最小二乘法 线性与非线性拟合

最小二乘法实现数据拟合

最小二乘法原理

函数插值是差值函数p(x)与被插函数f(x)在节点处函数值相同，即p( )=f( ) (i=0,1,2,3……,n)，而曲线拟合函数 不要求严格地通过所有数据点( )，也就是说拟合函数 在 处的偏差

=

不都严格地等于零。但是，为了使近似曲线能尽量反应所给数据点的变化趋势，要求| |按某种度量标准最小。

即

=

为最小。这种要求误差平方和最小的拟合称为曲线拟合的最小二乘法。

(一)线性最小二乘拟合
根据线性最小二乘拟合理论，我们得知关于系数矩阵A的解法为A＝R\Y。
例题 假设测出了一组，由下面的表格给出，且已知函数原型为
y(x)=c1+c2*e^(-3*x)+c3*cos(-2*x)*exp(-4*x)+c4*x^2

x	0	0.2	0.4	0.7	0.9	0.92	0.99	1.2	1.4	1.48	1.5
y	2.88	2.2576	1.9683	1.9258	2.0862	2.109	2.1979	2.5409	2.9627	3.155	3.2052

试用已知数据求出待定系数的值。
在Matlab中输入以下程序
x=[0,0.2,0.4,0.7,0.9,0.92,0.99,1.2,1.4,1.48,1.5]';
y=[2.88;2.2576;1.9683;1.9258;2.0862;2.109;
2.1979;2.5409;2.9627;3.155;3.2052];
A=[ones(size(x)) exp(-3*x),cos(-2*x).*exp(-4*x)x.^2];
c=A\y;
c'
运行结果为
ans =
1.2200 2.3397 -0.6797 0.8700
下面画出由拟合得到的曲线及已知的数据散点图
x1=[0:0.01:1.5]';
A1=[ones(size(x1))exp(-3*x1),cos(-2*x1).*exp(-4*x1) x1.^2];
y1=A1*c;
plot(x1,y1,x,y,'o')

事实上，上面给出的数据就是由已知曲线
y(x)= 0.8700-0.6797*e^(-3*x)+2.3397*cos(-2*x)*exp(-4*x)+ 1.2200*x^2
产生的，由上图可见拟合效果较好。

多项式最小二乘拟合
在Matlab的线性最小二乘拟合中，用得较多的是多项式拟合，其命令是
A=polyfit(x,y,m)
其中 表示函数中的自变量矩阵， 表示因变量矩阵，是输出的系数矩阵，即多项式的系数。
多项式在自变量x处的函数值y可用以下命令计算：
y=polyval(A,x)
例题 对下面一组数据作二次多项式拟合，即要求出二次多项式 中的 ，使最小。

x	0	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1
y	－0.447	1.978	3.28	6.16	7.08	7.34	7.66	9.56	9.48	9.30	11.2

在Matlab中输入以下命令
x=0:.1:1;
y=[-0.447 1.978 3.28 6.16 7.08 7.34 7.66 9.56 9.489.30 11.2];
a=polyfit(x,y,2)
运行结果为
a =
-9.8108 20.1293
-0.0317
f=vpa(poly2sym(a),5)
%vpa（polyval2sym（），n）只适用于关于多项式函数的拟合。因为此函数对于自变量统一规定为“x”，将由polyfit（）所得出的系数按自变量幂次升降放在相应的位置。
运行结果为
f =
-9.8108*x^2+20.129*x-.31671e-1
下面画出由拟合得到的曲线及已知的数据散点图
y1=polyval(a,x);
plot(x,y,'o',x,y1)

（二）非线性最小二乘拟合
（1）lsqcurvefit( )
lsqcurvefit( )是非线性最小二乘拟合函数，其本质上是求解
最优化问题。其使用格式为
x=lsqcurvefit(fun,x0,xdata,ydata)
其中，fun是要拟合的非线性函数，x0是初始参数，xdata，ydata是拟合点的数据，该函数最终返回系数矩阵。
例题 假设已知
并已知该函数满足原型为 ，其中 为待定系数。
在Matlab中输入以下命令
x=0:.1:10;
y=0.12*exp(-0.213*x)+0.54*exp(-0.17*x).*sin(1.23*x);
f=inline('a(1)*exp(-a(2)*x)+a(3)*exp(-a(4)*x).*sin(a(5)*x)','a','x');
%建立函数原型，则可以根据他来进行下面的求取系数的计算
[a,res]=lsqcurvefit(f,[1,1,1,1,1],x,y);
a',res
运行结果为
ans =
0.1197
0.2125
0.5404
0.1702
1.2300
res =
7.1637e-007
所求得的系数与原式中的系数相近。
如果向进一步提高精度，则需修改最优化的选项，函数的调用格式也将随之改变。
在Matlab中输入以下命令
ff=optimset;ff.TolFun=1e-20;ff.TolX=1e-15;%修改精度，即是修改其限制条件
[a,res]=lsqcurvefit(f,[1,1,1,1,1],x,y,[],[],ff);%两个空矩阵表示系数向量的上下限
a',res
运行结果为
ans =
0.1200
0.2130
0.5400
0.1700
1.2300
res =
9.5035e-021
下面绘图
x1=0:0.01:10;
y1=f(a,x1);
plot(x1,y1,x,y,'o')

