المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر
تأثير الأسرة والوراثة في الأخلاق
2024-10-28
تأثير العشرة في التحليلات المنطقيّة
2024-10-28
دور الأخلّاء في الروايات الإسلاميّة
2024-10-28
ترجمة ابن عبد الرحيم
2024-10-28
ترجمة محمد بن لب الأمي
2024-10-28
من نثر لسان الدين
2024-10-28

Noise Sphere
21-3-2021
تفسير{إِيَّاكَ نَعْبُدُ وَإِيَّاكَ نَسْتَعِينُ}
2024-03-05
Elliptic Invariants
22-4-2019
الاتجاهات الحديثة في الدراسة الجيومورفولوجية
30-10-2018
مسار مطرقي hammer track
26-11-2019
نشأة الاتّجاه الاجتماعيّ وتاريخه
2024-10-07

Nonlinear Least Squares Fitting  
  
1160   01:30 صباحاً   date: 30-3-2021
Author : Bates, D. M. and Watts, D. G.
Book or Source : Nonlinear Regression and Its Applications. New York: Wiley, 1988.
Page and Part : ...


Read More
Date: 25-3-2021 2794
Date: 26-2-2021 2625
Date: 22-3-2021 1786

Nonlinear Least Squares Fitting

Given a function f(x) of a variable x tabulated at m values y_1=f(x_1), ..., y_m=f(x_m), assume the function is of known analytic form depending on n parameters f(x;lambda_1,...,lambda_n), and consider the overdetermined set of m equations

y_1 = f(x_1;lambda_1,lambda_2,...,lambda_n)

(1)

y_m = f(x_m;lambda_1,lambda_2,...,lambda_n).

(2)

We desire to solve these equations to obtain the values lambda_1, ..., lambda_n which best satisfy this system of equations. Pick an initial guess for the lambda_i and then define

 dbeta_i=y_i-f(x_i;lambda_1,...,lambda_n).

(3)

Now obtain a linearized estimate for the changes dlambda_i needed to reduce dbeta_i to 0,

 dbeta_i=sum_(j=1)^n(partialf)/(partiallambda_j)dlambda_j|_(x_i,lambda)

(4)

for i=1, ..., m, where lambda=(lambda_1,...,lambda_n). This can be written in component form as

 dbeta_i=A_(ij)dlambda_j,

(5)

where A is the m×n matrix

 A_(ij)=[(partialf)/(partiallambda_1)|_(x_1,lambda) ... (partialf)/(partiallambda_n)|_(x_1,lambda); (partialf)/(partiallambda_1)|_(x_2,lambda) ... (partialf)/(partiallambda_n)|_(x_2,lambda); | ... |; (partialf)/(partiallambda_1)|_(x_m,lambda) ... (partialf)/(partiallambda_n)|_(x_m,lambda)].

(6)

In more concise matrix form,

 dbeta=Adlambda,

(7)

where dbeta is an m-vector and dlambda is an n-vector.

Applying the transpose of A to both sides gives

 A^(T)dbeta=(A^(T)A)dlambda.

(8)

Defining

a = A^(T)A

(9)

b = A^(T)dbeta

(10)

in terms of the known quantities A and dbeta then gives the matrix equation

 adlambda=b,

(11)

which can be solved for dlambda using standard matrix techniques such as Gaussian elimination. This offset is then applied to lambda and a new dbeta is calculated. By iteratively applying this procedure until the elements of dlambda become smaller than some prescribed limit, a solution is obtained. Note that the procedure may not converge very well for some functions and also that convergence is often greatly improved by picking initial values close to the best-fit value. The sum of square residuals is given by R^2=dbeta·dbeta after the final iteration.

NonlinearLeastSquares

An example of a nonlinear least squares fit to a noisy Gaussian function

 f(x;A,x_0,sigma)=Ae^(-(x-x_0)^2/(2sigma^2))

(12)

is shown above, where the thin solid curve is the initial guess, the dotted curves are intermediate iterations, and the heavy solid curve is the fit to which the solution converges. The actual parameters are (A,x_0,sigma)=(1,20,5), the initial guess was (0.8, 15, 4), and the converged values are (1.03105, 20.1369, 4.86022), with R^2=0.148461. The partial derivatives used to construct the matrix A are

(partialf)/(partialA) = e^(-(x-x_0)^2/(2sigma^2))

(13)

(partialf)/(partialx_0) = (A(x-x_0))/(sigma^2)e^(-(x-x_0)^2/(2sigma^2))

(14)

(partialf)/(partialsigma) = (A(x-x_0)^2)/(sigma^3)e^(-(x-x_0)^2/(2sigma^2)).

(15)

The technique could obviously be generalized to multiple Gaussians, to include slopes, etc., although the convergence properties generally worsen as the number of free parameters is increased.

An analogous technique can be used to solve an overdetermined set of equations. This problem might, for example, arise when solving for the best-fit Euler angles corresponding to a noisy rotation matrix, in which case there are three unknown angles, but nine correlated matrix elements. In such a case, write the n different functions as f_i(lambda_1,...,lambda_n) for i=1, ..., n, call their actual values y_i, and define

 A=[(partialf_1)/(partiallambda_1)|_(lambda_i) (partialf_1)/(partiallambda_2)|_(lambda_i) ... (partialf_1)/(partiallambda_n)|_(lambda_i); | | ... |; (partialf_m)/(partiallambda_1)|_(lambda_i) (partialf_m)/(partiallambda_2)|_(lambda_i) ... (partialf_m)/(partiallambda_n)|_(lambda_i)],

(16)

and

 dbeta=y-f_i(lambda_1,...,lambda_n),

(17)

where lambda_i are the numerical values obtained after the ith iteration. Again, set up the equations as

 Adlambda=dbeta,

(18)

and proceed exactly as before.


REFERENCES:

Bates, D. M. and Watts, D. G. Nonlinear Regression and Its Applications. New York: Wiley, 1988.




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.