Определить методом наименьших квадратов коэффициенты. Математика на пальцах: методы наименьших квадратов. Вывод формул для нахождения коэффициентов

Задача заключается в нахождении коэффициентов линейной зависимости, при которых функция двух переменных а и b принимает наименьшее значение. То есть, при данных а и b сумма квадратов отклонений экспериментальных данных от найденной прямой будет наименьшей. В этом вся суть метода наименьших квадратов.

Таким образом, решение примера сводится к нахождению экстремума функции двух переменных.

Вывод формул для нахождения коэффициентов. Составляется и решается система из двух уравнений с двумя неизвестными. Находим частные производные функции по переменным а и b , приравниваем эти производные к нулю.

Решаем полученную систему уравнений любым методом (например методом подстановки или методом Крамера) и получаем формулы для нахождения коэффициентов по методу наименьших квадратов (МНК).

При данных а и b функция принимает наименьшее значение.

Вот и весь метод наименьших квадратов. Формула для нахождения параметра a содержит суммы , , , и параметр n - количество экспериментальных данных. Значения этих сумм рекомендуем вычислять отдельно. Коэффициент b находится после вычисления a .

Основная сфера применения таких полиномов - обработка экспериментальных данных (построение эмпирических формул). Дело в том, что интерполяционный полином, построенный по значениям функции, полученным с помощью эксперимента, будет испытывать сильное влияние "экспериментального шума", к тому же при интерполировании узлы интерполяции не могут повторяться, т.е. нельзя использовать результаты повторных экспериментов при одинаковых условиях. Среднеквадратичный же полином сглаживает шумы и позволяет использовать результаты многократных экспериментов.

Численное интегрирование и дифференцирование. Пример.

Численное интегрирование – вычисление значения определённого интеграла (как правило, приближённое). Под численным интегрированием понимают набор численных методов для нахождения значения определённого интеграла.

Численное дифференцирование – совокупность методов вычисления значения производной дискретно заданной функции.

Интегрирование

Постановка задачи. Математическая постановка задачи: необходимо найти значение определенного интеграла

где a, b - конечны, f(x) - непрерывна на [а, b].

При решении практических задач часто бывает, что интеграл неудобно или невозможно взять аналитически: он может не выражаться в элементарных функциях, подынтегральная функция может быть задана в виде таблицы и пр. В таких случаях применяют методы численного интегрирования. Численные методы интегрирования используют замену площади криволинейной трапеции на конечную сумму площадей более простых геометрических фигур, которые могут быть вычислены точно. В этом смысле говорят об использовании квадратурных формул.

В большинстве методов используется представление интеграла в виде конечной суммы (квадратурная формула):

В основе квадратурных формул лежит идея замена на отрезке интегрирования графика подынтегрального выражения функциями более простого вида, которые легко могут быть проинтегрированы аналитически и, таким образом, легко вычислены. Наиболее просто задача построения квадратурных формул реализуется для полиномиальных математических моделей.

Можно выделить три группы методов:

1. Метод с разбиением отрезка интегрирования на равные интервалы. Разбиение на интервалы производится заранее, обычно интервалы выбираются равными (чтобы легче было вычислить функцию на концах интервалов). Вычисляют площади и суммируют их (методы прямоугольников, трапеции, Симпсона).

2. Методы с разбиением отрезка интегрирования с помощью специальных точек (метод Гаусса).

3. Вычисление интегралов с помощью случайных чисел (метод Монте-Карло).

Метод прямоугольников. Пусть функцию (рисунок) необходимо проинтегрировать численным методом на отрезке . Разделим отрезок на N равных интервалов. Площадь каждой из N криволинейных трапеций можно заменить на площадь прямоугольника.

Ширина всех прямоугольников одинакова и равна:

В качестве выбора высоты прямоугольников можно выбрать значение функции на левой границе. В этом случае высота первого прямоугольника составит f(a), второго – f(x 1),…, N-f(N-1).

Если в качестве выбора высоты прямоугольника взять значение функции на правой границе, то в этом случае высота первого прямоугольника составит f(x 1), второго – f(x 2), …, N – f(x N).

Как видно, в этом случае одна из формул дает приближение к интегралу с избытком, а вторая с недостатком. Существует еще один способ – использовать для аппроксимации значение функции в середине отрезка интегрирования:

Оценка абсолютной погрешности метода прямоугольников (середина)

Оценка абсолютной погрешности методов левых и правых прямоугольников.

