超定方程组

更新时间:2023-10-19 21:41

超定方程组是指方程个数大于未知量个数的方程组。对于方程组Ra=y,R为n×m矩阵,如果R列满秩,且n>m。则方程组没有精确解,此时称方程组为超定方程组。

超定方程组的解

超定方程一般是不存在解的矛盾方程

例如,如果给定的三点不在一条直线上, 我们将无法得到这样一条直线,使得这条直线同时经过给定这三个点。 也就是说给定的条件(限制)过于严格, 导致解不存在。在实验数据处理和曲线拟合问题中,求解超定方程组非常普遍。比较常用的方法是最小二乘法。形象的说,就是在无法完全满足给定的这些条件的情况下,求一个最接近的解。

曲线拟合是最小二乘法要解决的问题,实际上就是求以上超定方程组的最小二乘解的问题。

如果有向量a使得下式的值达到最小,则称a为上述超定方程的最小二乘解。

最小二乘解的存在性和唯一性

方程组有精确解,则称为是相容的,其充要条件是rank(R)=rank(R,y)。设rank(R)=r>0,则总存在分解R=FG,即满秩分解。

定理1

方程组必存在最小二乘解,且a是方程组的最小二乘解的充要条件是a是RT·R·a=RT·y的解。

定理2

若rank(R)=r<m,则方程组有无穷多个最小二乘解,其中2-范数最小的解称为方程组的极小最小二乘解,且该解是唯一的,为a'=GT(GGT)-1(FTF)-1FTy

定理3

若rank(R)=m<=n,以上超定方程组存在唯一最小二乘解,解为a=(RT·R)-1·RT·y

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