Как найти уравнение аппроксимации - AvtoShod.ru

При обработке экспериментальных данных часто возникает необходимость аппроксимировать их линейной функцией.

Аппроксимацией (приближением) функции f(x) называется нахождение такой функции (аппроксимирующей функции) g(x), которая была бы близка заданной. Критерии близости функций могут быть различные.

В случае если приближение строится на дискретном наборе точек, аппроксимацию называют точечной или дискретной.

В случае если аппроксимация проводится на непрерывном множестве точек (отрезке), аппроксимация называется непрерывной или интегральной. Примером такой аппроксимации может служить разложение функции в ряд Тейлора, то есть замена некоторой функции степенным многочленом.

Наиболее часто встречающим видом точечной аппроксимации является интерполяция – нахождение промежуточных значений величины по имеющемуся дискретному набору известных значений.

Пусть задан дискретный набор точек, называемых узлами интерполяции, а также значения функции в этих точках. Требуется построить функцию g(x), проходящую наиболее близко ко всем заданным узлам. Таким образом, критерием близости функции является g(xi)=yi.

В качестве функции g(x) обычно выбирается полином, который называют интерполяционным полиномом.

В случае если полином един для всей области интерполяции, говорят, что интерполяция глобальная.

В случае если между различными узлами полиномы различны, говорят о кусочной или локальной интерполяции.

Найдя интерполяционный полином, мы можем вычислить значения функции между узлами, а также определить значение функции даже за пределами заданного интервала (провести экстраполяцию).

Аппроксимация линейной функцией

Пример реализации

Для примера реализации воспользуемся набором значений, полученных в соответствии с уравнением прямой

y = 8 · x — 3

Рассчитаем указанные коэффициенты по методу наименьших квадратов.
Результат сохраняем в форме двумерного массива, состоящего из 2 столбцов.
При следующем запуске программы добавим случайную составляющую к указанному набору значений и снова рассчитаем коэффициенты.

Реализация на Си

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
// Задание начального набора значений
double ** getData(int n) {
  double **f;
  f = new double*[2];
  f[0] = new double[n];
  f[1] = new double[n];
  for (int i = 0; i<n; i++) {
    f[0][i] = (double)i;
    f[1][i] = 8 * (double)i — 3;
    // Добавление случайной составляющей
    f[1][i] = 8*(double)i — 3 + ((rand()%100)-50)*0.05;
  }
  return f;
}
// Вычисление коэффициентов аппроксимирующей прямой
void getApprox(double **x, double *a, double *b, int n) {
  double sumx = 0;
  double sumy = 0;
  double sumx2 = 0;
  double sumxy = 0;
  for (int i = 0; i<n; i++) {
    sumx += x[0][i];
    sumy += x[1][i];
    sumx2 += x[0][i] * x[0][i];
    sumxy += x[0][i] * x[1][i];
  }
  *a = (n*sumxy — (sumx*sumy)) / (n*sumx2 — sumx*sumx);
  *b = (sumy — *a*sumx) / n;
  return;
}
int main() {
  double **x, a, b;
  int n;
  system(«chcp 1251»);
  system(«cls»);
  printf(«Введите количество точек: «);
  scanf(«%d», &n);
  x = getData(n);
  for (int i = 0; i<n; i++)
    printf(«%5.1lf — %7.3lfn», x[0][i], x[1][i]);
  getApprox(x, &a, &b, n);
  printf(«a = %lfnb = %lf», a, b);
  getchar(); getchar();
  return 0;
}

Результат выполнения
Запуск без случайной составляющей

Запуск со случайной составляющей

Построение графика функции

Для наглядности построим график функции, полученный аппроксимацией по методу наименьших квадратов. Подробнее о построении графика функции описано здесь.

