数据拟合又称曲线拟合,俗称拉曲线,是一种把现有数据透过数学方法来代入一条数式的表示方式。
科学和
工程问题可以通过诸如
采样、
实验等方法获得若干
离散的数据,根据这些数据,我们往往希望得到一个连续的函数(也就是
曲线)或者更加密集的离散方程与已知数据相吻合,这过程就叫做
拟合(fitting)。
定义
曲线拟合,俗称拉曲线,是一种把现有数据透过
数学方法来代入一条数式的表示方式。
在
MATLAB的NAG Foundation Toolbox中也有一些曲面拟合函数,如e02daf是最小二乘平方曲面拟合函数,e02def可求出曲面拟合的
函数值。
拟合直线或多项式曲线
方程在笛卡尔平面上是一条直线,而这条直线的
斜率是a。因为任何两点可以决定一条直线,因此总能找到次数不多于1的多项式来串起任何两个x值相异的点。
如果把多次式的次数增加到2
。
那么只要给定x值各异的3点,总会有次数不多于2的多项式可以把它们串起。
如果把多次式的次数再增加到3
。
那么只要给定x值各异的4点,总会有次数不多于3的多项式可以把它们串起。
对于这条多项式,更正确的描述是这条多项式附合任何4个
限制。限制可以是一点(x,y)、
角度或
曲率(即半径的倒数 1/R)。角度和曲率的限制通常在曲线的终端,因此称为
终端条件。为了
样条(spline) 的交接平滑,通常会用到全等的终端条件。 也可以增加如曲率变化等高阶约束。例如,在高速公路立体交叉点cloverleaf的设计中,可以用来理解当汽车绕着交叉点运动时作用在汽车上的力,并依此设定合理的限定时速。
一次多项式也可以拟合一个单点和一个角度,三次多项式则可以拟合两点,一个
角度约束以及一个
曲率约束。许多其它类型的约束组合也同样可以用低阶或者高阶多项式来拟合。
如果有超过n+1个约束(n是多项式的阶次),仍然可以使用多项式拟合。通常一个满足所有约束的精确拟合不一定能够得到(但是有可能得到,例如,用一次多项式拟合共线的三点
三点共线)。通常,我们需要使用一些方法来评价拟合的好坏。
最小平方法就是用来评价差别的一种常用的方法。
Matlab实现方法
多项式函数拟合
a=polyfit(xdata,ydata,n)
其中n表示多项式的最高阶数,xdata,ydata为将要拟合的数据,它是用
数组的方式输入.输出参数a为拟合多项式 的系数 ,相对应的次数为由高到低。
多项式在x处的值y可用下面程序计算。
y=polyval(a,x)
有了x和y就可以把拟合的图形画出来,并且同时与原图对比
plot(xdata,ydata,x,y)
一般的曲线拟合
p=curvefit(‘Fun’,p0,xdata,ydata)
其中Fun表示函数Fun(p,data)的M函数文件,p0表示函数的初值.curvefit()命令的求解问题形式是
若要求解点x处的
函数值可用程序f=Fun(p,x)计算。
例如已知函数形式 ,并且已知数据点 要确定四个未知参数a,b,c,d.
使用curvefit命令,数据输入 ;初值输 ;并且建立函数 的M文件(Fun.m).若定义 ,则输出
曲线拟合实验图
利用COMSOL Multiphysics 拟合实验,见图1。