Пример. Вычислить для всего интервала и с делением интервала на четыре участка

Решение. Аналитическое вычисление данного интеграла дает I=агсtg(1)–агсtg(0)=0,7853981634. В нашем случае:

1)h = 1; xо = 0; x1 = 1;

2) h = 0,25 (1/4); x0 = 0; x1 = 0,25; x2 = 0,5; х3 = 0,75; x4 = 1;

Вычислим методом левых прямоугольников:

Вычислим методом правых прямоугольников:

Вычислим методом средних прямоугольников:

Метод трапеций. Использование для интерполяции полинома первой степени (прямая линия, проведенная через две точки) приводит к формуле трапеций. В качестве узлов интерполирования берутся концы отрезка интегрирования. Таким образом, криволинейная трапеция заменяется на обычную трапецию, площадь которой может быть найдена как произведение полусуммы оснований на высоту

В случае N отрезков интегрирования для всех узлов, за исключением крайних точек отрезка, значение функции войдет в общую сумму дважды (так как соседние трапеции имеют одну общую сторону)

Формула трапеции может быть получена, если взять половину суммы формул прямоугольников по правому и левому краям отрезка:

Проверка устойчивости решения. Как правило, чем меньше длина каждого интервала, т.е. чем больше число этих интервалов, тем меньше различаются приближенное и точное значение интеграла. Это справедливо для большинства функций. В методе трапеций ошибка вычисления интеграла ϭ приблизительно пропорциональна квадрату шага интегрирования (ϭ ~ h 2).Таким образом, для вычисления интеграла некоторой функции в переделах a,b необходимо разделить отрезок на N 0 интервалов и найти сумму площадей трапеции. Затем нужно увеличить число интервалов N 1 , опять вычислить сумму трапеции и сравнить полученное значение с предыдущим результатом. Это следует повторять до тех пор (N i), пока не будет достигнута заданная точность результата (критерий сходимости).

Для методов прямоугольников и трапеции обычно на каждом шаге итерации число интервалов увеличивается в 2 раза (N i +1 =2N i).

Критерий сходимости:

Главное преимущество правила трапеций – его простота. Однако если при вычислении интеграла требуется высокая точность, применение этого метода может потребовать слишком большого количества итераций.

Абсолютная погрешность метода трапеций оценивается как
.

Пример. Вычислить приближенно определенный интеграл по формуле трапеций.

а) Разбив отрезок интегрирования на 3 части.
б) Разбив отрезок интегрирования на 5 частей.

Решение:
а) По условию отрезок интегрирования нужно разделить на 3 части, то есть .
Вычислим длину каждого отрезка разбиения: .

Таким образом, общая формула трапеций сокращается до приятных размеров:

Окончательно:

Напоминаю, что полученное значение – это приближенное значение площади.

б) Разобьём отрезок интегрирования на 5 равных частей, то есть . увеличивая количество отрезков, мы увеличиваем точность вычислений.

Если , то формула трапеций принимает следующий вид:

Найдем шаг разбиения:
, то есть, длина каждого промежуточного отрезка равна 0,6.

При чистовом оформлении задачи все вычисления удобно оформлять расчетной таблицей:

В первой строке записываем «счётчик»

В результате:

Ну что же, уточнение, и серьёзное, действительно есть!
Если для 3-х отрезков разбиения , то для 5-ти отрезков . Если взять еще больше отрезком => будет еще точнее.

Формула Симпсона. Формула трапеции дает результат, сильно зависящий от величины шага h, что сказывается на точности вычисления определенного интеграла особенно в тех случаях, когда функция имеет немонотонный характер. Можно предположить повышение точности вычислений, если вместо отрезков прямых, заменяющих криволинейные фрагменты графика функции f(x), использовать, например, фрагменты парабол, приводимых через три соседние точки графика. Подобная геометрическая интерпретация лежит в основе метода Симпсона для вычисления определенного интеграла. Весь интервал интегрирования a,b разбивается N отрезков, длина отрезка также будет равна h=(b-a)/N.

Формула Симпсона имеет вид:

остаточный член

С увеличением длины отрезков точность формулы падает, поэтому для увеличения точности применяют составную формулу Симпсона. Весь интервал интегрирования разбивается на четное число одинаковых отрезков N, длина отрезка также будет равна h=(b-a)/N. Составная формула Симпсона имеет вид:

В формуле выражения в скобках представляют собой суммы значений подынтегральной функции соответственно на концах нечетных и четных внутренних отрезков.

