Выбрав вид функции регрессии, т.е. вид рассматриваемой модели зависимости Y от Х (или Х от У), например, линейную модель y x =a+bx, необходимо определить конкретные значения коэффициентов модели.
При различных значениях а и b можно построить бесконечное число зависимостей вида y x =a+bx т.е на координатной плоскости имеется бесконечное количество прямых, нам же необходима такая зависимость, которая соответствует наблюдаемым значениям наилучшим образом. Таким образом, задача сводится к подбору наилучших коэффициентов.
Линейную функцию a+bx ищем, исходя лишь из некоторого количества имеющихся наблюдений. Для нахождения функции с наилучшим соответствием наблюдаемым значениям используем метод наименьших квадратов.
Обозначим: Y i - значение, вычисленное по уравнению Y i =a+bx i . y i - измеренное значение, ε i =y i -Y i - разность между измеренными и вычисленными по уравнению значениям, ε i =y i -a-bx i .
В методе наименьших квадратов требуется, чтобы ε i , разность между измеренными y i и вычисленными по уравнению значениям Y i , была минимальной. Следовательно, находим коэффициенты а и b так, чтобы сумма квадратов отклонений наблюдаемых значений от значений на прямой линии регрессии оказалась наименьшей:
Исследуя на экстремум эту функцию аргументов а и с помощью производных, можно доказать, что функция принимает минимальное значение, если коэффициенты а и b являются решениями системы:
(2)
Если разделить обе части нормальных уравнений на n, то получим:
Учитывая, что 
(3)
Получим 
, отсюда , подставляя значение a в первое уравнение, получим:
При этом b называют коэффициентом регрессии; a называют свободным членом уравнения регрессии и вычисляют по формуле:
Полученная прямая является оценкой для теоретической линии регрессии. Имеем:
Итак, 
является уравнением линейной регрессии.
Регрессия может быть прямой (b>0) и обратной (b Пример 1. Результаты измерения величин X и Y даны в таблице:
| x i | -2 | 0 | 1 | 2 | 4 |
| y i | 0.5 | 1 | 1.5 | 2 | 3 |
Предполагая, что между X и Y существует линейная зависимость y=a+bx, способом наименьших квадратов определить коэффициенты a и b.
Решение. Здесь n=5
x i =-2+0+1+2+4=5;
x i 2 =4+0+1+4+16=25
x i y i =-2 0.5+0 1+1 1.5+2 2+4 3=16.5
y i =0.5+1+1.5+2+3=8
и нормальная система (2) имеет вид 
Решая эту систему, получим: b=0.425, a=1.175. Поэтому y=1.175+0.425x.
Пример 2. Имеется выборка из 10 наблюдений экономических показателей (X) и (Y).
| x i | 180 | 172 | 173 | 169 | 175 | 170 | 179 | 170 | 167 | 174 |
| y i | 186 | 180 | 176 | 171 | 182 | 166 | 182 | 172 | 169 | 177 |
Требуется найти выборочное уравнение регрессии Y на X. Построить выборочную линию регрессии Y на X.
Решение. 1. Проведем упорядочивание данных по значениям x i и y i . Получаем новую таблицу:
| x i | 167 | 169 | 170 | 170 | 172 | 173 | 174 | 175 | 179 | 180 |
| y i | 169 | 171 | 166 | 172 | 180 | 176 | 177 | 182 | 182 | 186 |
Для упрощения вычислений составим расчетную таблицу, в которую занесем необходимые численные значения.
| x i | y i | x i 2 | x i y i |
| 167 | 169 | 27889 | 28223 |
| 169 | 171 | 28561 | 28899 |
| 170 | 166 | 28900 | 28220 |
| 170 | 172 | 28900 | 29240 |
| 172 | 180 | 29584 | 30960 |
| 173 | 176 | 29929 | 30448 |
| 174 | 177 | 30276 | 30798 |
| 175 | 182 | 30625 | 31850 |
| 179 | 182 | 32041 | 32578 |
| 180 | 186 | 32400 | 33480 |
| ∑x i =1729 | ∑y i =1761 | ∑x i 2 299105 | ∑x i y i =304696 |
| x=172.9 | y=176.1 | x i 2 =29910.5 | xy=30469.6 |
Согласно формуле (4), вычисляем коэффициента регрессии
а по формуле (5)
Таким образом, выборочное уравнение регрессии имеет вид y=-59.34+1.3804x.
