 e的1-范数
e
或∞-范数
1
e
即
所有已知点,而是要求得到的近似函数能反映数据的
基本关系。在某种意义上,曲线拟合更有实用价值。
《
在对给出的实验(或观测)数据 (x i,yi)i( 0 ,1 , ,n )
计 算
作曲线拟合时,怎样才算拟合得最好呢
？一般希望各
方 法
实验(或观测)数据与拟合曲线的偏差的平方和最小,这
与 实
就是最小二乘原理。
》 ，故 a 0 和 a 1 应满足下列条件：
F(a0,a1)
a0
m
2 (a0
i1
a1xi
yi ) 0
贵州F航(a 天a01 职,a 业1技) 术学2院im 计1 (算a机0科学a系1x王i 陞国yi
)xi 0
制作
第五章 曲线拟合与最小二乘法
即得如下正规方程组
a0m
a1
m i1
《 计 算 方
N=6
6
6
6
6
6
6
6
x i 1 , x 5 i 2 5 , x 5 i 3 2,2 x i 4 7 5 ,9 y i 1 7 , x 4 iy i 3 , x 0 i 2 y i 12
i 1
i 1
i 1
i 1
i 1
i 1
i 1
法其法方程组为
与
6a0 15a1 55a2 14
实 习 》
》 还原为原变量所表示的曲线拟合方程。
表5-1列举了几类经适当变换后化为线性拟合求解的
曲线拟合方程及变换关系
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第五章 曲线拟合与最小二乘法
表5-1
曲线拟合方程 变换关系 变换后线性拟合方程
y axb yln y,xln x ya b x(aln a )
几种常见的数据拟合情况。图 ( a ) 表示数据接近于
直线，故宜采用线性函数 ya0a1x拟合；图(b)数
据分布接近于抛物线。可采拟合；二次多项式
《 ya0a1xa2x2拟合；
计
算 方
y
y
法
与
实
习
》
O
(a)
x
O
(b)
x
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第五章 曲线拟合与最小二乘法
图 ( c ) 的数据分布特点是开始曲线上升较快随后逐
计 算 方 法 与
其中 6 i 1
xi
a0
7.5
xi a1 xi2 xi yi
i1 6
i1
xi2
i1
13.75
60.7i1 722x862
lnyi 2.043302 xi lnyi
i1
i1
将以上数据代入上式正规方程组，得
5.714112
实
习 》
6a0 7.5a1 2.043302 7.5a0 13.75a1 5.714112
解得 a00.562, 3a0 120.772282
由 a0 lna 得 aea0 e0.562, 3012.754708
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第五章 曲线拟合与最小二乘法
（4）超定方程组的最小二乘解
设线性方程组Ax=b中，A(aij)mn ,b 是m维已知向
量，x是n维解向量，当m＞n，即方程组中方程
实
习 》
i1 2 3 4 5
6
xi 0 1 2 3