最小二乘法与最佳平方逼近(简单版+例子)

文章内容

本文主要介绍最小二乘法和最佳平方逼近的算法思想,并没有进行严格的数学证明和数学推导。如果仅仅是想要了解该算法的大致思路,那么本文非常适合你。

最小二乘法和最佳平方逼近可以说是一回事,最小二乘法主要用于离散型变量,而最佳平方逼近用于的是连续型变量。

目的都是一样,为了用一个新的函数“近似”模拟出原本的数值。

离散型:如x={1,2,3,4,5,}变量是可以穷举的,也就是有限个。

连续型:如x={x|0<x<5}变量是不可以穷举的,也就无数个。

最小二乘法:

在高中阶段,物理教材中有不少的画图题,记得当初最开始的时候是学习速度、位移、加速度这几个知识点。其中,有一种类型的题目,是给出若干数据,要求描出座标点,并且在x、y轴上作图。记得做这类型的题,方法是->“让尽可能多的点落在同一直线上.让其余的点落在直线的两侧.误差较大的点舍弃”,如小车的匀加速实验、验证牛顿第二定律、探究胡克定律等等。

如果遇到是非直线,则是“用一条光滑的曲线”连接点。如下座标点,显然,用“让尽可能多的点落在同一直线上.让其余的点落在直线的两侧.误差较大的点舍弃”的方法,“近似”出来的新函数为y=x

但是这毕竟是人工画出来的,如果点数量多的话,麻烦不说,怎么确定让尽可能多的点在直线上呢,怎么才叫“其余

的点落在直线的两侧”

为了解决这个问题,出现了最小二乘法。

最小二乘法就是用于曲线拟合,说白了就是找一个近似的新函数S*,使得每个xi对应的yi值,有Σ(S*-y)^2最小。

在图中,就是令(L1^2+L2^2+L3^2+L4^2+L5^2+L6^2)最小。(当然,我们现在还不知道y=x,我们的目的就是找

一个新函数y,让Σ(S*-y)^2最小)、(图中的L3和L6为0,没有画出来)

这就是最小二乘法的算法思想。当然,他不仅仅可以用于一次方程,还可以用于任意方程,

最佳平方逼近:

最佳平方逼近也最小二乘法类似,只是有离散型变成连续型。最小二乘法是离散型,通过求和得到最小误差的那个新函数就是我们要的。而最佳平方逼近是连续型,连续型的求和,显然就是求积分。试想一下,有一些离散点,这些离散点非常的多,而且都聚集在一个区域,如(1,2),那么这么非常多的点的求和,显然就是求积分。

比如有一个函数y=x^3,x∈【-1,1】,现在我要找一个新的二次函数S*,“近似”等于y=x^3,,使得在【-1,1】上,||S*-y||_{2}^{2}   最小。也就是说找到一个新的函数S*=a_{0}+a_{1}x+a_{2}×x^2,最“近似”y=x^3,这里的近似就是||S*-y||_{2}^{2}最小,最小二乘法相似,但是这里用的是积分最小。

通过最佳平方逼近的算法,我们算出a0=0,a1=3/5,a2=0时,在【-1,1】上||S*-y||_{2}^{2}。于是,y=3/5x就是我们要求的最佳平方逼近。

而||S*-y||_{2}^{2}的意义就是使得,在【-1,1】上面的所有Li,(i为无穷大),ΣLi^2最小

可以想象成下图的Li无限多。

 

最后:

其实无论是最小二乘法还是最佳平方逼近,其目的都是找到一个最好的“近似”函数,最小二乘法的“近似”是Σ求和最小,最佳平方逼近的“近似”是积分最小

至于最小二乘法和最佳平方逼近求解出最好的“近似”函数,在下一篇博客中将会介绍。

 

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