Нанесем на координатной плоскости точки (x i ; y i) и отметим прямую регрессии.
Рис 4
На рис.4 видно, как располагаются наблюдаемые значения относительно линии регрессии. Для численной оценки отклонений y i от Y i , где y i наблюдаемые, а Y i определяемые регрессией значения, составим таблицу:
| x i | y i | Y i | Y i -y i |
| 167 | 169 | 168.055 | -0.945 |
| 169 | 171 | 170.778 | -0.222 |
| 170 | 166 | 172.140 | 6.140 |
| 170 | 172 | 172.140 | 0.140 |
| 172 | 180 | 174.863 | -5.137 |
| 173 | 176 | 176.225 | 0.225 |
| 174 | 177 | 177.587 | 0.587 |
| 175 | 182 | 178.949 | -3.051 |
| 179 | 182 | 184.395 | 2.395 |
| 180 | 186 | 185.757 | -0.243 |
Значения Y i вычислены согласно уравнению регрессии.
Заметное отклонение некоторых наблюдаемых значений от линии регрессии объясняется малым числом наблюдений. При исследовании степени линейной зависимости Y от X число наблюдений учитывается. Сила зависимости определяется величиной коэффициента корреляции.
(см. рисунок). Требуется найти уравнение прямой
Чем меньше числа по абсолютной величине, тем лучше подобрана прямая (2). В качестве характеристики точности подбора прямой (2) можно принять сумму квадратов
Условия минимума S будут
 |
(6) |
 |
(7) |
Уравнения (6) и (7) можно записать в таком виде:
 |
(8) |
 |
(9) |
Из уравнений (8) и (9) легко найти a и b по опытным значениям x i и y i . Прямая (2), определяемая уравнениями (8) и (9), называется прямой, полученной по методу наименьших квадратов (этим названием подчеркивается то, что сумма квадратов S имеет минимум). Уравнения (8) и (9), из которых определяется прямая (2), называются нормальными уравнениями.
Можно указать простой и общий способ составления нормальных уравнений. Используя опытные точки (1) и уравнение (2), можно записать систему уравнений для a и b
| y 1 =ax 1 +b, | |||
| y 2 =ax 2 +b, ... |
(10) | ||
| y n =ax n +b, | |||
Умножим левую и правую части каждого из этих уравнений на коэффициент при первой неизвестной a (т.е. на x 1 , x 2 , ..., x n) и сложим полученные уравнения, в результате получится первое нормальное уравнение (8).
Умножим левую и правую части каждого из этих уравнений на коэффициент при второй неизвестной b, т.е. на 1, и сложим полученные уравнения, в результате получится второе нормальное уравнение (9).
Этот способ получения нормальных уравнений является общим: он пригоден, например, и для функции
есть величина постоянная и ее нужно определить по опытным данным (1).
Систему уравнений для k можно записать:
Найти прямую (2) по методу наименьших квадратов.
Решение. Находим:
x i =21, y i =46,3, x i 2 =91, x i y i =179,1.
Записываем уравнения (8) и (9)
Отсюда находим
Оценка точности метода наименьших квадратов
Дадим оценку точности метода для линейного случая, когда имеет место уравнение (2).
Пусть опытные значения x i являются точными, а опытные значения y i имеют случайные ошибки с одинаковой дисперсией для всех i.
Введем обозначение
| (16) |
Тогда решения уравнений (8) и (9) можно представить в виде
| (17) | |
| (18) | |
| где | |
| (19) | |
| Из уравнения (17) находим | |
| (20) | |
| Аналогично из уравнения (18) получаем | |
 |
(21) |
| так как | |
 |
(22) |
| Из уравнений (21) и (22) находим | |
 |
(23) |
Уравнения (20) и (23) дают оценку точности коэффициентов, определенных по уравнениям (8) и (9).
