Аппроксимация функций методом наименьших квадратов

Основным недостатком  интерполяционных многочленов является наличие у них большого числа экстремумов и точек перегибов, что определяется суммированием в них многочленов , n раз меняющих свой знак. Кроме того, исходные табличные значения функции заданы неточно по разным причинам, поэтому строить многочлены выше 4-5-й  степени, зная, что из теоретических исследований функция в интервале таблицы совсем не такая, не имеет особого смысла.

Если табличные значения  функции можно интерпретировать как теоретическое значение плюс погрешность, то, задав некоторый критерий близости теоретической кривой к заданному множеству табличных точек, можно найти нужное число параметров этой кривой.

Наиболее популярным критерием близости является минимум среднего квадрата отклонения:

,

где           – точка экспериментальных данных из таблицы,

 – значение искомой зависимости в точке .

Если искомую зависимость желательно представить многочленом  степени n, то (n+1)коэффициент в нем будут представлять неизвестные параметры. Подставив в сумму квадратов отклонений искомый многочлен, получим функционал, зависящий от этих параметров:

Чтобы функционал  был минимален, необходимо все частные производные функционала по параметрам приравнять нулю и систему разрешить относительно неизвестных параметров . Эти действия приводят к следующей системе линейных уравнений

Здесь        – постоянный коэффициент, равный сумме (j+k)-тых

степеней  всех значений аргументов. Для их ручного вычисления

удобно  к исходной таблице данных добавить еще   столбцов.

 – числовые значения в правой части системы линей-

ных алгебраических уравнений, для подсчета которых тоже

удобно к исходной таблице данных добавить еще  n  столбцов.

Демонстрацию метода наименьших квадратов проведем для данных с количеством точек в таблице, равным 4. Максимальная степень аппроксимирующего многочлена для такого набора равна 3, так как должно  выполняться соотношение: . Для максимальной степени  аппроксимирующий и интерполяционный многочлены равны.

Пусть таблица данных после добавления в нее дополнительных колонок выглядит следующим образом:

В нижней строке размещаем итоговые суммы по каждой колонке.

Система уравнений для полинома третьей степени:

Решив систему, найдем:  

Эта же таблица без добавления чего-либо позволяет найти коэффициенты аппроксимирующего многочлена второй степени. Для этого достаточно в системе для полинома третьей степени убрать 4-е уравнение, а из остальных  уравнений исключить слагаемые с неизвестной . В результате система уравнений для полинома второй степени будет:

Решив систему, найдем:  

Аналогично можно уменьшать число уравнений для построения аппроксимирующих многочленов первой и нулевой степеней.

На рисунке 1 показаны графики двух аппроксимирующих многочленов второй и третьей степени. Многочлен третьей степени проходит через 4 заданные точки, а многочлен второй степени проходит сквозь множество заданных точек с минимумом суммы квадратов отклонений от них, что хорошо видно на графиках.

Рисунок 1.