а) линейная б) нелинейная
Рисунок 2 - Виды регрессии Если разброс точек значительный, то регрессии не будет. Следователь-
но, методы корреляционного и регрессионного анализа тесно связаны между собой. Вид уравнения регрессии зависит от выбираемого метода приближе-
ния. Обычно используется метод наименьших квадратов.
n |
n |
|
F | yi f (xi ) |2 min или |
F ( yi yˆi )2 min |
(6) |
i 1 |
i 1 |
|
где yi , yˆi - экспериментальные и расчетные значения выходного пара-
метра, соответственно. Рассмотрим различные случаи приближенной регрес-
сии.
ЛИНЕЙНАЯ СТАТИСТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
(линейная регрессия от одного параметра)
При моделировании процессов в металлургии во многих случаях связь между входными (x) и выходными (y) параметрами можно аппроксимировать линейным полиномом (зависимостью). (7)
Для получения вида математической модели необходимо определить коэф-
фициенты уравнения регрессии b0 и b1. Для этого применяется метод наи-
n
меньших квадратов. F ( yi b0 b1x )2 min (8)
i
i 1
Таким образом, процедура нахождения коэффициентов регрессии сводится к задаче определения минимума функции. Необходимое условие минимума
5
функции является равенство нулю частных производных функции по исход-
ным величинам (коэффициентам).
(9)
(10)
(11)
Решая систему уравнений, выражаем коэффициенты b0 и b1.
(12)
(13)
После вычисления коэффициентов необходимо провести статистиче-
ский анализ полученного уравнения регрессии с целью проверки модели на адекватность.
6
СТАТИСТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ В ВИДЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ПОЛИНОМОВ.
Параболическая регрессия.
При составлении статистических моделей часто возникает необходи-
мость использовать уравнения нелинейной формы, в частности полином вто-
рой степени.
yˆ b |
b x |
b x2 |
min |
(14) |
0 |
1 i |
2 i |
|
|
Коэффициенты регрессии определяем по методу наименьших квадратов.
n |
|
|
F ( yi b0 b1xi |
b2 xi2 )2 min |
(15) |
i 1
Приравняем к нулю частные производные функции по коэффициентам b0, b1, b2.
(16)
Выполнив преобразования, получим систему линейных уравнений с тремя неизвестными (b0, b1,b2).
|
|
|
|
(17) |
Введем обозначения: |
|
|
|
|
; |
; |
; |
; |
(18) |
; |
|
; |
|
. |
С учетом принятых обозначений система будет иметь следующий вид:
7
(19)
Определим неизвестные коэффициенты b0, b1, b2.
(20)
(21)
(22)
После решения системы уравнений и вычисления коэффициентов b0, b1, b2 проводится статистический анализ полученного уравнения регрессии.
Аналогичным образом будут определяться коэффициенты параболы любого порядка. Исследование уравнения проводится по статистическим критериям.
Однако в этом случае не требуется вычислять выборочные коэффициенты корреляции. Адекватности уравнения регрессии эксперименту можно до-
биться, повышая степень полинома. Однако при этом все коэффициенты сле-
дует вычислять заново, так как существует корреляция между коэффициен-
тами.
8
ПРИМЕР РАЗРАБОТКИ УРАВНЕНИЯ РЕГРЕССИИ Определить зависимость теплоемкости расплава от температуры. Объ-
ем выборки N = 9.
Т, К |
298 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 |
1000 |
Ср, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кал/моль |
23,29 |
23,40 |
29,60 |
35,34 |
40,30 |
44,55 |
48,23 |
51,44 |
54,22 |
К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I. Для описания зависимости теплоемкости расплава от температуры выберем полином второго порядка: yˆ b0 b1x b2 x2 . Определим коэффици-
енты уравнения по формулам (20) – (22). Для этого составим программу рас-
чета, в основе которой лежит алгоритм метода наименьших квадратов (15).
Схема алгоритма приведена на рисунке 3.
9