Остаточный член формулы Симпсона пропорционален уже четвертой степени шага:

Пример: Пользуясь правилом Симпсона вычислить интеграл . (Точное решение - 0,2)

Метод Гаусса

Квадратурная формула Гаусса . Основной принцип квадратурных формул второй разновидности виден из рисунка 1.12: необходимо так разместить точки х 0 и х 1 внутри отрезка [a ;b ], чтобы площади "треугольников" в сумме были равны площади "сегмента". При использовании формулы Гаусса исходный отрезок [a ;b ] сводится к отрезку [-1;1] заменой переменной х на

0.5∙(b – a )∙t + 0.5∙(b + a ).

Тогда , где .

Такая замена возможна, если a и b конечны, а функция f (x ) непрерывна на [a ;b ]. Формула Гаусса при n точках x i , i =0,1,..,n -1 внутри отрезка [a ;b ]:

, (1.27)

где t i и A i для различных n приводятся в справочниках. Например, при n =2 A 0 =A 1 =1; при n =3: t 0 =t 2 »0.775, t 1 =0, A 0 =A 2 »0.555, A 1 »0.889.

Квадратурная формула Гаусса

получена с весовой функцией равной единице p(x)= 1 и узлами x i , являющимися корнями полиномов Лежандра

Коэффициенты A i легко вычисляются по формулам

i =0,1,2,...n .

Значения узлов и коэффициентов для n=2,3,4,5 приведены в таблице

Порядок Узлы Коэффициенты
n =2 x 1 =0 x 0 = -x 2 =0.7745966692 A 1 =8/9 A 0 =A 2 =5/9
n =3 x 2 = -x 1 =0.3399810436 x 3 = -x 0 =0.8611363116 A 1 =A 2 =0.6521451549 A 0 =A 3 =0.6521451549
n=4 x 2 = 0 x 3 = -x 1 = 0.5384693101 x 4 =-x 0 =0.9061798459 A 0 =0.568888899 A 3 =A 1 =0.4786286705 A 0 =A 4 =0.2869268851
n =5 x 5 = -x 0 =0.9324695142 x 4 = -x 1 =0.6612093865 x 3 = -x 2 =0.2386191861 A 5 =A 0 =0.1713244924 A 4 =A 1 =0.3607615730 A 3 =A 2 =0.4679139346

Пример. Вычислить значение по формуле Гаусса для n =2:

Точное значение: .

Алгоритм вычисления интеграла по формуле Гаусса предусматривает не удвоение числа микроотрезков, а увеличение числа ординат на 1 и сравнение полученных значений интеграла. Преимущество формулы Гаусса – высокая точность при сравнительно малом числе ординат. Недостатки: неудобна при расчетах вручную; необходимо держать в памяти ЭВМ значения t i , A i для различных n .

Погрешность квадратурной формулы Гаусса на отрезке будет при этом Для формула остаточного члена будет причем коэффициент α N быстро убывает с ростом N . Здесь

Формулы Гаусса обеспечивают высокую точность уже при небольшом количестве узлов (от 4 до 10) В этом случае В практических же вычислениях число узлов составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч. Отметим также, что веса квадратур Гаусса всегда положительны, что обеспечивает устойчивость алгоритма вычисления сумм

Метод наименьших квадратов

Метод наименьших квадратов (МНК, OLS, Ordinary Least Squares ) - один из базовых методов регрессионного анализа для оценки неизвестных параметров регрессионных моделей по выборочным данным. Метод основан на минимизации суммы квадратов остатков регрессии.

Необходимо отметить, что собственно методом наименьших квадратов можно назвать метод решения задачи в любой области, если решение заключается или удовлетворяет некоторому критерию минимизации суммы квадратов некоторых функций от искомых переменных. Поэтому метод наименьших квадратов может применяться также для приближённого представления (аппроксимации) заданной функции другими (более простыми) функциями, при нахождении совокупности величин, удовлетворяющих уравнениям или ограничениям, количество которых превышает количество этих величин и т. д.

Сущность МНК

Пусть задана некоторая (параметрическая) модель вероятностной (регрессионной) зависимости между (объясняемой) переменной y и множеством факторов (объясняющих переменных) x

где - вектор неизвестных параметров модели

- случайная ошибка модели.

Пусть также имеются выборочные наблюдения значений указанных переменных. Пусть - номер наблюдения (). Тогда - значения переменных в -м наблюдении. Тогда при заданных значениях параметров b можно рассчитать теоретические (модельные) значения объясняемой переменной y:

Величина остатков зависит от значений параметров b.