Заметим, что коэффициенты a и b коррелированы. Путем простых преобразований находим их корреляционный момент.
Отсюда находим
0,072 при x=1 и 6,
0,041 при x=3,5.
Литература
Шор. Я. Б. Статистические методы анализа и контроля качества и надежности. М.:Госэнергоиздат, 1962, с. 552, С. 92-98.
Настоящая книга предназначается для широкого круга инженеров (научно-исследовательских институтов, конструкторских бюро, полигонов и заводов), занимающихся определением качества и надежности радиоэлектронной аппаратуры и других массовых изделий промышленности (машиностроения, приборостроения, артиллерийской и т.п.).
В книге дается приложение методов математической статистики к вопросам обработки и оценки результатов испытаний, при которых определяются качество и надежность испытываемых изделий. Для удобства читателей приводятся необходимые сведения из математической статистики, а также большое число вспомогательных математических таблиц, облегчающих проведение необходимых расчетов.
Изложение иллюстрируется большим числом примеров, взятых из области радиоэлектроники и артиллерийской техники.
Экстраполяция - это метод научного исследования, который основан на распространении прошлых и настоящих тенденций, закономерностей, связей на будущее развитие объекта прогнозирования. К методам экстраполяции относятся метод скользящей средней, метод экспоненциального сглаживания, метод наименьших квадратов.
Сущность метода наименьших квадратов состоит в минимизации суммы квадратических отклонений между наблюдаемыми и расчетными величинами. Расчетные величины находятся по подобранному уравнению – уравнению регрессии. Чем меньше расстояние между фактическими значениями и расчетными, тем более точен прогноз, построенный на основе уравнения регрессии.
Теоретический анализ сущности изучаемого явления, изменение которого отображается временным рядом, служит основой для выбора кривой. Иногда принимаются во внимание соображения о характере роста уровней ряда. Так, если рост выпуска продукции ожидается в арифметической прогрессии, то сглаживание производится по прямой. Если же оказывается, что рост идет в геометрической прогрессии, то сглаживание надо производить по показательной функции.
Рабочая формула метода наименьших квадратов : У t+1 = а*Х + b , где t + 1 – прогнозный период; Уt+1 – прогнозируемый показатель; a и b - коэффициенты; Х - условное обозначение времени.
Расчет коэффициентов a и b осуществляется по следующим формулам:
где, Уф – фактические значения ряда динамики; n – число уровней временного ряда;
Сглаживание временных рядов методом наименьших квадратов служит для отражения закономерности развития изучаемого явления. В аналитическом выражении тренда время рассматривается как независимая переменная, а уровни ряда выступают как функция этой независимой переменной.
Развитие явления зависит не от того, сколько лет прошло с отправного момента, а от того, какие факторы влияли на его развитие, в каком направлении и с какой интенсивностью. Отсюда ясно, что развитие явления во времени выступает как результат действия этих факторов.
Правильно установить тип кривой, тип аналитической зависимости от времени – одна из самых сложных задач предпрогнозного анализа .
Подбор вида функции, описывающей тренд, параметры которой определяются методом наименьших квадратов, производится в большинстве случаев эмпирически, путем построения ряда функций и сравнения их между собой по величине среднеквадратической ошибки, вычисляемой по формуле:
где Уф – фактические значения ряда динамики; Ур – расчетные (сглаженные) значения ряда динамики; n – число уровней временного ряда; р – число параметров, определяемых в формулах, описывающих тренд (тенденцию развития).
Недостатки метода наименьших квадратов :
- при попытке описать изучаемое экономическое явление с помощью математического уравнения, прогноз будет точен для небольшого периода времени и уравнение регрессии следует пересчитывать по мере поступления новой информации;
- сложность подбора уравнения регрессии, которая разрешима при использовании типовых компьютерных программ.
