546

Исследование работы метода наименьших квадратов в математическом пакете MathLab

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Познакомиться с средствами MathLab и смоделировать работу метода наименьших квадратов для полиномиальной модели для объекта с высоким уровнем помехи. Метод наименьших квадратов обеспечивает быстрый и точный подбор коэффициентов модели на базе выборки входов и выходов объекта.

Русский

2013-01-06

101.5 KB

57 чел.

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт космических и информационных технологий

Кафедра информационных систем

ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

«Исследование работы метода наименьших квадратов в математическом пакете MathLab»

Преподаватель

    Е.Д. Агафонов.

подпись, дата инициалы, фамилия

Студент        КИ09-08          030900146          20.03.2012            О.В.Пен

                           номер группы    номер зачетной книжки                       дата                 инициалы, фамилия

Красноярск 2012


Цель работы: познакомиться с средствами Mathlab и смоделировать работу метода наименьших квадратов для полиномиальной модели для объекта с высоким уровнем помехи.

Краткие теоретические сведения

Метод наименьших квадратов обеспечивает быстрый и точный подбор коэффициентов модели на базе выборки входов и выходов объекта. Имеется некий объект, заданный следующим уравнением:

х(u1, u2,…,un) =a0+ a1*f(u1)+a2*f(u2)+…+an*f(un)                  (1)

В таком случае его модель примет следующий вид

 у(u1,…, un) = α0 + α1*f(u1) + α2*f(u2) + αn*f(un)                (2)

В случае представления вектора коэффициентов а и вектора функций в виде матриц, уравнение приобретает следующий вид:

         у(u1,…, un) = αT * φ(u)                                                               (3)

Пусть матрица функции φ(u) = Ф, матрица выходов  - Н, тогда:

Н = Ф* α     (4)

НФТ = ФТФ α  (5)

Тогда можно найти коэффициенты α модели:

α = (ФТФ)-1ФТН   (6)

В дальнейшем, сравнивая квадрат разности между выходами объекта и модели, получившимися при подстановке коэффициентов α в исходный полином, мы получим ошибку работы метода.

Листинг программы

  1.  Область генерации случайного входа

close all

n=100;

u1 = 100*rand(n,1);

u2 = 100*rand(n,1);

k1 = 2; k2 = 3; k3 = 4; k4 = 5; k5 = 6; k6 = 7;

x = k1*u1.^2 + k2*u2.^2 + k3*u1 + k4*u2 + k5*u1.*u2 + k6 + normrnd(0,10000,n,1);

h = x;

phi1 = ones(n,1);

  2. Область генерации матрицы Ф

F = [u1.^2 u2.^2 u1 u2 u1.*u2 phi1];

  3. Область нахождения коэффициентов модели и построения выхода модели

a = (F'*F)^(-1)*F'*h

y = a(1)*u1.^2 + a(2)*u2.^2  + a(3)*u1 + a(4)*u2 + a(5)*u1.*u2 + a(6);

  4. Область нахождения ошибки

nevyazka = y-x;

nevyazka2 = nevyazka.^2;

oshibka = sum(nevyazka2)/n;

    5. Область рисования графика

[u1_, u2_] = meshgrid(0:1:100, 0:1:100);

y_ = a(1)*u1_.^2 + a(2)*u2_.^2  + a(3)*u1_ + a(4)*u2_ + a(5)*u1_.*u2_ + a(6);

 

mesh(u1_,u2_,y_);

hold on

plot3(u1,u2,x,'.');

Результаты работы программы

Рисунок 1 График модели (радужный) и объекта (точки) для высокого уровня дисперсии

Как видно, модель не полностью отвечает объекту (рис.1). Это обусловлено высоким уровнем дисперсии помехи, заявленным в программе. Понижение уровня дисперсии ведет к более точному совпадению модели и объекта (рис.2).

Рисунок  2 График модели и объекта для низкого уровня дисперсии.

Вывод

Как можно заметить исходя из графиков, уровень дисперсии помехи значительно влияет на точность модели при использовании метода наименьших квадратов. Средства MathLab позволяют построить быструю и точную модель при использовании сравнительно малого объема кода, кроме того, имеется возможность проиллюстрировать работу программы при использовании высокоуровневых 3D-графиков.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

57543. ДОРОВІ ДІТИ - ЗДОРОВА НАЦІЯ 68.5 KB
  Із кожним роком усе більше свідомої прогресивної молоді яка бере відповідальність за себе та своє життя орієнтується на здоровий спосіб життя спрямовує свої зусилля на збереження та зміцнення власного здоровя.
57544. Греція у V – I V ст. до н.е. Урок-узагальнення 36.5 KB
  Мета: згадати повторити та систематизувати основний фактичний матеріал з історії Давньої Греції від найдавніших часів до періоду еллінізму; запропонувати учням цікаві питання й завдання що вимагають самостійної роботи нестандартного мислення...
57545. Передня Азія 39.5 KB
  Мета уроку: систематизувати загальні та особливі риси притаманні країнам Передньої Азії: підкреслити внесок найдавніших народів Передньої Азії в розвиток світової цивілізації...
57546. Друга світова війна: аналіз подій 43.5 KB
  Вчитель записує на дошці питання які пропонує обговорити з учнями в ході уроку: Причини війни. Ситуація в країнах під час війни Польща Франція СРСР. Чи знаєте ви дати Що було раніше Курська битва...
57547. План местности 67.5 KB
  Оборудование: ЛОС План местности Абсолютная высота точек. Горизонтали; Компьютер проектор; Компьютерная презентация План местности; Атласы компас; Карточка заданий и контроля Линейка карандаш.
57548. Україна - моя Батьківщина 45.5 KB
  Вступне слово вчителя. Діти що для вас означає слово Батьківщина Від якого слова воно походить Які ще слова синоніми можна використати для передачі змісту цього слова Вітчизна рідний край...
57549. Сфери життєдіяльності: «Я Сам», «Люди» 44 KB
  Пріоритетні напрямки розвитку: пізнавальний мовленнєвий емоційноціннісний Четвертий рік життя Автор Браницька Тетяна Валеріянівна вихователь дошкільного навчального закладу яселсадка комбінованого...
57550. Організація рухової діяльності дітей в природних умовах старша група з використанням оздоровчих технологій 48 KB
  Діти ось погляньте який клубочок потрапив мені у руки. Ой діти клубочок нас перетворив на Зайченят. Естафета парами Перенеси капусту Діти діляться на дві команди і рядниною переносять капусту до корзини.
57551. Як розрізняють добро і зло 55.5 KB
  Мета: визначити що таке добро і зло; пояснити чому люди повинні вибирати між добром і злом як співвідносяться краса і доброта; аналізувати вчинки героїв літературних творів і життєві ситуації...