Сущность МНК (обычного, классического) заключается в том, чтобы найти такие параметры b, при которых сумма квадратов остатков (англ. Residual Sum of Squares ) будет минимальной:

В общем случае решение этой задачи может осуществляться численными методами оптимизации (минимизации). В этом случае говорят о нелинейном МНК (NLS или NLLS - англ. Non-Linear Least Squares ). Во многих случаях можно получить аналитическое решение. Для решения задачи минимизации необходимо найти стационарные точки функции , продифференцировав её по неизвестным параметрам b, приравняв производные к нулю и решив полученную систему уравнений:

Если случайные ошибки модели имеют нормальное распределение , имеют одинаковую дисперсию и некоррелированы между собой, МНК-оценки параметров совпадают с оценками метода максимального правдоподобия (ММП) .

МНК в случае линейной модели

Пусть регрессионная зависимость является линейной:

Пусть y - вектор-столбец наблюдений объясняемой переменной, а - матрица наблюдений факторов (строки матрицы - векторы значений факторов в данном наблюдении, по столбцам - вектор значений данного фактора во всех наблюдениях). Матричное представление линейной модели имеет вид:

Тогда вектор оценок объясняемой переменной и вектор остатков регрессии будут равны

соответственно сумма квадратов остатков регрессии будет равна

Дифференцируя эту функцию по вектору параметров и приравняв производные к нулю, получим систему уравнений (в матричной форме):

.

Решение этой системы уравнений и дает общую формулу МНК-оценок для линейной модели:

Для аналитических целей оказывается полезным последнее представление этой формулы. Если в регрессионной модели данные центрированы , то в этом представлении первая матрица имеет смысл выборочной ковариационной матрицы факторов, а вторая - вектор ковариаций факторов с зависимой переменной. Если кроме того данные ещё и нормированы на СКО (то есть в конечном итоге стандартизированы ), то первая матрица имеет смысл выборочной корреляционной матрицы факторов, второй вектор - вектора выборочных корреляций факторов с зависимой переменной.

Немаловажное свойство МНК-оценок для моделей с константой - линия построенной регрессии проходит через центр тяжести выборочных данных, то есть выполняется равенство:

В частности, в крайнем случае, когда единственным регрессором является константа, получаем, что МНК-оценка единственного параметра (собственно константы) равна среднему значению объясняемой переменной. То есть среднее арифметическое, известное своими хорошими свойствами из законов больших чисел, также является МНК-оценкой - удовлетворяет критерию минимума суммы квадратов отклонений от неё.

Пример: простейшая (парная) регрессия

В случае парной линейной регрессии формулы расчета упрощаются (можно обойтись без матричной алгебры):

Свойства МНК-оценок

В первую очередь, отметим, что для линейных моделей МНК-оценки являются линейными оценками, как это следует из вышеприведённой формулы. Для несмещенности МНК-оценок необходимо и достаточно выполнения важнейшего условия регрессионного анализа : условное по факторам математическое ожидание случайной ошибки должно быть равно нулю. Данное условие, в частности, выполнено, если

  1. математическое ожидание случайных ошибок равно нулю, и
  2. факторы и случайные ошибки - независимые случайные величины.

Второе условие - условие экзогенности факторов - принципиальное. Если это свойство не выполнено, то можно считать, что практически любые оценки будут крайне неудовлетворительными: они не будут даже состоятельными (то есть даже очень большой объём данных не позволяет получить качественные оценки в этом случае). В классическом случае делается более сильное предположение о детерминированности факторов, в отличие от случайной ошибки, что автоматически означает выполнение условия экзогенности. В общем случае для состоятельности оценок достаточно выполнения условия экзогенности вместе со сходимостью матрицы к некоторой невырожденной матрице при увеличении объёма выборки до бесконечности.

Для того, чтобы кроме состоятельности и несмещенности , оценки (обычного) МНК были ещё и эффективными (наилучшими в классе линейных несмещенных оценок) необходимо выполнение дополнительных свойств случайной ошибки:

Данные предположения можно сформулировать для ковариационной матрицы вектора случайных ошибок

Линейная модель, удовлетворяющая таким условиям, называется классической . МНК-оценки для классической линейной регрессии являются несмещёнными , состоятельными и наиболее эффективными оценками в классе всех линейных несмещённых оценок (в англоязычной литературе иногда употребляют аббревиатуру BLUE (Best Linear Unbaised Estimator ) - наилучшая линейная несмещённая оценка; в отечественной литературе чаще приводится теорема Гаусса - Маркова). Как нетрудно показать, ковариационная матрица вектора оценок коэффициентов будет равна:

Обобщенный МНК

Метод наименьших квадратов допускает широкое обобщение. Вместо минимизации суммы квадратов остатков можно минимизировать некоторую положительно определенную квадратичную форму от вектора остатков , где - некоторая симметрическая положительно определенная весовая матрица. Обычный МНК является частным случаем данного подхода, когда весовая матрица пропорциональна единичной матрице. Как известно из теории симметрических матриц (или операторов) для таких матриц существует разложение . Следовательно, указанный функционал можно представить следующим образом , то есть этот функционал можно представить как сумму квадратов некоторых преобразованных «остатков». Таким образом, можно выделить класс методов наименьших квадратов - LS-методы (Least Squares).

