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最小二乘法 解析解

來(lái)源 :華課網(wǎng)校 2024-06-16 16:45:48

最小二乘法是一種經(jīng)典的數(shù)據(jù)擬合方法,它的主要目的是找到一條直線或曲線,使得這條直線或曲線與給定的數(shù)據(jù)點(diǎn)的距離之和最小。

在解析解的計(jì)算中,我們可以通過(guò)求解線性方程組來(lái)得到最小二乘法的解析解。具體來(lái)說(shuō),設(shè)給定的數(shù)據(jù)點(diǎn)為$(x_1,y_1),(x_2,y_2),...,(x_n,y_n)$,我們要找到一條直線$y=ax+b$,使得這條直線與數(shù)據(jù)點(diǎn)的距離之和最小。

首先,我們可以將直線方程$y=ax+b$轉(zhuǎn)化為向量形式:$\boldsymbol=\boldsymbol\boldsymbol$,其中$\boldsymbol$是$n\times 1$的列向量,$\boldsymbol$是$n\times 2$的矩陣,第一列全為1,第二列為$x_1,x_2,...,x_n$,$\boldsymbol$是$2\times 1$的列向量,第一行為$b$,第二行為$a$。

最小二乘法 解析解

接下來(lái),我們定義誤差向量$\boldsymbol=\boldsymbol-\boldsymbol\boldsymbol$,則數(shù)據(jù)點(diǎn)與直線的距離之和可以表示為$\|\boldsymbol\|^2=\boldsymbol^T\boldsymbol$,其中$\|\cdot\|$表示向量的模長(zhǎng),$\cdot^T$表示向量的轉(zhuǎn)置。

為了使誤差最小,我們需要對(duì)$\|\boldsymbol\|^2$求導(dǎo)。根據(jù)標(biāo)量對(duì)向量求導(dǎo)的規(guī)則,我們可以得到:

$$\frac{\partial\|\boldsymbol\|^2}{\partial\boldsymbol}=2\boldsymbol^T(\boldsymbol\boldsymbol-\boldsymbol)$$

令上式等于0,可以解得:

$$\boldsymbol=(\boldsymbol^T\boldsymbol)^\boldsymbol^T\boldsymbol$$

這就是最小二乘法的解析解。在實(shí)際計(jì)算中,我們可以使用矩陣運(yùn)算庫(kù)來(lái)快速求解線性方程組$(\boldsymbol^T\boldsymbol)\boldsymbol=\boldsymbol^T\boldsymbol$,從而得到最小二乘法的解析解。

總之,最小二乘法是一種常用的數(shù)據(jù)擬合方法,它可以通過(guò)求解線性方程組來(lái)得到解析解。在實(shí)際應(yīng)用中,我們可以通過(guò)矩陣運(yùn)算庫(kù)來(lái)快速求解最小二乘法的解析解,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)擬合的目的。

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