最小二乘算法原理
最小二乘算法是一种用来求解最优拟合直线或曲线的方法。其原理是通过最小化实际观测值与拟合值之间的差异平方和,来到最合适的模型参数。
假设我们有n个数据点,其中每个数据点由自变量x和因变量y组成。最小二乘算法的目标是到一条拟合直线(或曲线),使得所有数据点到该直线(或曲线)的距离之和最小。
首先,我们需要定义一个模型函数,表示拟合直线(或曲线)的形式。例如,对于线性函数来说,模型函数可以表示为:y = a + bx,其中a和b是需要求解的模型参数。
然后,我们计算每个数据点与模型函数的差异,记为残差或误差。对于线性函数来说,残差可以表示为:ε = y - (a + bx)。
正则化最小二乘问题
接下来,我们计算残差的平方和(Sum of Squared Residuals,SSR),即将每个残差平方后求和。SSR表示了实际观测值与拟合值之间的整体偏差。
最小二乘算法的关键步骤是,通过求解模型参数的偏导数并令其等于零,来到使得SSR最小的模型参数。
对于线性函数来说,我们可以通过求解下面的正规方程组来得到最优参数的估计值:
∂SSR/∂a = -2Σ(y - (a + bx)) = 0
∂SSR/∂b = -2Σx(y - (a + bx)) = 0
将上述方程化简后,我们就可以得到最优参数的估计值:
a = (Σy - bΣx) / n
b = (nΣxy - ΣxΣy) / (nΣx^2 - (Σx)^2)
其中,Σ表示对所有数据点求和,n表示数据点的个数。
通过最小二乘算法,我们可以得到拟合直线(或曲线)的最优参数估计值,从而使得实际观测值与拟合值之间的差异最小化。最小二乘算法被广泛应用于数据分析、回归分析、信号处理等领域。

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