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最小二乘法 解析解

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导读 最小二乘法是一种经典的数据拟合方法,它的主要目的是找到一条直。绿色圃中小学教育网百科专栏,提供全方位全领域的生活知识

最小二乘法是一种经典的数据拟合方法,它的主要目的是找到一条直线或曲线,使得这条直线或曲线与给定的数据点的距离之和最小。

在解析解的计算中,我们可以通过求解线性方程组来得到最小二乘法的解析解。具体来说,设给定的数据点为$(x_1,y_1),(x_2,y_2),...,(x_n,y_n)$,我们要找到一条直线$y=ax+b$,使得这条直线与数据点的距离之和最小。

首先,我们可以将直线方程$y=ax+b$转化为向量形式:$\boldsymbol=\boldsymbol\boldsymbol$,其中$\boldsymbol$是$n\times 1$的列向量,$\boldsymbol$是$n\times 2$的矩阵,第一列全为1,第二列为$x_1,x_2,...,x_n$,$\boldsymbol$是$2\times 1$的列向量,第一行为$b$,第二行为$a$。

最小二乘法 解析解

接下来,我们定义误差向量$\boldsymbol=\boldsymbol-\boldsymbol\boldsymbol$,则数据点与直线的距离之和可以表示为$\|\boldsymbol\|^2=\boldsymbol^T\boldsymbol$,其中$\|\cdot\|$表示向量的模长,$\cdot^T$表示向量的转置。

为了使误差最小,我们需要对$\|\boldsymbol\|^2$求导。根据标量对向量求导的规则,我们可以得到:

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

令上式等于0,可以解得:

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

这就是最小二乘法的解析解。在实际计算中,我们可以使用矩阵运算库来快速求解线性方程组$(\boldsymbol^T\boldsymbol)\boldsymbol=\boldsymbol^T\boldsymbol$,从而得到最小二乘法的解析解。

总之,最小二乘法是一种常用的数据拟合方法,它可以通过求解线性方程组来得到解析解。在实际应用中,我们可以通过矩阵运算库来快速求解最小二乘法的解析解,从而实现数据拟合的目的。