Доказано (теорема Айткена), что для обобщенной линейной регрессионной модели (в которой на ковариационную матрицу случайных ошибок не налагается никаких ограничений) наиболее эффективными (в классе линейных несмещенных оценок) являются оценки т. н. обобщенного МНК (ОМНК, GLS - Generalized Least Squares) - LS-метода с весовой матрицей, равной обратной ковариационной матрице случайных ошибок: .

Можно показать, что формула ОМНК-оценок параметров линейной модели имеет вид

Ковариационная матрица этих оценок соответственно будет равна

Фактически сущность ОМНК заключается в определенном (линейном) преобразовании (P) исходных данных и применении обычного МНК к преобразованным данным. Цель этого преобразования - для преобразованных данных случайные ошибки уже удовлетворяют классическим предположениям.

Взвешенный МНК

В случае диагональной весовой матрицы (а значит и ковариационной матрицы случайных ошибок) имеем так называемый взвешенный МНК (WLS - Weighted Least Squares). В данном случае минимизируется взвешенная сумма квадратов остатков модели, то есть каждое наблюдение получает «вес», обратно пропорциональный дисперсии случайной ошибки в данном наблюдении: . Фактически данные преобразуются взвешиванием наблюдений (делением на величину, пропорциональную предполагаемому стандартному отклонению случайных ошибок), а к взвешенным данным применяется обычный МНК.

Некоторые частные случаи применения МНК на практике

Аппроксимация линейной зависимости

Рассмотрим случай, когда в результате изучения зависимости некоторой скалярной величины от некоторой скалярной величины (Это может быть, например, зависимость напряжения от силы тока : , где - постоянная величина, сопротивление проводника) было проведено измерений этих величин, в результате которых были получены значения и соответствующие им значения . Данные измерений должны быть записаны в таблице.

Таблица. Результаты измерений.

№ измерения
1
2
3
4
5
6

Вопрос звучит так: какое значение коэффициента можно подобрать, чтобы наилучшим образом описать зависимость ? Согласно МНК это значение должно быть таким, чтобы сумма квадратов отклонений величин от величин

была минимальной

Сумма квадратов отклонений имеет один экстремум - минимум, что позволяет нам использовать эту формулу . Найдём из этой формулы значение коэффициента . Для этого преобразуем её левую часть следующим образом:

Последняя формула позволяет нам найти значение коэффициента , что и требовалось в задаче.

История

До начала XIX в. учёные не имели определённых правил для решения системы уравнений , в которой число неизвестных меньше, чем число уравнений; до этого времени употреблялись частные приёмы, зависевшие от вида уравнений и от остроумия вычислителей, и потому разные вычислители, исходя из тех же данных наблюдений, приходили к различным выводам. Гауссу (1795) принадлежит первое применение метода, а Лежандр (1805) независимо открыл и опубликовал его под современным названием (фр. Méthode des moindres quarrés ) . Лаплас связал метод с теорией вероятностей , а американский математик Эдрейн (1808) рассмотрел его теоретико-вероятностные приложения . Метод распространён и усовершенствован дальнейшими изысканиями Энке , Бесселя , Ганзена и других.

Альтернативное использование МНК

Идея метода наименьших квадратов может быть использована также в других случаях, не связанных напрямую с регрессионным анализом. Дело в том, что сумма квадратов является одной из наиболее распространенных мер близости для векторов (евклидова метрика в конечномерных пространствах).

Одно из применений - «решение» систем линейных уравнений, в которых число уравнений больше числа переменных

где матрица не квадратная, а прямоугольная размера .

Такая система уравнений, в общем случае не имеет решения (если ранг на самом деле больше числа переменных). Поэтому эту систему можно «решить» только в смысле выбора такого вектора , чтобы минимизировать «расстояние» между векторами и . Для этого можно применить критерий минимизации суммы квадратов разностей левой и правой частей уравнений системы, то есть . Нетрудно показать, что решение этой задачи минимизации приводит к решению следующей системы уравнений

Выбрав вид функции регрессии, т.е. вид рассматриваемой модели зависимости Y от Х (или Х от У), например, линейную модель y x =a+bx, необходимо определить конкретные значения коэффициентов модели.