Пример применения метода наименьших квадратов для разработки прогноза
Задача . Имеются данные, характеризующие уровень безработицы в регионе, %
- Постройте прогноз уровня безработицы в регионе на ноябрь, декабрь, январь месяцы, используя методы: скользящей средней, экспоненциального сглаживания, наименьших квадратов.
- Рассчитайте ошибки полученных прогнозов при использовании каждого метода.
- Сравните полученные результаты, сделайте выводы.
Решение методом наименьших квадратов
Для решения составим таблицу, в которой будем производить необходимые расчеты:
Определим условное обозначение времени как последовательную нумерацию периодов базы прогноза (графа 3). Рассчитаем графы 4 и 5. Расчетные значения ряда Ур определим по формуле У t+1 = а*Х + b, где t + 1 – прогнозный период; Уt+1 – прогнозируемый показатель; a и b - коэффициенты; Х - условное обозначение времени.
Коэффициенты a и b определим по следующим формулам:
где, Уф – фактические значения ряда динамики; n – число уровней временного ряда.
а = / = - 0,17
b = 22,13/10 – (-0,17)*55/10 = 3,15
Рассчитываем среднюю относительную ошибку по формуле:
ε = 28,63/10 = 2,86% точность прогноза высокая.
Вывод : Сравнивая результаты, полученные при расчетах методом скользящей средней , методом экспоненциального сглаживания и методом наименьших квадратов, можно сказать, что средняя относительная ошибка при расчетах методом экспоненциального сглаживания попадает в пределы 20-50%. Это значит, что точность прогноза в данном случае является лишь удовлетворительной.
В первом и третьем случае точность прогноза является высокой, поскольку средняя относительная ошибка менее 10%. Но метод скользящих средних позволил получить более достоверные результаты (прогноз на ноябрь – 1,52%, прогноз на декабрь – 1,53%, прогноз на январь – 1,49%), так как средняя относительная ошибка при использовании этого метода наименьшая – 1,13%.
После выравнивания получим функцию следующего вида: g (x) = x + 1 3 + 1 .
Мы можем аппроксимировать эти данные с помощью линейной зависимости y = a x + b , вычислив соответствующие параметры. Для этого нам нужно будет применить так называемый метод наименьших квадратов. Также потребуется сделать чертеж, чтобы проверить, какая линия будет лучше выравнивать экспериментальные данные.
В чем именно заключается МНК (метод наименьших квадратов)
Главное, что нам нужно сделать, – это найти такие коэффициенты линейной зависимости, при которых значение функции двух переменных F (a , b) = ∑ i = 1 n (y i - (a x i + b)) 2 будет наименьшим. Иначе говоря, при определенных значениях a и b сумма квадратов отклонений представленных данных от получившейся прямой будет иметь минимальное значение. В этом и состоит смысл метода наименьших квадратов. Все, что нам надо сделать для решения примера – это найти экстремум функции двух переменных.
Как вывести формулы для вычисления коэффициентов
Для того чтобы вывести формулы для вычисления коэффициентов, нужно составить и решить систему уравнений с двумя переменными. Для этого мы вычисляем частные производные выражения F (a , b) = ∑ i = 1 n (y i - (a x i + b)) 2 по a и b и приравниваем их к 0 .
δ F (a , b) δ a = 0 δ F (a , b) δ b = 0 ⇔ - 2 ∑ i = 1 n (y i - (a x i + b)) x i = 0 - 2 ∑ i = 1 n (y i - (a x i + b)) = 0 ⇔ a ∑ i = 1 n x i 2 + b ∑ i = 1 n x i = ∑ i = 1 n x i y i a ∑ i = 1 n x i + ∑ i = 1 n b = ∑ i = 1 n y i ⇔ a ∑ i = 1 n x i 2 + b ∑ i = 1 n x i = ∑ i = 1 n x i y i a ∑ i = 1 n x i + n b = ∑ i = 1 n y i
Для решения системы уравнений можно использовать любые методы, например, подстановку или метод Крамера. В результате у нас должны получиться формулы, с помощью которых вычисляются коэффициенты по методу наименьших квадратов.
n ∑ i = 1 n x i y i - ∑ i = 1 n x i ∑ i = 1 n y i n ∑ i = 1 n - ∑ i = 1 n x i 2 b = ∑ i = 1 n y i - a ∑ i = 1 n x i n
Мы вычислили значения переменных, при который функция
F (a , b) = ∑ i = 1 n (y i - (a x i + b)) 2 примет минимальное значение. В третьем пункте мы докажем, почему оно является именно таким.
