第五章 线性参数最小二乘处理

合肥工业大学,误差理论与数据处理,第5章,线性参数的最小二乘处理,最小二乘法原理是一种在多学科领域中获得广泛应用的数据处理方法本章将重点阐述最小二乘法原理在线性参数和非线性参数估计中的应用。从而使学生掌握最小二乘法的基本思路和基本原理，以及在等精度或不等精度测量中线性、非线性参数的最小二乘估计方法，并科学给出估计精度。,教学目标,最小二乘法原理,等精度测量线性参数的最小二乘处,理,不等精度测量线性参数的最小二乘,处理,最小二乘估计量的精度估计,组合测量的最小二乘法处理,重点与难点,第一节最小二乘原理,一、引入,待测量（难以直接测量）：,直接测量量：,问题：,如何根据和测量方程解得待测,量的估计值？,直接求得。,有利于减小随机误差，方程组,有冗余，采用最小二乘原理求,。,第一节最小二乘原理,讨论：,最小二乘原理：,最可信赖值应使残余误差平方和最小。,第一节最小二乘原理,二、最小二乘原理,设直接测量量 的估计值为 ，,则有,由此得测量数据 的残余误差,残差方程式,第一节最小二乘原理,若 不存在系统误差，相互独立并服从正态分布，标准差分别为 ，则 出现在相应真值附近 区域内的概率为,由概率论可知，各测量数据同时出现在相应区域的概率,为,第一节最小二乘原理,测量值 已经出现，有理由认为这,n,个测量值,出现于相应区间的概率,P,为最大。要使,P,最大，应有,最小,由于结果只是接近真值的估计值，因此上述条件应表,示为,最小,等精度测量的最小二乘原理：,最小,不等精度测量的最小二乘原理：,第一节最小二乘原理,最小,最小二乘原理,（其他分布也适用）,测量结果的最可信赖值应使残余误差平方和,（或加权残余误差平方和）最小。,第一节最小二乘原理,三、等精度测量的线性参数最小二乘原理,线性参数的测量方程和相应的估计量为：,残差方程为,第一节最小二乘原理,令,则残差方程的矩阵表达式为,等精度测量最小二乘原理的矩阵形式：,不等精度测量最小二乘原理的矩阵形式：,第一节最小二乘原理,思路一：,权矩阵,四、不等精度测量的线性参数最小二乘原理,第一节最小二乘原理,思路二：不等精度等精度,则有：,第二节正规方程,正规方程：误差方程按最小二乘法原理转化得到的,有确定解的代数方程组。,一、等精度测量线性参数最小二乘处理的正规方程,第二节正规方程,正规方程：,特点：,主对角线分布着平方项系数，正数,相对于主对角线对称分布的各系数两两相等,看正规方程组中第,r,个方程：,则正规方程可写成,第二节正规方程,即,正规方程的矩阵形式,第二节正规方程,将代入到中，得,（待测量的无偏估计）,第二节正规方程,例,5.1,已知铜棒的长度和温度之间具有线性关系：，为,。为获得,时铜棒的长度,和铜的线膨胀系数，现测得不同温度下铜,棒的长度，如下表，求，的最可信赖值。,10,20,30,40,50,60,2000.36,2000.72,2000.8,2001.07,2001.48,2000.60,解：,1,）列出误差方程,令 为两个待估参量，则误差方程为,第二节正规方程,按照最小二乘的矩阵形式计算,则有：,第二节正规方程,那么：,第二节正规方程,二、不等精度测量线性参数最小二乘处理的正规,方程,由此可得不等精度测量线性参数最小二乘处理的,正规方程：,第二节正规方程,整理得：,第二节正规方程,即,不等精度的正规方程,将代入上式，得,（待测量的无偏估计）,第二节正规方程,例,5.2,某测量过程有误差方程式及相应的标准差：,试求 的最可信赖值。,解：首先确定各式的权,第二节正规方程,令,三、非线性参数最小二乘处理的正规方程,第二节正规方程,针对非线性函数,其测量误差方程为,令 ，现将函数在,处展开，则有,将上述展开式代入误差方程，令,则误差方程转化为线性方程组,于是可解得 ，进而可得 。,近似值,第二节正规方程,第二节正规方程,为获得函数的展开式，必须首先确定,1,）直接测量,2,）通过部分方程式进行计算：从误差方程中选取,最简单的,t,个方程式，如令 ，由此可解得,。,四、最小二乘原理与算术平均值原理的关系,为确定一个被测量,X,的估计值,x,，对它进行,n,次直接测量，得,n,个数据 ，相应的权分别为,，则测量的误差方程为,按照最小二乘原理可求得,结论：,最小二乘原理与算术平均值原理是一致的，,算术平均值原理是最小二乘原理的特例。,第二节正规方程,第三节精度估计,目的：给出估计量 的精度。,一、测量数据精度估计,A,）等精度测量数据的精度估计,对 进行,n,次等精度测量，得 的估计量。,可以证明 是自由度（,n,t,）的 变量。,根据 变量的性质，有,则可取,第三节精度估计,作为 的无偏估计量。,因此测量数据的标准差的估计量为,第三节精度估计,B,）不等精度测量数据的精度估计,测量数据的单位权,标准差的无偏估计,第三节精度估计,二、最小二乘估计量的精度估计,A,）等精度测量最小二乘估计量的精度估计,设有正规方程,第三节精度估计,设,利用上述不定乘数，可求得,其中：,第三节精度估计,由于 为等精度 的相互独立的正态随机,变量，则,同理可得,则相应的最小二乘估计值的标准差为,B,）不等精度测量最小二乘估计量的精度估计,第三节精度估计,同理经推导可得：,各不定乘数 由 求得：,第四节组合测量的最小二乘处理,组合测量：通过直接测量待测参数的组合量（一般是,等精度），然后对这些测量数据进行处理，,从而求得待测参数的估计量，求其精度估计。,以检定三段刻线间距为例，要求检定刻线,A,、,B,、,C,、,D,间的距离 。,A,B,C,D,A,B,C,D,第四节组合测量的最小二乘处理,直接测量各组合量，得,首先列出误差方程,由此可得：,第四节组合测量的最小二乘处理,则,式中，,现求上述估计量的精度估计。将最佳估计值代入,误差方程中，,第四节组合测量的最小二乘处理,第四节组合测量的最小二乘处理,那么，,测量数据 的标准差为,第四节组合测量的最小二乘处理,已知,则最小二乘估计量 的标准差为,