最小二乘法與最佳平方逼近(簡單版+例子)

文章內容

本文主要介紹最小二乘法和最佳平方逼近的算法思想,並沒有進行嚴格的數學證明和數學推導。如果僅僅是想要了解該算法的大致思路,那麼本文非常適合你。

最小二乘法和最佳平方逼近可以說是一回事,最小二乘法主要用於離散型變量,而最佳平方逼近用於的是連續型變量。

目的都是一樣,爲了用一個新的函數“近似”模擬出原本的數值。

離散型:如x={1,2,3,4,5,}變量是可以窮舉的,也就是有限個。

連續型:如x={x|0<x<5}變量是不可以窮舉的,也就無數個。

最小二乘法:

在高中階段,物理教材中有不少的畫圖題,記得當初最開始的時候是學習速度、位移、加速度這幾個知識點。其中,有一種類型的題目,是給出若干數據,要求描出座標點,並且在x、y軸上作圖。記得做這類型的題,方法是->“讓儘可能多的點落在同一直線上.讓其餘的點落在直線的兩側.誤差較大的點捨棄”,如小車的勻加速實驗、驗證牛頓第二定律、探究胡克定律等等。

如果遇到是非直線,則是“用一條光滑的曲線”連接點。如下座標點,顯然,用“讓儘可能多的點落在同一直線上.讓其餘的點落在直線的兩側.誤差較大的點捨棄”的方法,“近似”出來的新函數爲y=x

但是這畢竟是人工畫出來的,如果點數量多的話,麻煩不說,怎麼確定讓儘可能多的點在直線上呢,怎麼才叫“其餘

的點落在直線的兩側”

爲了解決這個問題,出現了最小二乘法。

最小二乘法就是用於曲線擬合,說白了就是找一個近似的新函數S*,使得每個xi對應的yi值,有Σ(S*-y)^2最小。

在圖中,就是令(L1^2+L2^2+L3^2+L4^2+L5^2+L6^2)最小。(當然,我們現在還不知道y=x,我們的目的就是找

一個新函數y,讓Σ(S*-y)^2最小)、(圖中的L3和L6爲0,沒有畫出來)

這就是最小二乘法的算法思想。當然,他不僅僅可以用於一次方程,還可以用於任意方程,

最佳平方逼近:

最佳平方逼近也最小二乘法類似,只是有離散型變成連續型。最小二乘法是離散型,通過求和得到最小誤差的那個新函數就是我們要的。而最佳平方逼近是連續型,連續型的求和,顯然就是求積分。試想一下,有一些離散點,這些離散點非常的多,而且都聚集在一個區域,如(1,2),那麼這麼非常多的點的求和,顯然就是求積分。

比如有一個函數y=x^3,x∈【-1,1】,現在我要找一個新的二次函數S*,“近似”等於y=x^3,,使得在【-1,1】上,||S*-y||_{2}^{2}   最小。也就是說找到一個新的函數S*=a_{0}+a_{1}x+a_{2}×x^2,最“近似”y=x^3,這裏的近似就是||S*-y||_{2}^{2}最小,最小二乘法相似,但是這裏用的是積分最小。

通過最佳平方逼近的算法,我們算出a0=0,a1=3/5,a2=0時,在【-1,1】上||S*-y||_{2}^{2}。於是,y=3/5x就是我們要求的最佳平方逼近。

而||S*-y||_{2}^{2}的意義就是使得,在【-1,1】上面的所有Li,(i爲無窮大),ΣLi^2最小

可以想象成下圖的Li無限多。

 

最後:

其實無論是最小二乘法還是最佳平方逼近,其目的都是找到一個最好的“近似”函數,最小二乘法的“近似”是Σ求和最小,最佳平方逼近的“近似”是積分最小

至於最小二乘法和最佳平方逼近求解出最好的“近似”函數,在下一篇博客中將會介紹。

 

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