Это и есть применение метода наименьших квадратов на практике. Его формула, которая применяется для поиска параметра a , включает в себя ∑ i = 1 n x i , ∑ i = 1 n y i , ∑ i = 1 n x i y i , ∑ i = 1 n x i 2 , а также параметр
n – им обозначено количество экспериментальных данных. Советуем вам вычислять каждую сумму отдельно. Значение коэффициента b вычисляется сразу после a .
Обратимся вновь к исходному примеру.
Пример 1
Здесь у нас n равен пяти. Чтобы было удобнее вычислять нужные суммы, входящие в формулы коэффициентов, заполним таблицу.
| i = 1 | i = 2 | i = 3 | i = 4 | i = 5 | ∑ i = 1 5 | |
| x i | 0 | 1 | 2 | 4 | 5 | 12 |
| y i | 2 , 1 | 2 , 4 | 2 , 6 | 2 , 8 | 3 | 12 , 9 |
| x i y i | 0 | 2 , 4 | 5 , 2 | 11 , 2 | 15 | 33 , 8 |
| x i 2 | 0 | 1 | 4 | 16 | 25 | 46 |
Решение
Четвертая строка включает в себя данные, полученные при умножении значений из второй строки на значения третьей для каждого отдельного i . Пятая строка содержит данные из второй, возведенные в квадрат. В последнем столбце приводятся суммы значений отдельных строчек.
Воспользуемся методом наименьших квадратов, чтобы вычислить нужные нам коэффициенты a и b . Для этого подставим нужные значения из последнего столбца и подсчитаем суммы:
n ∑ i = 1 n x i y i - ∑ i = 1 n x i ∑ i = 1 n y i n ∑ i = 1 n - ∑ i = 1 n x i 2 b = ∑ i = 1 n y i - a ∑ i = 1 n x i n ⇒ a = 5 · 33 , 8 - 12 · 12 , 9 5 · 46 - 12 2 b = 12 , 9 - a · 12 5 ⇒ a ≈ 0 , 165 b ≈ 2 , 184
У нас получилось, что нужная аппроксимирующая прямая будет выглядеть как y = 0 , 165 x + 2 , 184 . Теперь нам надо определить, какая линия будет лучше аппроксимировать данные – g (x) = x + 1 3 + 1 или 0 , 165 x + 2 , 184 . Произведем оценку с помощью метода наименьших квадратов.
Чтобы вычислить погрешность, нам надо найти суммы квадратов отклонений данных от прямых σ 1 = ∑ i = 1 n (y i - (a x i + b i)) 2 и σ 2 = ∑ i = 1 n (y i - g (x i)) 2 , минимальное значение будет соответствовать более подходящей линии.
σ 1 = ∑ i = 1 n (y i - (a x i + b i)) 2 = = ∑ i = 1 5 (y i - (0 , 165 x i + 2 , 184)) 2 ≈ 0 , 019 σ 2 = ∑ i = 1 n (y i - g (x i)) 2 = = ∑ i = 1 5 (y i - (x i + 1 3 + 1)) 2 ≈ 0 , 096
Ответ:
поскольку σ 1 < σ 2 , то прямой, наилучшим образом аппроксимирующей исходные данные, будет
y = 0 , 165 x + 2 , 184 .
Метод наименьших квадратов наглядно показан на графической иллюстрации. С помощью красной линии отмечена прямая g (x) = x + 1 3 + 1 , синей – y = 0 , 165 x + 2 , 184 . Исходные данные обозначены розовыми точками.
Поясним, для чего именно нужны приближения подобного вида.