При различных значениях а и b можно построить бесконечное число зависимостей вида y x =a+bx т.е на координатной плоскости имеется бесконечное количество прямых, нам же необходима такая зависимость, которая соответствует наблюдаемым значениям наилучшим образом. Таким образом, задача сводится к подбору наилучших коэффициентов.

Линейную функцию a+bx ищем, исходя лишь из некоторого количества имеющихся наблюдений. Для нахождения функции с наилучшим соответствием наблюдаемым значениям используем метод наименьших квадратов.

Обозначим: Y i - значение, вычисленное по уравнению Y i =a+bx i . y i - измеренное значение, ε i =y i -Y i - разность между измеренными и вычисленными по уравнению значениям, ε i =y i -a-bx i .

В методе наименьших квадратов требуется, чтобы ε i , разность между измеренными y i и вычисленными по уравнению значениям Y i , была минимальной. Следовательно, находим коэффициенты а и b так, чтобы сумма квадратов отклонений наблюдаемых значений от значений на прямой линии регрессии оказалась наименьшей:

Исследуя на экстремум эту функцию аргументов а и с помощью производных, можно доказать, что функция принимает минимальное значение, если коэффициенты а и b являются решениями системы:

(2)

Если разделить обе части нормальных уравнений на n, то получим:

Учитывая, что (3)

Получим , отсюда , подставляя значение a в первое уравнение, получим:

При этом b называют коэффициентом регрессии; a называют свободным членом уравнения регрессии и вычисляют по формуле:

Полученная прямая является оценкой для теоретической линии регрессии. Имеем:

Итак, является уравнением линейной регрессии.

Регрессия может быть прямой (b>0) и обратной (b Пример 1. Результаты измерения величин X и Y даны в таблице:

x i -2 0 1 2 4
y i 0.5 1 1.5 2 3

Предполагая, что между X и Y существует линейная зависимость y=a+bx, способом наименьших квадратов определить коэффициенты a и b.

Решение. Здесь n=5
x i =-2+0+1+2+4=5;
x i 2 =4+0+1+4+16=25
x i y i =-2 0.5+0 1+1 1.5+2 2+4 3=16.5
y i =0.5+1+1.5+2+3=8

и нормальная система (2) имеет вид

Решая эту систему, получим: b=0.425, a=1.175. Поэтому y=1.175+0.425x.

Пример 2. Имеется выборка из 10 наблюдений экономических показателей (X) и (Y).

x i 180 172 173 169 175 170 179 170 167 174
y i 186 180 176 171 182 166 182 172 169 177

Требуется найти выборочное уравнение регрессии Y на X. Построить выборочную линию регрессии Y на X.

Решение. 1. Проведем упорядочивание данных по значениям x i и y i . Получаем новую таблицу:

x i 167 169 170 170 172 173 174 175 179 180
y i 169 171 166 172 180 176 177 182 182 186

Для упрощения вычислений составим расчетную таблицу, в которую занесем необходимые численные значения.

x i y i x i 2 x i y i
167 169 27889 28223
169 171 28561 28899
170 166 28900 28220
170 172 28900 29240
172 180 29584 30960
173 176 29929 30448
174 177 30276 30798
175 182 30625 31850
179 182 32041 32578
180 186 32400 33480
∑x i =1729 ∑y i =1761 ∑x i 2 299105 ∑x i y i =304696
x=172.9 y=176.1 x i 2 =29910.5 xy=30469.6

Согласно формуле (4), вычисляем коэффициента регрессии

а по формуле (5)

Таким образом, выборочное уравнение регрессии имеет вид y=-59.34+1.3804x.
Нанесем на координатной плоскости точки (x i ; y i) и отметим прямую регрессии.


Рис 4

На рис.4 видно, как располагаются наблюдаемые значения относительно линии регрессии. Для численной оценки отклонений y i от Y i , где y i наблюдаемые, а Y i определяемые регрессией значения, составим таблицу:

x i y i Y i Y i -y i
167 169 168.055 -0.945
169 171 170.778 -0.222
170 166 172.140 6.140
170 172 172.140 0.140
172 180 174.863 -5.137
173 176 176.225 0.225
174 177 177.587 0.587
175 182 178.949 -3.051
179 182 184.395 2.395
180 186 185.757 -0.243

Значения Y i вычислены согласно уравнению регрессии.

Заметное отклонение некоторых наблюдаемых значений от линии регрессии объясняется малым числом наблюдений. При исследовании степени линейной зависимости Y от X число наблюдений учитывается. Сила зависимости определяется величиной коэффициента корреляции.