Реализация на Си

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149

#include <windows.h>
const int NUM = 70; // количество точек
LONG WINAPI WndProc(HWND, UINT, WPARAM, LPARAM);
double **x; // массив данных
      // Определение коэффициентов линейной аппроксимации по МНК
void getApprox(double **m, double *a, double *b, int n) {
  double sumx = 0;
  double sumy = 0;
  double sumx2 = 0;
  double sumxy = 0;
  for (int i = 0; i<n; i++) {
    sumx += m[0][i];
    sumy += m[1][i];
    sumx2 += m[0][i] * m[0][i];
    sumxy += m[0][i] * m[1][i];
  }
  *a = (n*sumxy — (sumx*sumy)) / (n*sumx2 — sumx*sumx);
  *b = (sumy — *a*sumx) / n;
  return;
}
// Задание исходных данных для графика
// (двумерный массив, может содержать несколько рядов данных)
double ** getData(int n) {
  double **f;
  double a, b;
  f = new double*[3];
  f[0] = new double[n];
  f[1] = new double[n];
  f[2] = new double[n];
  for (int i = 0; i<n; i++) {
    double x = (double)i * 0.1;
    f[0][i] = x;
    f[1][i] = 8 * x — 3 + ((rand() % 100) — 50)*0.05;
  }
  getApprox(f, &a, &b, n); // аппроксимация
  for (int i = 0; i<n; i++) {
    double x = (double)i * 0.1;
    f[2][i] = a*x + b;
  }
  return f;
}
// Функция рисования графика
void DrawGraph(HDC hdc, RECT rectClient, double **x, int n, int numrow = 1) {
  double OffsetY, OffsetX;
  double MAX_X = 0;
  double MAX_Y = 0;
  double ScaleX, ScaleY;
  double min, max;
  int height, width;
  int X, Y;    // координаты в окне (в px)
  HPEN hpen;
  height = rectClient.bottom — rectClient.top;
  width = rectClient.right — rectClient.left;
  // Область допустимых значений X
  min = x[0][0];
  max = x[0][0];
  for (int i = 0; i<n; i++) {
    if (x[0][i] < min)
      min = x[0][i];
    if (x[0][i] > max)
      max = x[0][i];
  }
  double temp = max — min;
  MAX_X = max — min;
  OffsetX = min*width / MAX_X;  // смещение X
  ScaleX = (double)width / MAX_X; // масштабный коэффициент X
                  // Область допустимых значений Y
  min = x[1][0];
  max = x[1][0];
  for (int i = 0; i<n; i++) {
    for (int j = 1; j <= numrow; j++) {
      if (x[j][i] < min)
        min = x[j][i];
      if (x[j][i] > max)
        max = x[j][i];
    }
  }
  MAX_Y = max — min;
  OffsetY = max*height / (MAX_Y);  // смещение Y
  ScaleY = (double)height / MAX_Y; // масштабный коэффициент Y
                   // Отрисовка осей координат
  hpen = CreatePen(PS_SOLID, 0, 0); // черное перо 1px
  SelectObject(hdc, hpen);
  MoveToEx(hdc, 0, OffsetY, 0);  // перемещение в точку (0;OffsetY)
  LineTo(hdc, width, OffsetY);   // рисование горизонтальной оси
  MoveToEx(hdc, OffsetX, 0, 0);  // перемещение в точку (OffsetX;0)
  LineTo(hdc, OffsetX, height);  // рисование вертикальной оси
  DeleteObject(hpen);  // удаление черного пера
             // Отрисовка графика функции
  int color = 0xFF; // красное перо для первого ряда данных
  for (int j = 1; j <= numrow; j++) {
    hpen = CreatePen(PS_SOLID, 2, color); // формирование пера 2px
    SelectObject(hdc, hpen);
    X = (int)(OffsetX + x[0][0] * ScaleX);    // координаты начальной точки графика
    Y = (int)(OffsetY — x[j][0] * ScaleY);
    MoveToEx(hdc, X, Y, 0);  // перемещение в начальную точку
    for (int i = 0; i<n; i++) {
      X = OffsetX + x[0][i] * ScaleX;
      Y = OffsetY — x[j][i] * ScaleY;
      LineTo(hdc, X, Y);
    }
    color = color << 8; // изменение цвета пера для следующего ряда
    DeleteObject(hpen); // удаление текущего пера
  }
}
// Главная функция
int  WINAPI  WinMain(HINSTANCE  hInstance,
  HINSTANCE hPrevInstance, LPSTR lpCmdLine, int nCmdShow) {
  HWND hwnd;
  MSG msg;
  WNDCLASS w;
  x = getData(NUM); // задание исходных данных
  memset(&w, 0, sizeof(WNDCLASS));
  w.style = CS_HREDRAW | CS_VREDRAW;
  w.lpfnWndProc = WndProc;
  w.hInstance = hInstance;
  w.hbrBackground = CreateSolidBrush(0x00FFFFFF);
  w.lpszClassName = «My Class»;
  RegisterClass(&w);
  hwnd = CreateWindow(«My Class», «График функции»,
    WS_OVERLAPPEDWINDOW, 500, 300, 500, 380, NULL, NULL,
    hInstance, NULL);
  ShowWindow(hwnd, nCmdShow);
  UpdateWindow(hwnd);
  while (GetMessage(&msg, NULL, 0, 0)) {
    TranslateMessage(&msg);
    DispatchMessage(&msg);
  }
  return msg.wParam;
}
// Оконная функция
LONG WINAPI WndProc(HWND hwnd, UINT Message,
  WPARAM wparam, LPARAM lparam) {
  HDC hdc;
  PAINTSTRUCT ps;
  switch (Message) {
  case WM_PAINT:
    hdc = BeginPaint(hwnd, &ps);
    DrawGraph(hdc, ps.rcPaint, x, NUM, 2); // построение графика
    EndPaint(hwnd, &ps);
    break;
  case WM_DESTROY:
    PostQuitMessage(0);
    break;
  default:
    return DefWindowProc(hwnd, Message, wparam, lparam);
  }
  return 0;
}