Они могут быть использованы в задачах, требующих сглаживания данных, а также в тех, где данные надо интерполировать или экстраполировать. Например, в задаче, разобранной выше, можно было бы найти значение наблюдаемой величины y при x = 3 или при x = 6 . Таким примерам мы посвятили отдельную статью.
Доказательство метода МНК
Чтобы функция приняла минимальное значение при вычисленных a и b , нужно, чтобы в данной точке матрица квадратичной формы дифференциала функции вида F (a , b) = ∑ i = 1 n (y i - (a x i + b)) 2 была положительно определенной. Покажем, как это должно выглядеть.
Пример 2
У нас есть дифференциал второго порядка следующего вида:
d 2 F (a ; b) = δ 2 F (a ; b) δ a 2 d 2 a + 2 δ 2 F (a ; b) δ a δ b d a d b + δ 2 F (a ; b) δ b 2 d 2 b
Решение
δ 2 F (a ; b) δ a 2 = δ δ F (a ; b) δ a δ a = = δ - 2 ∑ i = 1 n (y i - (a x i + b)) x i δ a = 2 ∑ i = 1 n (x i) 2 δ 2 F (a ; b) δ a δ b = δ δ F (a ; b) δ a δ b = = δ - 2 ∑ i = 1 n (y i - (a x i + b)) x i δ b = 2 ∑ i = 1 n x i δ 2 F (a ; b) δ b 2 = δ δ F (a ; b) δ b δ b = δ - 2 ∑ i = 1 n (y i - (a x i + b)) δ b = 2 ∑ i = 1 n (1) = 2 n
Иначе говоря, можно записать так: d 2 F (a ; b) = 2 ∑ i = 1 n (x i) 2 d 2 a + 2 · 2 ∑ x i i = 1 n d a d b + (2 n) d 2 b .
Мы получили матрицу квадратичной формы вида M = 2 ∑ i = 1 n (x i) 2 2 ∑ i = 1 n x i 2 ∑ i = 1 n x i 2 n .
В этом случае значения отдельных элементов не будут меняться в зависимости от a и b . Является ли эта матрица положительно определенной? Чтобы ответить на этот вопрос, проверим, являются ли ее угловые миноры положительными.
Вычисляем угловой минор первого порядка: 2 ∑ i = 1 n (x i) 2 > 0 . Поскольку точки x i не совпадают, то неравенство является строгим. Будем иметь это в виду при дальнейших расчетах.
Вычисляем угловой минор второго порядка:
d e t (M) = 2 ∑ i = 1 n (x i) 2 2 ∑ i = 1 n x i 2 ∑ i = 1 n x i 2 n = 4 n ∑ i = 1 n (x i) 2 - ∑ i = 1 n x i 2
После этого переходим к доказательству неравенства n ∑ i = 1 n (x i) 2 - ∑ i = 1 n x i 2 > 0 с помощью математической индукции.
- Проверим, будет ли данное неравенство справедливым при произвольном n . Возьмем 2 и подсчитаем:
2 ∑ i = 1 2 (x i) 2 - ∑ i = 1 2 x i 2 = 2 x 1 2 + x 2 2 - x 1 + x 2 2 = = x 1 2 - 2 x 1 x 2 + x 2 2 = x 1 + x 2 2 > 0
У нас получилось верное равенство (если значения x 1 и x 2 не будут совпадать).
- Сделаем предположение, что данное неравенство будет верным для n , т.е. n ∑ i = 1 n (x i) 2 - ∑ i = 1 n x i 2 > 0 – справедливо.
- Теперь докажем справедливость при n + 1 , т.е. что (n + 1) ∑ i = 1 n + 1 (x i) 2 - ∑ i = 1 n + 1 x i 2 > 0 , если верно n ∑ i = 1 n (x i) 2 - ∑ i = 1 n x i 2 > 0 .