（2）lsqnonlin( )
lsqnonlin( )函数是另一种求最小二乘拟合的函数，其本质上是求解最优化问题
最优化解。它的应用格式为
x=lsqnonlin(fun,x0)
其中，fun的定义与lsqnonlin( )函数中fun的定义有差别，x0仍为初始参数向量，将输出的系数结果放在变量 中。
说明lsqnonlin()函数的使用方法。
首先编写目标函数 (curve_fun.m)
function y=curve_fun(p)%非线性最小二乘拟合函数
x=[0.02 0.02 0.06 0.06 0.11 0.11 0.22 0.22 0.560.56 1.10 1.10];
y=[76 47 97 107 123 139 159 152 191 201 207200];
y=p(1)*x./(p(2)+x)-y;
再用lsqnonlin（）函数求解，输入
[p,resnorm,residual]=lsqnonlin(@curve_fun,[200,0.1])
运行结果为
p =
212.6836 0.0641
resnorm =
1.1954e+003
residual =
Columns 1 through 11
-25.4339 3.5661 5.8111 -4.1889 11.3617 -4.6383 5.6847 12.6847 -0.1671 -10.1671
-6.0313
Column 12
0.9687
上面的两种方法都可以作非线性最小二乘曲线拟合
（3）非线性函数的线性化
在进行非线性拟合时，以往由于计算机和相关软件水平有限，常常先把非线性的曲线拟合线性化，然后再进行拟合。下面比较一下先线性化再进行拟合和直接进行非线性拟合的差异。
例题 已知数据

t	0.25	0.5	1	1.5	2	3	4	6	8
c	19.21	18.15	15.36	14.10	12.89	9.32	7.45	5.24	3.01

满足曲线 通过数据拟合求出参数和 。
方法一：先将非线性函数转化为线性函数

编写Matlab程序如下
d=300;
t=[0.25 0.5 1 1.5 2 3 4 6 8];
c=[19.21 18.15 15.36 14.10 12.89 9.32 7.45 5.243.01];
y=log(c);
a=polyfit(t,y,1)
运行结果为
a =
-0.2347 2.9943
k=-a(1)
k =
0.2347
v=d/exp(a(2))
v =
15.0219
由此也可以求出相关系数。
方法二：应用非线性拟合直接求解系数
建立m文件：
function f=curvefun3(x,tdata)
d=300
f=(x(1)\d)*exp(-x(2)*tdata)%x(1)=v;x(2)=k
运行程序
tdata=[0.25 0.5 1 1.5 2 3 4 6 8];
cdata=[19.21 18.15 15.36 14.10 12.89 9.32 7.45 5.243.01];
x0=[10 0.5];
x=lsqcurvefit('curvefun3',x0,tdata,cdata)
运行结果为
x =
14.8212 0.2420
下面绘图
f=curvefun3(x,tdata);
plot(tdata,cdata,'o',tdata,f)

我们发现两种求法求出的系数很接近。
（三）线性拟合和非线性拟合区别与联系

在许多实际问题中，变量之间内在的关系并不想前面说的那样简单。呈线性关系，但有些非线性拟合曲线可以通过适当的变量替换转化为线性曲线，从而用线性拟合进行处理。对于一个实际的曲线拟合问题，一般先根据观测值在直角坐标平面上描出散点图，看一看散点的分布同哪类曲线图形接近，让后选用相接近的曲线拟合方程，再通过适当的变量替换转化为线性拟合问题，按线性拟合解出后再还原为原变量所表示的曲线拟合方程。

表1.1

线性拟合方程	变量变换	变换后线性拟合方程
Y=	,
Y=a		Y=a
Y=	,
Y=
Y=

例题

测出一组实际数据 见下表 是对其进行函数拟合。

X	1.1052	1.2214	1.3499	1.4918	1.6478	3.6693
Y	0.6795	0.6006	0.5309	0.4693	0.4148	0.1546
X	1.8221	2.0138	2.2255	2.4596	2.7183
Y	0.3666	0.3241	0.2864	0.2532	0.2238

>>x=[1.1052,1.2214,1.3499,1.4918,1.6478,1.8221,2.0138,2.2255,2.4596,2.7183,3.6693];
>>y=[0.6795,0.6006,0.5309,0.4693,0.4148,0.3666,0.3241,0.2864,0.2532,0.2238,0.1546];
>>plot(x,y,x,y,'*')
见下图

由上图可以看出是非线性曲线y=a 由表1.1第一行可知

Y=

,

分别对x，y进行对数变换

>>x1=log(x);y1=log(y);plot(x1,y1)
用线性函数拟合的方法可以求出现行参数，使得ln y=aln x+b,即y= ,求解系数a,b及 。

>>A=[x1',ones(size(x1'))];c=[A\y1']

c =

-1.2338

-0.2631

>> exp(c(2))

ans =

0.7686

拟合函数为y(x)=0.768 703 388 199 24