Метод гибких наименьших квадратов алгоритм решения. Где применяется метод наименьших квадратов

Тема: Приближенное графическое решение уравнений.

Цель: способствовать развитию навыка решать уравнения графическим способом с помощью электронных таблиц.

Ход урока:

Организационный момент (2 мин)
Актуализация знаний (8 мин)

2) Дайте определение электронной таблицы.

Адрес ячейки.
Ввод формул
Логические функции

Изучение нового материала (10 мин)

Найдем в электронных таблицах корень уравнения x 3 – sin x = 0 графическим способом. Ведем значения аргумента – 1,4 до 1,4 с шагом 0, 2

Практическая работа № 51 (20 мин)

2) С помощью электронной таблицы решить графическим способом уравнение sin(x)=1/x на отрезке с точностью 0,1

Домашнее задание (2 мин)

Подготовить уравнения для решения графическим способом

Итоги урока (3 мин)

Тема :

Оборудование: компьютерный класс, проектор
Ход урока:

1) Применение электронных таблиц

Адрес ячейки.
Основные типы данных электронных таблиц.
Текст в электронных таблицах.
Ввод формул
Относительные, абсолютные и смешанные ссылки.
Какие категории встроенных функций вам известны?
Приведите примеры математических функций.
Логические функции

3. Изучение нового материала (10 мин)

Найдем в электронных таблицах корень уравнения x 3 – cos x = 0, используя метод подбора параметра. Ведем значения аргумента – 1,4 до 1,4 с шагом 0, 2
4. Практическая работа № 51 (20 мин)

2) С помощью электронной таблицы решить уравнение cos(x)=1/(x+1) на отрезке с точностью 1 графическим способом и используя метод подбора параметра.
5. Домашнее задание (2 мин)

Подготовить уравнения для решения графическим способом и методом подбора параметра.

Итоги урока (3 мин)

Тема : Приближенное решение уравнений методом подбора параметра.

Цель: способствовать развитию навыка решать уравнения, используя метод подбора параметра.

Оборудование: компьютерный класс, проектор
Ход урока:

1. Организационный момент (2 мин)

2. Актуализация знаний (8 мин)

1) Применение электронных таблиц

2) Дайте определение электронной таблицы.

Адрес ячейки.
Основные типы данных электронных таблиц.
Текст в электронных таблицах.
Ввод формул
Относительные, абсолютные и смешанные ссылки.
Какие категории встроенных функций вам известны?
Приведите примеры математических функций.
Логические функции

3. Практическая работа № 51 (30 мин)

1) Найти в электронных таблицах корень уравнения x 2 = cos x , используя метод подбора параметра. Ведем значения аргумента – 3 до 3 с шагом 0, 2

Решить уравнение sinx - 2x = 0, используя метод подбора параметра. Значения аргумента – -3 до 3 с шагом 0,5

3) С помощью электронной таблицы решить уравнение sin(x)=1/

на отрезке с точностью 1 графическим способом и используя метод подбора параметра.
5. Домашнее задание (2 мин)

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

3.5. Метод наименьших квадратов

Первая работа, в которой заложены основы метода наименьших квадратов,была выполнена Лежандром в 1805. В статье «Новые методы определения орбит комет», он писал: «После того, как полностью использованы все условия задачи, необходимо определить коэффициенты так, чтобы величины их ошибок были наименьшими из возможных. Наиболее простым путем достижения этого является метод, который состоитв отыскании минимума суммы квадратов ошибок».В настоящее время методприменяетсявесьма широкопри аппроксимации неизвестных функциональных зависимостей, задаваемых множеством экспериментальных отсчетов, с целью полученияаналитического выражения,наилучшим образом приближенного к натурному эксперименту.

Пусть на основании эксперимента требуется установить функциональнуюзависимость величины y от величины x : .Ипусть в результате эксперимента получено n значений y при соответствующих значениях аргумента x . Если экспериментальные точки расположены на координатной плоскости так, как на рисунке, то, зная, что при проведении эксперимента имеют место погрешности,можно предположить, что зависимость носит линейный характер, т.е. y = ax + b .Отметим, что метод не накладывает ограничений на вид функции, т.е. его можно применятьк любым функциональным зависимостям.

С точки зрения экспериментаторачасто более естественно считать, что последовательность взятия отсчетов фиксирована заранее, т.е. является независимой переменной, аотсчеты - зависимой переменной.Это особенно ясно видно, еслипод понимаютсямоменты времени, что наиболее широко имеет местов технических приложениях.Но это лишь весьма распространенный частный случай. Например, необходимо провести классификацию некоторых образцов по размеру. Тогда независимой переменной будет номер образца, зависимой – его индивидуальный размер.

Метод наименьших квадратов детально описан во множестве учебных и научных изданий, особенно в части аппроксимации функцийв электро-и радиотехнике, а также в книгах по теории вероятностей и математической статистике.

Вернемсяк рисунку. Пунктирные линии показывают, чтопогрешности могут возникать не только из-занесовершенства измерительных процедур, но и по причине неточности задания независимой переменной.При выбранном виде функции остается подобрать входящие в нее параметры a и b .Понятно, что количество параметровможет быть больше двух, что характерно только для линейных функций.В общем виде будем считать

.(1)

Требуется выбрать коэффициенты a , b , c … так, чтобывыполнилось условие

. (2)

Найдем значения a , b , c …, обращающие левую часть (2) в минимум. Для этого определим стационарные точки (точки, вкоторых первая производная обращается в нуль)путем дифференцирования левой части (2)по a , b , c :

(3)

и т.д.Полученная система уравнений содержит столько жеуравнений, сколько неизвестных a , b , c …. Решить такую систему в общем виде нельзя, поэтому необходимо задаться,хотя бы ориентировочно,конкретным видом функции .Далее рассмотрим два случая:линейной и квадратичной функций.

Линейнаяфункция .

Рассмотрим сумму квадратов разностей экспериментальных значений и значений функции в соответствующих точках:

(4)

Подберем параметры a и b так, чтобы эта сумма имела наименьшее значение. Таким образом, задачасводится к нахождению значений a и b , при которых функция имеет минимум, т.е.к исследованию функции двух независимых переменных a и b на минимум. Для этого продифференцируем по a и b :

;

Или

(5)

Подставив экспериментальные данные и , получим систему двух линейных уравнений с двумя неизвестными a и b . Решив эту систему, мы сможем записать функцию .

Убедимся, что при найденных значениях a и b имеет минимум. Для этого найдем , и :

, , .

Следовательно,

− = ,

>0,

т.е. выполнено достаточное условие минимума для функции двух переменных.

Квадратичная функция .

Пусть в эксперименте получены значения функции в точках . Пусть также на основании априорных сведений имеется предположение, что функция является квадратичной:

Требуется найти коэффициенты a , b и c .Имеем

– функцию трех переменных a , b , c .

В этом случае система (3) принимает вид:

Или:

Решив эту систему линейных уравнений, определим неизвестные a , b , c .

Пример. Пусть на основании эксперимента получены четыре значения искомой функции y = (x ) при четырех значениях аргумента, которые приведены в таблице:

Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Гармонические колебания Физика формула частоты колебаний