Вычисляем:
(n + 1) ∑ i = 1 n + 1 (x i) 2 - ∑ i = 1 n + 1 x i 2 = = (n + 1) ∑ i = 1 n (x i) 2 + x n + 1 2 - ∑ i = 1 n x i + x n + 1 2 = = n ∑ i = 1 n (x i) 2 + n · x n + 1 2 + ∑ i = 1 n (x i) 2 + x n + 1 2 - - ∑ i = 1 n x i 2 + 2 x n + 1 ∑ i = 1 n x i + x n + 1 2 = = ∑ i = 1 n (x i) 2 - ∑ i = 1 n x i 2 + n · x n + 1 2 - x n + 1 ∑ i = 1 n x i + ∑ i = 1 n (x i) 2 = = ∑ i = 1 n (x i) 2 - ∑ i = 1 n x i 2 + x n + 1 2 - 2 x n + 1 x 1 + x 1 2 + + x n + 1 2 - 2 x n + 1 x 2 + x 2 2 + . . . + x n + 1 2 - 2 x n + 1 x 1 + x n 2 = = n ∑ i = 1 n (x i) 2 - ∑ i = 1 n x i 2 + + (x n + 1 - x 1) 2 + (x n + 1 - x 2) 2 + . . . + (x n - 1 - x n) 2 > 0
Выражение, заключенное в фигурные скобки, будет больше 0 (исходя из того, что мы предполагали в пункте 2), и остальные слагаемые будут больше 0 , поскольку все они являются квадратами чисел. Мы доказали неравенство.
Ответ: найденные a и b будут соответствовать наименьшему значению функции F (a , b) = ∑ i = 1 n (y i - (a x i + b)) 2 , значит, они являются искомыми параметрами метода наименьших квадратов (МНК).
Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
Аппроксимация опытных данных – это метод, основанный на замене экспериментально полученных данных аналитической функцией наиболее близко проходящей или совпадающей в узловых точках с исходными значениями (данными полученными в ходе опыта или эксперимента). В настоящее время существует два способа определения аналитической функции:
С помощью построения интерполяционного многочлена n-степени, который проходит непосредственно через все точки заданного массива данных. В данном случае аппроксимирующая функция представляется в виде: интерполяционного многочлена в форме Лагранжа или интерполяционного многочлена в форме Ньютона.
С помощью построения аппроксимирующего многочлена n-степени, который проходит в ближайшей близости от точек из заданного массива данных. Таким образом, аппроксимирующая функция сглаживает все случайные помехи (или погрешности), которые могут возникать при выполнении эксперимента: измеряемые значения в ходе опыта зависят от случайных факторов, которые колеблются по своим собственным случайным законам (погрешности измерений или приборов, неточность или ошибки опыта). В данном случае аппроксимирующая функция определяется по методу наименьших квадратов.
Метод наименьших квадратов (в англоязычной литературе Ordinary Least Squares, OLS) - математический метод, основанный на определении аппроксимирующей функции, которая строится в ближайшей близости от точек из заданного массива экспериментальных данных. Близость исходной и аппроксимирующей функции F(x) определяется числовой мерой, а именно: сумма квадратов отклонений экспериментальных данных от аппроксимирующей кривой F(x) должна быть наименьшей.
Аппроксимирующая кривая, построенная по методу наименьших квадратов
Метод наименьших квадратов используется:
Для решения переопределенных систем уравнений, когда количество уравнений превышает количество неизвестных;
Для поиска решения в случае обычных (не переопределенных) нелинейных систем уравнений;
Для аппроксимации точечных значений некоторой аппроксимирующей функцией.
Аппроксимирующая функция по методу наименьших квадратов определяется из условия минимума суммы квадратов отклонений расчетной аппроксимирующей функции от заданного массива экспериментальных данных. Данный критерий метода наименьших квадратов записывается в виде следующего выражения:
Значения расчетной аппроксимирующей функции в узловых точках ,
Заданный массив экспериментальных данных в узловых точках .
Квадратичный критерий обладает рядом "хороших" свойств, таких, как дифференцируемость, обеспечение единственного решения задачи аппроксимации при полиномиальных аппроксимирующих функциях.
В зависимости от условий задачи аппроксимирующая функция представляет собой многочлен степени m
Степень аппроксимирующей функции не зависит от числа узловых точек, но ее размерность должна быть всегда меньше размерности (количества точек) заданного массива экспериментальных данных.
