Новости    Библиотека    Энциклопедия    Биографии    Карта сайта    Ссылки    О проекте




предыдущая главасодержаниеследующая глава

3. Метод наименьших квадратов

Среднее арифметическое n чисел x1, x2, ..., xn (которые здесь нет необходимости считать обязательно положительными) обладает замечательным минимальным свойством. Пусть и - числовое значение некоторой неизвестной величины, которое мы хотим определить насколько возможно точнее с помощью какого-то измерительного инструмента. Пусть произведено для этой цели n измерений, которые дали результаты x1, x2, ..., xn, слегка различающиеся между собой, что обусловливается неизбежными и зависящими от разных причин измерительными ошибками. Возникает вопрос: какое же значение следует приписать величине u в качестве заслуживающего наибольшего доверия? Принято в качестве "истинного" или "оптимального" значения выбирать среднее арифметическое


Дать подлинное обоснование указанной процедуре было бы невозможно, не углубляясь в пространные рассуждения, относящиеся к области теории вероятностей. Все же мы можем здесь отметить некоторое минимальное свойство средней арифметической m, которое до некоторой степени оправдывает ее выбор. Пусть u - какое-угодно числовое значение измеряемой величины. Тогда разности u - x1, u - х2, ..., u - хn представляют собой отклонения этой величины от результатов отдельных наблюдений. Эти отклонения могут быть частью положительными, частью отрицательными, и совершенно естественно стремиться к такому оптимальному выбору u, при котором "тотальное" (в каком-то смысле) отклонение было бы возможно меньше. Следуя Гауссу, берут обыкновенно в качестве "измерителей неточности" не сами отклонения, а их квадраты (u - хi)2 и затем выбирают оптимальное значение и с таким расчетом, чтобы минимизировать "тотальное" отклонение, под каковым понимают сумму квадратов отдельных отклонений

(u - х1)2 + (u - х2)2 + ... + (u - х1)2.

Определенное таким образом оптимальное значение и есть не что иное, как, среднее арифметическое m: в этом заключается исходное положение знаменитого, созданного Гауссом "метода наименьших квадратов". Мы постараемся возможно проще доказать подчеркнутое выше утверждение. Если мы напишем

(u - xi) = (m - xi) + (u - m),

то получим

(u - xi)2 = (m - хi)2 + (u - m)2 + 2 (m - хi)(u - m).

Сложим, далее, все такие равенства, полагая i = 1, 2, ..., n. Последний член при этом дает

2(u - m)(nm - х1 - ... - хn),

а это выражение по определению m равно нулю. Следовательно, мы получаем:

(u - х1)2 + (u - х2)2 + ... + (u - х1)2 = (m - х1)2 + (m - х2)2 + ... + (m - хn)2 + n(u - m)2.

Отсюда уже ясно, что

(u - х1)2 + (u - х2)2 + ... + (u - х1)2≥ (m - х1)2 + (m - х2)2 + ... + (m - хn)2

причем знак равенства возможен только при u = m. Как раз это самое мы и собирались доказать.

Общий метод наименьших квадратов принимает руководящий принцип - минимизировать сумму квадратов - во всех более сложных случаях, когда нужно как-то согласовать между собой ряд слегка противоречащих друг другу данных наблюдений. Так, представим себе, что измерены координаты хi, yi для n точек, которые, теоретически говоря, должны лежать на прямой линии, и предположим, что полученные таким эмпирическим путем точки оказываются расположенными по прямой не вполне точно. Как выбрать прямую, которая наилучшим образом была бы "приложена" или "подогнана" к этим точкам? Руководящий принцип приводит к следующему приему (который - необходимо признать - мог бы быть заменен и другими процедурами, основанными на иных рассуждениях). Пусть y = ах + b есть уравнение искомой прямой, так что наша проблема заключается в определении коэффициентов а и b. Измеренное по направлению оси у расстояние прямой от точки хi, yi равно yi - (axi + b), т. е. yi - axi - b, причем имеет положительный или отрицательный знак смотря по тому, расположена ли точка выше или ниже прямой. Тогда квадрат этого расстояния равен (yi - axi - b)2, и согласно основному принципу метода наименьших квадратов нам достаточно подобрать а и b таким образом, чтобы выражение

(y1 - ax1 - b)2 + (y2 - ax2 - b)2 + ... + (yn - axn - b)2

достигало наименьшего возможного значения. Мы приходим, таким образом, к минимальной проблеме с двумя переменными величинами а и b. Хотя решение этой проблемы с исследованием всех подробностей и не представляет особенной трудности, мы все же воздержимся здесь от его рассмотрения.

предыдущая главасодержаниеследующая глава




ИНТЕРЕСНО:

Многомерный математический мир… в вашей голове

В школах Великобритании введут китайские учебники математики

Найдено самое длинное простое число Мерсенна, состоящее из 22 миллионов цифр

Как математик помог биологам совершить важное открытие

Математические модели помогут хирургам

Почему в математике чаще преуспевают юноши

Физики-практики откровенно не любят математику

В индийской рукописи нашли первое в истории упоминание ноля

Вавилонская глиняная табличка оказалась древнейшей «тригонометрической таблицей» в мире

Ученые рассказали о важной роли игр с пальцами в обучении детей математике
Пользовательского поиска

© Злыгостев Алексей Сергеевич, статьи, подборка материалов, оформление, разработка ПО 2001-2017
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник:
http://mathemlib.ru/ 'MathemLib.ru: Математическая библиотека'
Рейтинг@Mail.ru