Если некоторая физическая величина зависит от другой величины, то эту зависимость можно исследовать, измеряя y при различных значениях x . В результате измерений получается ряд значений:

x 1 , x 2 , ..., x i , ... , x n ;

y 1 , y 2 , ..., y i , ... , y n .

По данным такого эксперимента можно построить график зависимости y = ƒ(x). Полученная кривая дает возможность судить о виде функции ƒ(x). Однако постоянные коэффициенты, которые входят в эту функцию, остаются неизвестными. Определить их позволяет метод наименьших квадратов. Экспериментальные точки, как правило, не ложатся точно на кривую. Метод наименьших квадратов требует, чтобы сумма квадратов отклонений экспериментальных точек от кривой, т.е. 2 была наименьшей.

На практике этот метод наиболее часто (и наиболее просто) используется в случае линейной зависимости, т.е. когда

y = kx или y = a + bx.

Линейная зависимость очень широко распространена в физике. И даже когда зависимость нелинейная, обычно стараются строить график так, чтобы получить прямую линию. Например, если предполагают, что показатель преломления стекла n связан с длиной λ световой волны соотношением n = a + b/λ 2 , то на графике строят зависимость n от λ -2 .

Рассмотрим зависимость y = kx (прямая, проходящая через начало координат). Составим величину φ – сумму квадратов отклонений наших точек от прямой

Величина φ всегда положительна и оказывается тем меньше, чем ближе к прямой лежат наши точки. Метод наименьших квадратов утверждает, что для k следует выбирать такое значение, при котором φ имеет минимум


или
(19)

Вычисление показывает, что среднеквадратичная ошибка определения величины k равна при этом

, (20)
где – n число измерений.

Рассмотрим теперь несколько более трудный случай, когда точки должны удовлетворить формуле y = a + bx (прямая, не проходящая через начало координат).

Задача состоит в том, чтобы по имеющемуся набору значений x i , y i найти наилучшие значения a и b.

Снова составим квадратичную форму φ , равную сумме квадратов отклонений точек x i , y i от прямой

и найдем значения a и b , при которых φ имеет минимум

;

.

.

Совместное решение этих уравнений дает

(21)

Среднеквадратичные ошибки определения a и b равны

(23)

.  (24)

При обработке результатов измерения этим методом удобно все данные сводить в таблицу, в которой предварительно подсчитываются все суммы, входящие в формулы (19)–(24). Формы этих таблиц приведены в рассматриваемых ниже примерах.

Пример 1. Исследовалось основное уравнение динамики вращательного движения ε = M/J (прямая, проходящая через начало координат). При различных значениях момента M измерялось угловое ускорение ε некоторого тела. Требуется определить момент инерции этого тела. Результаты измерений момента силы и углового ускорения занесены во второй и третий столбцы таблицы 5 .

Таблица 5
n M, Н · м ε, c -1 M 2 M · ε ε - kM (ε - kM) 2
1 1.44 0.52 2.0736 0.7488 0.039432 0.001555
2 3.12 1.06 9.7344 3.3072 0.018768 0.000352
3 4.59 1.45 21.0681 6.6555 -0.08181 0.006693
4 5.90 1.92 34.81 11.328 -0.049 0.002401
5 7.45 2.56 55.5025 19.072 0.073725 0.005435
∑ – – 123.1886 41.1115 – 0.016436

По формуле (19) определяем:

.

Для определения среднеквадратичной ошибки воспользуемся формулой (20)

0.005775 кг -1 · м -2 .

По формуле (18) имеем

; .

S J = (2.996 · 0.005775)/0.3337 = 0.05185 кг · м 2 .

Задавшись надежностью P = 0.95 , по таблице коэффициентов Стьюдента для n = 5, находим t = 2.78 и определяем абсолютную ошибку ΔJ = 2.78 · 0.05185 = 0.1441 ≈ 0.2 кг · м 2 .

Результаты запишем в виде:

J = (3.0 ± 0.2) кг · м 2 ;


Пример 2. Вычислим температурный коэффициент сопротивления металла по методу наименьших квадратов. Сопротивление зависит от температуры по линейному закону

R t = R 0 (1 + α t°) = R 0 + R 0 α t°.

Свободный член определяет сопротивление R 0 при температуре 0° C , а угловой коэффициент – произведение температурного коэффициента α на сопротивление R 0 .

Результаты измерений и расчетов приведены в таблице (см. таблицу 6 ).