Результат выполнения

Аппроксимация с фиксированной точкой пересечения с осью y

В случае если в задаче заранее известна точка пересечения искомой прямой с осью y, в решении задачи останется только одна частная производная для вычисления коэффициента a.

В этом случае текст программы для поиска коэффициента угла наклона аппроксимирующей прямой будет следующий (имя функции getApprox() заменено на getApproxA() во избежание путаницы).

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
// Задание начального набора значений
double ** getData(int n) {
  double **f;
  f = new double*[2];
  f[0] = new double[n];
  f[1] = new double[n];
  for (int i = 0; i<n; i++) {
    f[0][i] = (double)i;
    f[1][i] = 8 * (double)i — 3;
    // Добавление случайной составляющей
    //f[1][i] = 8 * (double)i — 3 + ((rand() % 100) — 50)*0.05;
  }
  return f;
}
// Вычисление коэффициентов аппроксимирующей прямой
void getApproxA(double **x, double *a, double b, int n) {
  double sumx = 0;
  double sumx2 = 0;
  double sumxy = 0;
  for (int i = 0; i<n; i++) {
    sumx += x[0][i];
    sumx2 += x[0][i] * x[0][i];
    sumxy += x[0][i] * x[1][i];
  }
  *a = (sumxy — b*sumx) / sumx2;
  return;
}
int main() {
  double **x, a, b;
  int n;
  system(«chcp 1251»);
  system(«cls»);
  printf(«Введите количество точек: «);
  scanf(«%d», &n);
  x = getData(n);
  for (int i = 0; i<n; i++)
    printf(«%5.1lf — %7.3lfn», x[0][i], x[1][i]);
  b = 0;
  getApproxA(x, &a, b, n);
  printf(«a = %lfnb = %lf», a, b);
  getchar(); getchar();
  return 0;
}

Результат выполнения программы поиска коэффициента угла наклона аппроксимирующей прямой при фиксированном значении b=0:

Назад: Алгоритмизация

Источник

Содержание

Выполнение аппроксимации
- Способ 1: линейное сглаживание
- Способ 2: экспоненциальная аппроксимация
- Способ 3: логарифмическое сглаживание
- Способ 4: полиномиальное сглаживание
- Способ 5: степенное сглаживание
Вопросы и ответы

Среди различных методов прогнозирования нельзя не выделить аппроксимацию. С её помощью можно производить приблизительные подсчеты и вычислять планируемые показатели, путем замены исходных объектов на более простые. В Экселе тоже существует возможность использования данного метода для прогнозирования и анализа. Давайте рассмотрим, как этот метод можно применить в указанной программе встроенными инструментами.

Выполнение аппроксимации

Наименование данного метода происходит от латинского слова proxima – «ближайшая» Именно приближение путем упрощения и сглаживания известных показателей, выстраивание их в тенденцию и является его основой. Но данный метод можно использовать не только для прогнозирования, но и для исследования уже имеющихся результатов. Ведь аппроксимация является, по сути, упрощением исходных данных, а упрощенный вариант исследовать легче.

Главный инструмент, с помощью которого проводится сглаживания в Excel – это построение линии тренда. Суть состоит в том, что на основе уже имеющихся показателей достраивается график функции на будущие периоды. Основное предназначение линии тренда, как не трудно догадаться, это составление прогнозов или выявление общей тенденции.

Но она может быть построена с применением одного из пяти видов аппроксимации:

Линейной;
Экспоненциальной;
Логарифмической;
Полиномиальной;
Степенной.

Рассмотрим каждый из вариантов более подробно в отдельности.

