Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Учебное_пособие_Математические_методы_в_экологии_360.docx
Скачиваний:
2
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
2.7 Mб
Скачать

4.2 Аппроксимация функций. Метод наименьших квадратов

Интерполяционный полином не всегда удобен для приближения функций. Если таблица значений содержит результаты какого-то эксперимента, полученные с погрешностью, то не целесообразно проводить кривую точно через все узлы, как при интерполяции. На практике часто используют другой способ приближенного представления (аппроксимации) функций, заданных таблицей, который называется методом наименьших квадратов.

Пусть функция y = f(x) задана таблицей приближенных значений yi = f(xi), i = 0, 1, 2, …, n.

Согласно методу наименьших квадратов, за меру отклонения полинома

(4.12)

от данной функции f(x) на множестве точек принимают величину

,

(4.13)

равную сумме квадратов отклонений полинома Qm(x) от функции f(x) на заданной системе точек. Очевидно, что Sm это функция коэффициентов a0, a1, a2, …, am. Эти коэффициенты нужно подобрать так, чтобы величина Sm была наименьшей.

Полученный полином называется аппроксимирующим для данной функции, а процесс построения этого полинома – точечной квадратичной аппроксимацией функции.

Для нахождения коэффициентов a0, a1, a2, …, am найдем частные производные по всем переменным a0, a1, a2, …, am от величины

,

(4.14)

где yi = f(xi). Приравнивая эти частные производные нулю, получим систему (m + 1) уравнений с (m + 1) неизвестными:

(4.15)

В общем случае, когда аппроксимирующий полином для данной функции является обобщенным:

где – функции, находим частные производные от величины

Согласно (4.15), будем иметь систему уравнений, позволяющую определить коэффициенты :

(4.16)

Многочлен Qm(x) называют многочленом наилучшего среднеквадратичного приближения функции f(x) на [a, b]. Задача нахождения такого многочлена упрощается, если система {i(x)} является ортогональной на [a, b].

Функции и называются ортогональными на множестве точек , если скалярное произведение этих функций равно нулю, т. е.

или в другой записи

Система функций {i(x)} называется ортогональной на множестве точек , если функции этой системы попарно ортогональны на этом множестве,т. е.

при

Или в другой форме записи

Если система {i(x)} является ортогональной, то коэффициенты обобщенного многочлена Qm(x) определяются по формулам

.

(4.17)

Если функция аппроксимируется обобщенным полиномом на отрезке [a, b], то коэффициенты можно определить по формуле

(4.18)

Коэффициенты называются коэффициентами Фурье полинома относительно ортогональной системы функций .

Пусть на отрезке [– l, l] задана система ортогональных функций

(4.19)

Для на [– l, l] тригонометрическим многочленом наилучшего среднеквадратичного приближения является тригонометрический многочлен

,

(4.20)

где коэффициенты Фурье определяются формулами (4.18) и имеют вид

, k = 1, 2, … .

(4.21)

В качестве еще одной ортогональной системы можно рассмотреть полиномы Лежандра:

, (n = 0, 1, 2, …).

(4.22)

Полиномы Лежандра образуют ортогональную систему на отрезке [–1, 1], т. е.

при nm.

Обобщенный многочлен степени n относительно ортогональной системы алгебраических полиномов Лежандра имеет вид

,

где

(4.23)

(4.24)

Замечание

Если функция определена на [a, b], то с помощью линейного преобразования

(4.25)

можно получить полином Лежандра, ортогональный на отрезке [a, b]:

Пример 1

Найти алгебраический многочлен степени n = 2 наилучшего среднеквадратичного приближения для функции на отрезке [0, 2].

Оценить погрешность.

Искомый многочлен имеет вид , где – полиномы Лежандра (определены соотношением (4.25)).

Делаем замену переменных и переходим от [0, 2] к рассмотрению отрезка [–1, 1].

Получим , определенную на отрезке [–1, 1]:

Коэффициенты Фурье найдем по формуле (4.24).

;

;

.

Таким образом,

.

Результаты показаны на рис. 4.2.

Р ис. 4.2. Исходная функция и ее аппроксимация из Примера 1

Пример 2

Имеется таблица значений:

X 10 20 30 40 50 60 70 80

Y 15,3 20,5 27,4 36,6 49,1 65,6 87,8 117,6

Представить зависимость величин x и y в виде функции y(x) = aebx.

Прологарифмируем эту функцию: . Если обозначить , то получим . Исходная таблица значений примет следующий вид:

x 10 20 30 40 50 60 70 80

2,73 3,02 3,31 3,60 3,89 4,18 4,48 4,77

Для нахождения коэффициентов а и b воспользуемся методом наименьших квадратов.

Согласно методу наименьших квадратов, сумма квадратов отклонений искомого полинома от значений в каждой точке должна быть минимальна, т. е.

;

;

;

.

b = 0,029; c = 2,436.

= 11,472.

Тогда искомая зависимость будет иметь вид .

Результаты показаны на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Исходная функция и ее аппроксимация из Примера 2