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在python中利用最小二乘擬合二次拋物線函數(shù)的方法

 更新時(shí)間:2018年12月29日 10:06:43   作者:bitcarmanlee  
今天小編就為大家分享一篇在python中利用最小二乘擬合二次拋物線函數(shù)的方法,具有很好的參考價(jià)值,希望對大家有所幫助。一起跟隨小編過來看看吧

1、最小二乘也可以擬合二次函數(shù)

我們都知道用最小二乘擬合線性函數(shù)沒有問題,那么能不能擬合二次函數(shù)甚至更高次的函數(shù)呢?答案當(dāng)然是可以的。下面我們就來試試用最小二乘來擬合拋物線形狀的的圖像。

對于二次函數(shù)來說,一般形狀為 f(x) = a*x*x+b*x+c,其中a,b,c為三個(gè)我們需要求解的參數(shù)。為了確定a、b、c,我們需要根據(jù)給定的樣本,然后通過調(diào)整這些參數(shù),知道最后找出一組參數(shù)a、b、c,使這些所有的樣本點(diǎn)距離f(x)的距離平方和最小。用什么方法來調(diào)整這些參數(shù)呢?最常見的自然就是我們的梯度下降嘍。

spicy庫中有名為leastsq的方法,只需要輸入一系列樣本點(diǎn),給出待求函數(shù)的基本形狀,就可以針對上述問題求解了。

2、拋物線擬合源碼

#!/usr/bin/env python
# coding:utf-8


import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.optimize import leastsq


# 待擬合的數(shù)據(jù)
X = np.array([1,2,3,4,5,6])
Y=np.array([9.1,18.3,32,47,69.5,94.8])


# 二次函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式
def func(params, x):
 a, b, c = params
 return a * x * x + b * x + c


# 誤差函數(shù),即擬合曲線所求的值與實(shí)際值的差
def error(params, x, y):
 return func(params, x) - y


# 對參數(shù)求解
def slovePara():
 p0 = [10, 10, 10]

 Para = leastsq(error, p0, args=(X, Y))
 return Para


# 輸出最后的結(jié)果
def solution():
 Para = slovePara()
 a, b, c = Para[0]
 print "a=",a," b=",b," c=",c
 print "cost:" + str(Para[1])
 print "求解的曲線是:"
 print("y="+str(round(a,2))+"x*x+"+str(round(b,2))+"x+"+str(c))

 plt.figure(figsize=(8,6))
 plt.scatter(X, Y, color="green", label="sample data", linewidth=2)

 # 畫擬合直線
 x=np.linspace(0,12,100) ##在0-15直接畫100個(gè)連續(xù)點(diǎn)
 y=a*x*x+b*x+c ##函數(shù)式
 plt.plot(x,y,color="red",label="solution line",linewidth=2)
 plt.legend() #繪制圖例
 plt.show()


solution()

上面的代碼中,稍微注意的是如下幾點(diǎn):

1.func是待擬合的曲線的形狀。本例中為二次函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式。

2.error為誤差函數(shù)。很多同學(xué)會(huì)問不應(yīng)該是最小平方和嗎?為什么不是func(params, x) - y * func(params, x) - y?原因是名為lasts的方法中幫我們做了??匆幌聅klearn中源碼的注釋就知道什么情況了:

Minimize the sum of squares of a set of equations.
 x = arg min(sum(func(y)**2,axis=0))
   y

二次方的操作在源碼中幫我們實(shí)現(xiàn)了。

3.p0里放的是a、b、c的初始值,這個(gè)值可以隨意指定。往后隨著迭代次數(shù)增加,a、b、c將會(huì)不斷變化,使得error函數(shù)的值越來越小。

4.leastsq的返回值是一個(gè)tuple,它里面有兩個(gè)元素,第一個(gè)元素是a、b、c的求解結(jié)果,第二個(gè)則為cost function的大小!

3.程序的最終結(jié)果與擬合曲線

程序最終的輸出結(jié)果:

a= 2.06607141425 b= 2.5975001036 c= 4.68999985496
cost:1
求解的曲線是:
y=2.07x*x+2.6x+4.68999985496

最終的擬合曲線:

python 利用最小二乘擬合二次拋物線函數(shù)

4、模擬其他曲線

leastsq函數(shù)除了可以模擬線性函數(shù)二次函數(shù)等多項(xiàng)式,還適用于任何波形的模擬。

比如方波:

def square_wave(x,p):
 a, b, c, T = p
 y = np.where(np.mod(x-b,T)<T/2, 1+c/a, 0)
 y = np.where(np.mod(x-b,T)>T/2, -1+c/a, y)
 return a*y

比如高斯分布:

def gaussian_wave(x,p):
 a, b, c, d= p
 return a*np.exp(-(x-b)**2/(2*c**2))+d

只要將上面代碼中的func換成對應(yīng)的函數(shù)即可!

以上這篇在python中利用最小二乘擬合二次拋物線函數(shù)的方法就是小編分享給大家的全部內(nèi)容了,希望能給大家一個(gè)參考,也希望大家多多支持腳本之家。

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