一般线性最小二乘法

怼烎@ 2022-08-04 16:33 283阅读 0赞

## 最小二乘法： ##

人们对由某一变量t 或多个变量t1,…,tn 构成的相关变量y感兴趣。如弹簧的形变与所用的力相关，一个企业的盈利与其营业额，投资收益和原始资本有关。为了得到这些变量同y之间的关系，便用不相关变量去构建y，使用如下函数模型

ym=f(t1,…,tq;x1,…,xp)

q个相关变量或p个附加的相关变量去拟和。  
通常人们将一个可能的、对不相关变量t的构成都无困难的函数类型称作函数模型（如抛物线函数或指数函数）。参数x是为了使所选择的函数模型同观测值y相匹配。（如在测量弹簧形变时，必须将所用的力与弹簧的膨胀系数联系起来）。其目标是合适地选择参数，使函数模型最好的拟合观测值。一般情况下，观测值远多于所选择的参数。  
其次的问题是怎样判断不同拟合的质量。高斯和勒让德的方法是，假设测量误差的平均值为0。令每一个测量误差对应一个变量并与其它测量误差不相关（随机无关）。人们假设，在测量误差中绝对不含系统误差，它们应该是纯偶然误差，围绕真值波动。除此之外，测量误差符合正态分布，这保证了偏差值在最后的结果y上忽略不计。  
确定拟合的标准应该被重视，并小心选择，较大误差的测量值应被赋予较小的权。并建立如下规则：被选择的参数，应该使算出的函数曲线与观测值之差的平方和最小。用函数表示为：

minx⃗ ∑i=1n(ym−yi)2

用欧几里得度量表达为：

minx⃗ ∥y⃗ m(x⃗ )−y⃗ ∥2

最小化问题的精度，依赖于所选择的函数模型。

## 线性函数模型 ##

典型的一类函数模型是线性函数模型。最简单的线性式是y=x0\+x1t，写成行列式，为

minx0,x1∥∥∥∥∥⎛⎝⎜⎜⎜1⋮1t1⋮tn⎞⎠⎟⎟⎟(x0x1)−⎛⎝⎜⎜⎜y1⋮yn⎞⎠⎟⎟⎟∥∥∥∥∥2=minx∥Ax−b∥2

直接给出该式的参数解：

x1=∑ni=1tiyi−n⋅t¯y¯∑ni=1t2i−n⋅(t¯)2和x0=y¯−x1t¯

其中  t¯=1n∑ni=1ti ，为  t 值的算术平均值。也可解得如下形式：

x1=∑ni=1(ti−t¯)(yi−y¯)∑ni=1(ti−t¯)2

## 一般线性情况 ##

若含有更多不相关模型变量t1,...,tq，可如组成线性函数的形式  
y(t1,…,tq;x0,x1,…,xq)=x0\+x1t1\+⋯\+xqtq  
即线性方程组

x0\+x1t11\+⋯\+xjt1j\+⋯\+xqt1q=y1x0\+x1t21\+⋯\+xjt2j\+⋯\+xqt2q=y2⋮x0\+x1ti1\+⋯\+xjtij\+⋯\+xqtiq=yi⋮x0\+x1tn1\+⋯\+xjtnj\+⋯\+xqtnq=yn

通常人们将tij记作数据矩阵 A，参数xj记做参数矢量x，观测值yi记作b，则线性方程组又可写成：

⎛⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜11⋮1⋮1t11t21ti1tn1⋯⋯⋯⋯t1j⋯t2j⋯tij⋯tnj⋯t1qt2qtiqtnq⎞⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⋅⎛⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜x0x1x2⋮xj⋮xq⎞⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟=⎛⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜y1y2⋮yi⋮yn⎞⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟

即  Ax=b  
上述方程运用最小二乘法导出为线性平差计算的形式为：  
 minx∥Ax−b∥2

## 最小二乘法的解 ##

定理：线性方程组Ax=b的LS问题一定有解，且求解LS问题与求解线性方程组的**法方程组等价**

ATAx=ATb

> 证明：  
> rank(A)=rank(ATA)⇒rank(ATA)≤rank(\[ATA,ATb\])=rank(aT\[A,b\])≤rank(AT)=rank(A)⇒rank(ATA)=rank(\[ATA,ATb\])  
> 从而方程组一定有解  
> 
> 
> f(x)=∥b−Ax∥2∥b−Ax∗∥2=minx∈Rn∥b−Ax∥2⎫⎭⎬⎪⎪⇒
> 
>   
> 
> 
> gradf(x∗)=(∂f(x∗)∂x1,∂f(x∗)∂x2,…,∂f(x∗)∂xn)T=0⇒2(ATAx∗−ATb)=0
> 
>   
> 说明LS解必定是法方程组的解  
> 
> 
> ATAx∗=ATb⇒AT(Ax∗−b)=0⇒Ax∗−b⊥R(A)=\{ y∈Rm|y=Ax,x∈Rn\}⇒∥b−Ax∥2=∥(b−Ax∗)\+A(x∗−x)∥2=∥b−Ax∗∥2\+∥A(x∗−x)∥2≥∥b−Ax∗∥2
> 
>   
> 说明法方程组的解必定是LS解

推论：当秩(Am×n)=n时，ATA为对称正定矩阵，最小二乘法问题有唯一解

xLS=(ATA)−1ATb

其中  (ATA)−1AT 称为A的伪逆矩阵，标记为  ***A***†

> 证明：  
> 先将b拆成A的值域及其正交补两部分  
> ***b***=***b***1\+***b***2  
> ***b***1=***A******A***†***b***∈R(***A***)  
> ***b***2=(***I***−***A******A***†)***b***∈R(***A***)⊥  
> 所以***A******x***−***b***1∈R(***A***)，可得  
> 
> 
> ∥∥***A******x***−***b***∥∥2=∥∥***A******x***−***b***1\+(−***b***2)∥∥2=∥∥***A******x***−***b***1∥∥2\+∥∥***b***2∥∥2
> 
>   
> 故当且仅当  ***x*** 是  ***A******x***=***b***1=***A******A***†***b*** 解时，  ***x*** 即为最小二乘解，即  ***x***=***A***†***b*** 。  
> 又因为  
>  N(***A***)=N(***A***†***A***)=R(***I***−***A***†***A***)=\{ (***I***−***A***†***A***)***h***:***h***∈**C**n\}  
> 故  ***A******x***=***A******A***†***b*** 的通解为  
>  ***x***=***A***†***b***\+(***I***−***A***†***A***)***h***:***h***∈**C**n  
> 因为  
> 
> 
> ∥∥***A***†***b***∥∥2<∥∥***A***†***b***∥∥2\+∥∥(***I***−***A***†***A***)***h***∥∥2=∥∥***A***†***b***\+(***I***−***A***†***A***)***h***∥∥2,(***I***−***A***†***A***)***h***≠**0**
> 
>   
> 所以  ***A***†***b*** 又是二范数极小的最小二乘解。

## 例题： ##

求解超定方程组的最小二乘问题：

⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪2x1\+4x2=13x1−5x2=3x1\+2x2=62x1−x2=7⇒A=⎛⎝⎜⎜⎜⎜23124−521⎞⎠⎟⎟⎟⎟,b=⎛⎝⎜⎜⎜⎜1367⎞⎠⎟⎟⎟⎟

系数矩阵A是列满秩的，古可以求最小二乘法的解！

![这里写图片描述][20150523115923180]  
最小二乘法解为：  
![这里写图片描述][20150523120000214]  
最小平方残差：  
![这里写图片描述][20150523120040587]  
本例是用法方程组来求解最小二乘法问题的解！但是这样作也可能会引出好多问题！我们提倡用QR分解来求解。

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