数据拟合

更新时间:2022-08-25 14:15

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。

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

MATLAB软件提供了基本的曲线拟合函数的命令.

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。

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