∙ В случае если степень аппроксимирующей функции m=1, то мы аппроксимируем табличную функцию прямой линией (линейная регрессия).
∙ В случае если степень аппроксимирующей функции m=2, то мы аппроксимируем табличную функцию квадратичной параболой (квадратичная аппроксимация).
∙ В случае если степень аппроксимирующей функции m=3, то мы аппроксимируем табличную функцию кубической параболой (кубическая аппроксимация).
В общем случае, когда требуется построить аппроксимирующий многочлен степени m для заданных табличных значений, условие минимума суммы квадратов отклонений по всем узловым точкам переписывается в следующем виде:
- неизвестные коэффициенты аппроксимирующего многочлена степени m;
Количество заданных табличных значений.
Необходимым условием существования минимума функции является равенству нулю ее частных производных по неизвестным переменным . В результате получим следующую систему уравнений:
Преобразуем полученную линейную систему уравнений: раскроем скобки и перенесем свободные слагаемые в правую часть выражения. В результате полученная система линейных алгебраических выражений будет записываться в следующем виде:
Данная система линейных алгебраических выражений может быть переписана в матричном виде:
В результате была получена система линейных уравнений размерностью m+1, которая состоит из m+1 неизвестных. Данная система может быть решена с помощью любого метода решения линейных алгебраических уравнений (например, методом Гаусса). В результате решения будут найдены неизвестные параметры аппроксимирующей функции, обеспечивающие минимальную сумму квадратов отклонений аппроксимирующей функции от исходных данных, т.е. наилучшее возможное квадратичное приближение. Следует помнить, что при изменении даже одного значения исходных данных все коэффициенты изменят свои значения, так как они полностью определяются исходными данными.
Аппроксимация исходных данных линейной зависимостью
(линейная регрессия)
В качестве примера, рассмотрим методику определения аппроксимирующей функции, которая задана в виде линейной зависимости. В соответствии с методом наименьших квадратов условие минимума суммы квадратов отклонений записывается в следующем виде:
Координаты узловых точек таблицы;
Неизвестные коэффициенты аппроксимирующей функции, которая задана в виде линейной зависимости.
Необходимым условием существования минимума функции является равенству нулю ее частных производных по неизвестным переменным. В результате получаем следующую систему уравнений:
Преобразуем полученную линейную систему уравнений.
Решаем полученную систему линейных уравнений. Коэффициенты аппроксимирующей функции в аналитическом виде определяются следующим образом (метод Крамера):
Данные коэффициенты обеспечивают построение линейной аппроксимирующей функции в соответствии с критерием минимизации суммы квадратов аппроксимирующей функции от заданных табличных значений (экспериментальные данные).
Алгоритм реализации метода наименьших квадратов
1. Начальные данные:
Задан массив экспериментальных данных с количеством измерений N
Задана степень аппроксимирующего многочлена (m)
2. Алгоритм вычисления:
2.1. Определяются коэффициенты для построения системы уравнений размерностью
Коэффициенты системы уравнений (левая часть уравнения)
- индекс номера столбца квадратной матрицы системы уравнений
Свободные члены системы линейных уравнений (правая часть уравнения)
- индекс номера строки квадратной матрицы системы уравнений
2.2. Формирование системы линейных уравнений размерностью .
2.3. Решение системы линейных уравнений с целью определения неизвестных коэффициентов аппроксимирующего многочлена степени m.
2.4.Определение суммы квадратов отклонений аппроксимирующего многочлена от исходных значений по всем узловым точкам
Найденное значение суммы квадратов отклонений является минимально-возможным.
Аппроксимация с помощью других функций
Следует отметить, что при аппроксимации исходных данных в соответствии с методом наименьших квадратов в качестве аппроксимирующей функции иногда используют логарифмическую функцию, экспоненциальную функцию и степенную функцию.
Логарифмическая аппроксимация
Рассмотрим случай, когда аппроксимирующая функция задана логарифмической функцией вида:
