当前位置:

首页 > 编程开发 > Python如何使用最小二乘法进行数据拟合

Python如何使用最小二乘法进行数据拟合

所谓线性最小二乘法,可以理解为是解方程的延续,区别在于,当未知量远小于方程数的时候,将得到一个无解的问题。最小二乘法的实质,是保证误差最小的情况下对未知数进行赋值。最小二乘法是非常经典的算法,而且这个名字我们在高中的时候就已经接触了,属于极其常用的算法。此前曾经写过线性最小二乘法的原理,并用Python实现:最小二乘法及其Python实现;以及scipy中非线性最小二乘法的调用方式:非线性最小二乘法(文末补充内容);还有稀疏矩阵的最小二乘法:稀疏矩阵最小二乘法。下面讲对numpy和scipy中实现的线性最

本文目录

    所谓线性最小二乘法,可以理解为是解方程的延续,区别在于,当未知量远小于方程数的时候,将得到一个无解的问题。最小二乘法的实质,是保证误差最小的情况下对未知数进行赋值。

    最小二乘法是非常经典的算法,而且这个名字我们在高中的时候就已经接触了,属于极其常用的算法。此前曾经写过线性最小二乘法的原理,并用Python实现:最小二乘法及其Python实现;以及scipy中非线性最小二乘法的调用方式:非线性最小二乘法(文末补充内容);还有稀疏矩阵的最小二乘法:稀疏矩阵最小二乘法。

    下面讲对numpy和scipy中实现的线性最小二乘法进行说明,并比较二者的速度。

    numpy实现

    numpy中便实现了最小二乘法,即lstsq(a,b)用于求解类似于a@x=b中的x,其中,a为M×N的矩阵;则当b为M行的向量时,刚好相当于求解线性方程组。对于Ax=b这样的方程组,如果A是满秩仿真,那么可以表示为x=A−1b,否则可以表示为x=(ATA)−1ATb。

    当b为M×K的矩阵时,则对每一列,都会计算一组x。

    其返回值共有4个,分别是拟合得到的x、拟合误差、矩阵a的秩、以及矩阵a的单值形式。

    import numpy as np
    np.random.seed(42)
    M = np.random.rand(4,4)
    x = np.arange(4)
    y = M@x
    xhat = np.linalg.lstsq(M,y)
    print(xhat[0])
    #[0. 1. 2. 3.]

    scipy封装

    scipy.linalg同样提供了最小二乘法函数,函数名同样是lstsq,其参数列表为

    lstsq(a, b, cond=None, overwrite_a=False, overwrite_b=False, check_finite=True, lapack_driver=None)

    其中a, b即Ax=b,二者均提供可覆写开关,设为True可以节省运行时间,此外,函数也支持有限性检查,这是linalg中许多函数都具备的选项。其返回值与numpy中的最小二乘函数相同。

    cond为浮点型参数,表示奇异值阈值,当奇异值小于cond时将舍弃。

    lapack_driver为字符串选项,表示选用何种LAPACK中的算法引擎,可选'gelsd', 'gelsy', 'gelss'。

    import scipy.linalg as sl
    xhat1 = sl.lstsq(M, y)
    print(xhat1[0])
    # [0. 1. 2. 3.]

    速度对比

    最后,对着两组最小二乘函数做一个速度上的对比

    from timeit import timeit
    N = 100
    A = np.random.rand(N,N)
    b = np.arange(N)
    
    timeit(lambda:np.linalg.lstsq(A, b), number=10)
    # 0.015487500000745058
    timeit(lambda:sl.lstsq(A, b), number=10)
    # 0.011151800004881807

    这一次,二者并没有拉开太大的差距,即使将矩阵维度放大到500,二者也是半斤八两。

    N = 500
    A = np.random.rand(N,N)
    b = np.arange(N)
    
    timeit(lambda:np.linalg.lstsq(A, b), number=10)
    0.389679799991427
    timeit(lambda:sl.lstsq(A, b), number=10)
    0.35642060000100173

    补充

    Python调用非线性最小二乘法

    简介与构造函数

    在scipy中,非线性最小二乘法的目的是找到一组函数,使得误差函数的平方和最小,可以表示为如下公式

    Python如何使用最小二乘法进行数据拟合

    其中ρ表示损失函数,可以理解为对fi(x)的一次预处理。

    scipy.optimize中封装了非线性最小二乘法函数least_squares,其定义为

    least_squares(fun, x0, jac, bounds, method, ftol, xtol, gtol, x_scale, f_scale, loss, jac_sparsity, max_nfev, verbose, args, kwargs)

    其中,func和x0为必选参数,func为待求解函数,x0为函数输入的初值,这两者无默认值,为必须输入的参数。

    bound为求解区间,默认(−∞,∞),verbose为1时,会有终止输出,为2时会print更多的运算过程中的信息。此外下面几个参数用于控制误差,比较简单。


    默认值备注
    ftol10-8函数容忍度
    xtol10-8自变量容忍度
    gtol10-8梯度容忍度
    x_scale1.0变量的特征尺度
    f_scale1.0残差边际值

    loss为损失函数,就是上面公式中的ρ \rhoρ,默认为linear,可选值包括

    Python如何使用最小二乘法进行数据拟合

    迭代策略

    上面的公式仅给出了算法的目的,但并未暴露其细节。关于如何找到最小值,则需要确定搜索最小值的方法,method为最小值搜索的方案,共有三种选项,默认为trf

    • trf:即Trust Region Reflective,信赖域反射算法

    • dogbox:信赖域狗腿算法

    • lm:Levenberg-Marquardt算法

    这三种方法都是信赖域方法的延申,信赖域的优化思想其实就是从单点的迭代变成了区间的迭代,由于本文的目的是介绍scipy中所封装好的非线性最小二乘函数,故而仅对其原理做简略的介绍。

    Python如何使用最小二乘法进行数据拟合

    其中r为置信半径,假设在这个邻域内,目标函数可以近似为线性或二次函数,则可通过二次模型得到区间中的极小值点sk。然后以这个极小值点为中心,继续优化信赖域所对应的区间。

    Python如何使用最小二乘法进行数据拟合

    雅可比矩阵

    在了解了信赖域方法之后,就会明白雅可比矩阵在数值求解时的重要作用,而如何计算雅可比矩阵,则是接下来需要考虑的问题。jac参数为计算雅可比矩阵的方法,主要提供了三种方案,分别是基于两点的2-point;基于三点的3-point;以及基于复数步长的cs。一般来说,三点的精度高于两点,但速度也慢一倍。

    此外,可以输入自定义函数来计算雅可比矩阵。

    测试

    最后,测试一下非线性最小二乘法

    import numpy as np
    from scipy.optimize import least_squares
    
    def test(xs):
        _sum = 0.0
        for i in range(len(xs)):
            _sum = _sum + (1-np.cos((xs[i]*i)/5)*(i+1))
        return _sum
    
    x0 = np.random.rand(5)
    ret = least_squares(test, x0)
    msg = f"最小值" + ", ".join([f"{x:.4f}" for x in ret.x])
    msg += f"\nf(x)={ret.fun[0]:.4f}"
    print(msg)
    '''
    最小值0.9557, 0.5371, 1.5714, 1.6931, 5.2294
    f(x)=0.0000
    '''
    本站声明:本文内容由网友自发贡献,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容,请联系bd@zhengruan.com
    作者最新文章
    编程开发 Python
    相关文章 更多
    python删除一个列表里的重复元素的方法与代码示例
    python删除一个列表里的重复元素的方法与代码示例

    学习如何使用Python高效删除列表中的重复元素。本文提供5种常见方法的代码示例,涵盖保持顺序与不保持顺序的场景,适合初学者和进阶开发者参考。

    Python写接口的步骤及完整代码示例
    Python写接口的步骤及完整代码示例

    详细讲解使用Python编写Web接口的核心步骤与完整代码示例,涵盖环境准备、路由定义、数据校验、服务启动及调试测试方法。

    codex怎么读取word文档及docx文件操作教程
    codex怎么读取word文档及docx文件操作教程

    介绍如何利用编程工具读取和解析Word文档(docx格式),涵盖基础文本提取代码示例、结构化数据处理逻辑,以及处理复杂排版时的技术局限与替代方案。

    怎么在Python中调用C语言代码提升性能
    怎么在Python中调用C语言代码提升性能

    详细讲解在Python中调用C语言代码提升性能的完整实践指南,包含原理分析、编译步骤、ctypes与CFFI具体实现、性能对比及常见陷阱。

    Python与C语言的性能差异及底层原理
    Python与C语言的性能差异及底层原理

    深入解析Python与C语言在执行效率上的数量级差异,从编译机制、变量内存布局、动态类型推断到GIL锁,系统阐明底层核心原理。

    Python和C语言哪个更适合编程入门
    Python和C语言哪个更适合编程入门

    客观对比Python与C语言在心智负担、底层机制与学习反馈上的核心差异,提供清晰有据的选择标准与切实的入门学习路径。

    selenium上传文件教程本地文件路径设置方法
    selenium上传文件教程本地文件路径设置方法

    深入解析Selenium处理文件上传的技术细节,涵盖标准HTML控件的路径直接注入法与非标准控件的系统级模拟方案,提供Windows与Linux环境下的路径设置最佳实践及常见异常排查。

    大数据开发语言选型:Java对比Scala与Python的优缺点及适用场景
    大数据开发语言选型:Java对比Scala与Python的优缺点及适用场景

    针对大数据工程场景,系统对比Java、Scala与Python在执行性能、生态结合、开发效率和维护成本上的核心差异,给出清晰的架构选型依据与落地方案。

    langgraph python guide中文入门教程详解
    langgraph python guide中文入门教程详解

    本篇LangGraph Python中文入门教程详解,系统梳理StateGraph状态机定义、节点编写、边与条件路由、检查点持久化(MemorySaver)等核心机制,提供从环境安装到完整循环智能体构建的代码示例与实操指导。

    Windows 安装 Python:从官方入口到虚拟环境的可复现实践
    Windows 安装 Python:从官方入口到虚拟环境的可复现实践

    面向后端开发者,基于 Python 官方文档说明如何在 Windows 上安装 Python、创建 venv 虚拟环境及使用 pip 管理依赖。包含可复制命令、验证方法及工具选择边界,避免常见配置误区。

    查看更多
    精品专题 更多
    装机必备
    装机必备

    正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

    Windows
    Windows

    正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

    PDF教程
    PDF教程

    正软商城PDF教程频道提供PDF编辑、转换、合并、拆分、压缩及格式处理方法,同时介绍常用PDF软件和工具的使用技巧。

    Mac软件 更多
    讯飞智作 网页版
    讯飞智作 网页版
    Windows/ macOS/ Linux

    讯飞智作是一款基于语音合成技术、虚拟人驱动技术与数字人形象声音构建能力的 AI 数字人音视频创作平台。

    火山引擎 网页版
    火山引擎 网页版
    Windows/ macOS/ Linux

    火山引擎是字节跳动旗下企业级云与AI服务平台。聚焦大模型核心能力,依托字节自研豆包多模态大模型,凭借火山方舟一站式平台,提供模型精调、推理部署、智能应用搭建等全链路服务,结合高性能AI算力,助力各行业快速落地大模型数字化与智能化应用。

    Aperty macOS版
    Aperty macOS版
    macOS

    Aperty 是 Skylum 推出的 AI 人像修图软件,支持自然肤质修饰、瑕疵处理、面部与身体调整、预设及批量同步。

    WINDOWS 更多
    讯飞智作 网页版
    讯飞智作 网页版
    Windows/ macOS/ Linux

    讯飞智作是一款基于语音合成技术、虚拟人驱动技术与数字人形象声音构建能力的 AI 数字人音视频创作平台。

    火山引擎 网页版
    火山引擎 网页版
    Windows/ macOS/ Linux

    火山引擎是字节跳动旗下企业级云与AI服务平台。聚焦大模型核心能力,依托字节自研豆包多模态大模型,凭借火山方舟一站式平台,提供模型精调、推理部署、智能应用搭建等全链路服务,结合高性能AI算力,助力各行业快速落地大模型数字化与智能化应用。

    PixTV 网页版
    PixTV 网页版
    Windows

    PixTV 是一款在浏览器中使用的 AI 视觉内容创作平台,提供图片、视频、音频、文字生成、AI 分镜、局部重绘、提示词反推和无限画布等工具,适合短剧、漫剧、广告及社交媒体内容制作。