Таблица 6
n t°, c r, Ом t-¯ t (t-¯ t) 2 (t-¯ t)r r - bt - a (r - bt - a) 2 ,10 -6
1 23 1.242 -62.8333 3948.028 -78.039 0.007673 58.8722
2 59 1.326 -26.8333 720.0278 -35.581 -0.00353 12.4959
3 84 1.386 -1.83333 3.361111 -2.541 -0.00965 93.1506
4 96 1.417 10.16667 103.3611 14.40617 -0.01039 107.898
5 120 1.512 34.16667 1167.361 51.66 0.021141 446.932
6 133 1.520 47.16667 2224.694 71.69333 -0.00524 27.4556
∑ 515 8.403 – 8166.833 21.5985 – 746.804
∑/n 85.83333 1.4005 – – – – –

По формулам (21), (22) определяем

R 0 = ¯ R- α R 0 ¯ t = 1.4005 - 0.002645 · 85.83333 = 1.1735 Ом .

Найдем ошибку в определении α. Так как , то по формуле (18) имеем:

.

Пользуясь формулами (23), (24) имеем

;

0.014126 Ом .

Задавшись надежностью P = 0.95, по таблице коэффициентов Стьюдента для n = 6, находим t = 2.57 и определяем абсолютную ошибку Δα = 2.57 · 0.000132 = 0.000338 град -1 .

α = (23 ± 4) · 10 -4 град -1 при P = 0.95.


Пример 3. Требуется определить радиус кривизны линзы по кольцам Ньютона. Измерялись радиусы колец Ньютона r m и определялись номера этих колец m. Радиусы колец Ньютона связаны с радиусом кривизны линзы R и номером кольца уравнением

r 2 m = mλR - 2d 0 R,

где d 0 – толщина зазора между линзой и плоскопараллельной пластинкой (или деформация линзы),

λ – длина волны падающего света.

λ = (600 ± 6) нм;
r 2 m = y;
m = x;
λR = b;
-2d 0 R = a,

тогда уравнение примет вид y = a + bx .

.

Результаты измерений и вычислений занесены в таблицу 7 .

Таблица 7
n x = m y = r 2 , 10 -2 мм 2 m -¯ m (m -¯ m) 2 (m -¯ m)y y - bx - a, 10 -4 (y - bx - a) 2 , 10 -6
1 1 6.101 -2.5 6.25 -0.152525 12.01 1.44229
2 2 11.834 -1.5 2.25 -0.17751 -9.6 0.930766
3 3 17.808 -0.5 0.25 -0.08904 -7.2 0.519086
4 4 23.814 0.5 0.25 0.11907 -1.6 0.0243955
5 5 29.812 1.5 2.25 0.44718 3.28 0.107646
6 6 35.760 2.5 6.25 0.894 3.12 0.0975819
∑ 21 125.129 – 17.5 1.041175 – 3.12176
∑/n 3.5 20.8548333 – – – – –

Метод наименьших квадратов (МНК) позволяет оценивать различные величины, используя результаты множества измерений, содержащих случайные ошибки.

Характеристика МНК

Основная идея данного метода состоит в том, что в качестве критерия точности решения задачи рассматривается сумма квадратов ошибок, которую стремятся свести к минимуму. При использовании этого метода можно применять как численный, так и аналитический подход.

В частности, в качестве численной реализации метод наименьших квадратов подразумевает проведение как можно большего числа измерений неизвестной случайной величины. Причем, чем больше вычислений, тем точнее будет решение. На этом множестве вычислений (исходных данных) получают другое множество предполагаемых решений, из которого затем выбирается наилучшее. Если множество решений параметризировать, то метод наименьших квадратов сведется к поиску оптимального значения параметров.

В качестве аналитического подхода к реализации МНК на множестве исходных данных (измерений) и предполагаемом множестве решений определяется некоторая (функционал), которую можно выразить формулой, получаемой в качестве некоторой гипотезы, требующей подтверждения. В этом случае метод наименьших квадратов сводится к нахождению минимума этого функционала на множестве квадратов ошибок исходных данных.

Заметьте, что не сами ошибки, а именно квадраты ошибок. Почему? Дело в том, что зачастую отклонения измерений от точного значения бывают как положительными, так и отрицательными. При определении средней простое суммирование может привести к неверному выводу о качестве оценки, поскольку взаимное уничтожение положительных и отрицательных значений понизит мощность выборки множества измерений. А, следовательно, и точность оценки.

Для того чтобы этого не произошло, и суммируют квадраты отклонений. Даже более того, чтобы выровнять размерность измеряемой величины и итоговой оценки, из суммы квадратов погрешностей извлекают

Некоторые приложения МНК

МНК широко используется в различных областях. Например, в теории вероятностей и математической статистике метод используется для определения такой характеристики случайной величины, как среднее квадратическое отклонение, определяющей ширину диапазона значений случайной величины.