Урок: Как построить линию тренда в Excel

Способ 1: линейное сглаживание

Прежде всего, давайте рассмотрим самый простой вариант аппроксимации, а именно с помощью линейной функции. На нем мы остановимся подробнее всего, так как изложим общие моменты характерные и для других способов, а именно построение графика и некоторые другие нюансы, на которых при рассмотрении последующих вариантов уже останавливаться не будем.

Прежде всего, построим график, на основании которого будем проводить процедуру сглаживания. Для построения графика возьмем таблицу, в которой помесячно указана себестоимость единицы продукции, производимой предприятием, и соответствующая прибыль в данном периоде. Графическая функция, которую мы построим, будет отображать зависимость увеличения прибыли от уменьшения себестоимости продукции.

Для построения графика, прежде всего, выделяем столбцы «Себестоимость единицы продукции» и «Прибыль». После этого перемещаемся во вкладку «Вставка». Далее на ленте в блоке инструментов «Диаграммы» щелкаем по кнопке «Точечная». В открывшемся списке выбираем наименование «Точечная с гладкими кривыми и маркерами». Именно данный вид диаграмм наиболее подходит для работы с линией тренда, а значит, и для применения метода аппроксимации в Excel.

График построен.

Для добавления линии тренда выделяем его кликом правой кнопки мыши. Появляется контекстное меню. Выбираем в нем пункт «Добавить линию тренда…».

Существует ещё один вариант её добавления. В дополнительной группе вкладок на ленте «Работа с диаграммами» перемещаемся во вкладку «Макет». Далее в блоке инструментов «Анализ» щелкаем по кнопке «Линия тренда». Открывается список. Так как нам нужно применить линейную аппроксимацию, то из представленных позиций выбираем «Линейное приближение».

Если же вы выбрали все-таки первый вариант действий с добавлением через контекстное меню, то откроется окно формата.
В блоке параметров «Построение линии тренда (аппроксимация и сглаживание)» устанавливаем переключатель в позицию «Линейная».
При желании можно установить галочку около позиции «Показывать уравнение на диаграмме». После этого на диаграмме будет отображаться уравнение сглаживающей функции.

Также в нашем случае для сравнения различных вариантов аппроксимации важно установить галочку около пункта «Поместить на диаграмму величину достоверной аппроксимации (R^2)». Данный показатель может варьироваться от 0 до 1. Чем он выше, тем аппроксимация качественнее (достовернее). Считается, что при величине данного показателя 0,85 и выше сглаживание можно считать достоверным, а если показатель ниже, то – нет.

После того, как провели все вышеуказанные настройки. Жмем на кнопку «Закрыть», размещенную в нижней части окна.

Как видим, на графике линия тренда построена. При линейной аппроксимации она обозначается черной прямой полосой. Указанный вид сглаживания можно применять в наиболее простых случаях, когда данные изменяются довольно быстро и зависимость значения функции от аргумента очевидна.

Сглаживание, которое используется в данном случае, описывается следующей формулой:

y=ax+b

В конкретно нашем случае формула принимает такой вид:

y=-0,1156x+72,255

Величина достоверности аппроксимации у нас равна 0,9418, что является довольно приемлемым итогом, характеризующим сглаживание, как достоверное.

Способ 2: экспоненциальная аппроксимация

Теперь давайте рассмотрим экспоненциальный тип аппроксимации в Эксель.

Для того, чтобы изменить тип линии тренда, выделяем её кликом правой кнопки мыши и в раскрывшемся меню выбираем пункт «Формат линии тренда…».

После этого запускается уже знакомое нам окно формата. В блоке выбора типа аппроксимации устанавливаем переключатель в положение «Экспоненциальная». Остальные настройки оставим такими же, как и в первом случае. Щелкаем по кнопке «Закрыть».

После этого линия тренда будет построена на графике. Как видим, при использовании данного метода она имеет несколько изогнутую форму. При этом уровень достоверности равен 0,9592, что выше, чем при использовании линейной аппроксимации. Экспоненциальный метод лучше всего использовать в том случае, когда сначала значения быстро изменяются, а потом принимают сбалансированную форму.

Общий вид функции сглаживания при этом такой:

y=be^x

где e – это основание натурального логарифма.

В конкретно нашем случае формула приняла следующую форму:

y=6282,7*e^(-0,012*x)

Способ 3: логарифмическое сглаживание

Теперь настала очередь рассмотреть метод логарифмической аппроксимации.

Тем же способом, что и в предыдущий раз через контекстное меню запускаем окно формата линии тренда. Устанавливаем переключатель в позицию «Логарифмическая» и жмем на кнопку «Закрыть».

