Квант
Разное

Метод наименьших квадратов

Строгова А.

51

Метод наименьших квадратов применяется при обработке измерений для сглаживания «шума» эксперимента: этот метод позволяет исправить случайные ошибки, неизбежно возникшие при измерениях, в том случае, когда характер зависимости измерений величины от независимой переменной задан.

Рассмотрим простейшую ситuation, когда измеряемая величина yy зависит ли ней от одной переменной xx. Пусть произведено nn измерений и для значений x1,x2,…,xnx_1, x_2, \dots, x_n переменной xx получены замеры y1,y2,…,yny_1, y_2, \dots, y_n. Задча состоит в проведении прямой y=ax+by=ax+b, наличищем образом приложающего к точкам P(x1;y1),P(x2;y2),…,P(xn;yn)P(x_1; y_1), P(x_2; y_2), \dots, P(x_n; y_n).

Решение задачи, разумеется, зависит от того, что понятие под словами «наилучшим образом прилегающее» состоит в том, что «наилучший» считается та прямая, для которого приимает наименьшее значение сумма квадратов отклонений, т. е. выражение

An=∑i=1n(yi−(axi+b))2.(1)A_n = \sum_{i=1}^{n} (y_i - (ax_i + b))^2. \tag{1}

На рисунке изображена искомая пряма y=ax+by=ax+b и точки P1,…,PnP_1, \dots, P_n. Разность yi−(axi+b)y_i - (ax_i + b) показывает отклонение (вдоль оси ordinат) экспериментальной точки Pi(xi,yi)P_i (x_i, y_i) от исходной прямой.

Как найти значение aa и bb, минимизирующие выражения (1)? Предположим, что такие значения существует, и параметр aa нам уже найден. Чтобы найти bb, перепишем AnA_n в виде

An=∑i=1n(yi−axi)2−∑i=1n2b(yi−axi)+∑i=1nb2−2b∑i=1n(yi−axi)+∑i=1n(yi−axi)2.A_n = \sum_{i=1}^{n} (y_i - ax_i)^2 - \sum_{i=1}^{n} 2b (y_i - ax_i) + \sum_{i=1}^{n} b^2 - 2b \sum_{i=1}^{n} (y_i - ax_i) + \sum_{i=1}^{n} (y_i - ax_i)^2.

Graph of AnA_n

Рассмотрим AnA_n как (квадратную) функцию от bb. Она достига минимума при

b=1n∑i=1n(yi−axi)=1n∑i=1nyi−an∑i=1nxi.b = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} (y_i - ax_i) = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} y_i - \frac{a}{n} \sum_{i=1}^{n} x_i.

Положив

xˉ=1n∑i=1nxi;yˉ=1n∑i=1nyi\bar{x} = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} x_i; \bar{y} = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} y_i

можно написать b=yˉ−axˉb = \bar{y} - a\bar{x}, откуда для AnA_n получим

An=∑i=1n((yi−yˉ)−a(xi−xˉ))2=a2∑i=1n(xi−xˉ)2−2a∑i=1n(yi−yˉ)(xi−xˉ)+∑i=1n(yi−yˉ)2.A_n = \sum_{i=1}^{n} ((y_i - \bar{y}) - a (x_i - \bar{x}))^2 = a^2 \sum_{i=1}^{n} (x_i - \bar{x})^2 - 2a \sum_{i=1}^{n} (y_i - \bar{y}) (x_i - \bar{x}) + \sum_{i=1}^{n} (y_i - \bar{y})^2.

Рассмотрим теперь AnA_n как квадратную функцию от aa. Она очень/no доступа минимума при

a=∑i=1n(yi−yˉ)(xi−xˉ)/∑i=1n(xi−xˉ)2.a = \sum_{i=1}^{n} (y_i - \bar{y}) (x_i - \bar{x}) / \sum_{i=1}^{n} (x_i - \bar{x})^2.

Налучшей оказалась пряма y=ax+by=ax+b, где

∑i=1n(yi−yˉ)(xi−xˉ)∑i=1n(xi−xˉ)2,xˉ∑i=1n(yi−yˉ)(xi−xˉ)∑i=1n(xi−xˉ)2,b=yˉ−∑i=1n(yi−yˉ)(xi−xˉ)∑i=1n(xi−xˉ)2.\frac{\sum_{i=1}^{n} (y_i - \bar{y}) (x_i - \bar{x})}{\sum_{i=1}^{n} (x_i - \bar{x})^2}, \frac{\bar{x} \sum_{i=1}^{n} (y_i - \bar{y}) (x_i - \bar{x})}{\sum_{i=1}^{n} (x_i - \bar{x})^2}, b = \bar{y} - \frac{\sum_{i=1}^{n} (y_i - \bar{y}) (x_i - \bar{x})}{\sum_{i=1}^{n} (x_i - \bar{x})^2}.

Задание

  1. Решить задачу о сглаживании шума методом Гаусса для следующих не линейных функций от одной переменной
    a) y=ax2+bx+cy=ax^2+bx+c;
    b) y=a⋅cos⁡x+b⋅sin⁡xy=a \cdot \cos x+b \cdot \sin x.
  2. Как «работает» метод Гаусса в пространстве (для двух независимых переменных)? Рассмотрим задачу для плоскости z=ax+by+c∗z=ax+by+c^*.
  3. Найти точку, для которой
    a) сумма расстояний от трех заданных точек (не лежащих на одной прямой) минимальная;
    b) сумма расстояний от трех заданных окружностей минимальная.

A. Строюва

*) Геометрическая иллюстрация к этой задаче дана на первой полосе обложки «Кванта» № 8.