Происходит процедура построения линии тренда с логарифмической аппроксимацией. Как и в предыдущем случае, такой вариант лучше использовать тогда, когда изначально данные быстро изменяются, а потом принимают сбалансированный вид. Как видим, уровень достоверности равен 0,946. Это выше, чем при использовании линейного метода, но ниже, чем качество линии тренда при экспоненциальном сглаживании.

В общем виде формула сглаживания выглядит так:

y=a*ln(x)+b

где ln – это величина натурального логарифма. Отсюда и наименование метода.

В нашем случае формула принимает следующий вид:

y=-62,81ln(x)+404,96

Способ 4: полиномиальное сглаживание

Настал черед рассмотреть метод полиномиального сглаживания.

Переходим в окно формата линии тренда, как уже делали не раз. В блоке «Построение линии тренда» устанавливаем переключатель в позицию «Полиномиальная». Справа от данного пункта расположено поле «Степень». При выборе значения «Полиномиальная» оно становится активным. Здесь можно указать любое степенное значение от 2 (установлено по умолчанию) до 6. Данный показатель определяет число максимумов и минимумов функции. При установке полинома второй степени описывается только один максимум, а при установке полинома шестой степени может быть описано до пяти максимумов. Для начала оставим настройки по умолчанию, то есть, укажем вторую степень. Остальные настройки оставляем такими же, какими мы выставляли их в предыдущих способах. Жмем на кнопку «Закрыть».

Линия тренда с использованием данного метода построена. Как видим, она ещё более изогнута, чем при использовании экспоненциальной аппроксимации. Уровень достоверности выше, чем при любом из использованных ранее способов, и составляет 0,9724.

Данный метод наиболее успешно можно применять в том случае, если данные носят постоянно изменчивый характер. Функция, описывающая данный вид сглаживания, выглядит таким образом:

y=a1+a1*x+a2*x^2+…+an*x^n

В нашем случае формула приняла такой вид:

y=0,0015*x^2-1,7202*x+507,01
Теперь давайте изменим степень полиномов, чтобы увидеть, будет ли отличаться результат. Возвращаемся в окно формата. Тип аппроксимации оставляем полиномиальным, но напротив него в окне степени устанавливаем максимально возможное значение – 6.

Как видим, после этого наша линия тренда приняла форму ярко выраженной кривой, у которой число максимумов равно шести. Уровень достоверности повысился ещё больше, составив 0,9844.

Формула, которая описывает данный тип сглаживания, приняла следующий вид:

y=8E-08x^6-0,0003x^5+0,3725x^4-269,33x^3+109525x^2-2E+07x+2E+09

Способ 5: степенное сглаживание

В завершении рассмотрим метод степенной аппроксимации в Excel.

Перемещаемся в окно «Формат линии тренда». Устанавливаем переключатель вида сглаживания в позицию «Степенная». Показ уравнения и уровня достоверности, как всегда, оставляем включенными. Жмем на кнопку «Закрыть».

Программа формирует линию тренда. Как видим, в нашем случае она представляет собой линию с небольшим изгибом. Уровень достоверности равен 0,9618, что является довольно высоким показателем. Из всех вышеописанных способов уровень достоверности был выше только при использовании полиномиального метода.

Данный способ эффективно используется в случаях интенсивного изменения данных функции. Важно учесть, что этот вариант применим только при условии, что функция и аргумент не принимают отрицательных или нулевых значений.

Общая формула, описывающая данный метод имеет такой вид:

y=bx^n

В конкретно нашем случае она выглядит так:

y = 6E+18x^(-6,512)

Как видим, при использовании конкретных данных, которые мы применяли для примера, наибольший уровень достоверности показал метод полиномиальной аппроксимации с полиномом в шестой степени (0,9844), наименьший уровень достоверности у линейного метода (0,9418). Но это совсем не значит, что такая же тенденция будет при использовании других примеров. Нет, уровень эффективности у приведенных выше методов может значительно отличаться, в зависимости от конкретного вида функции, для которой будет строиться линия тренда. Поэтому, если для этой функции выбранный метод наиболее эффективен, то это совсем не означает, что он также будет оптимальным и в другой ситуации.

Если вы пока не можете сразу определить, основываясь на вышеприведенных рекомендациях, какой вид аппроксимации подойдет конкретно в вашем случае, то есть смысл попробовать все методы. После построения линии тренда и просмотра её уровня достоверности можно будет выбрать оптимальный вариант.

Источник

Метод аппроксимации в Microsoft Excel