Решение в MS Excel систем линейных уравнений методом наименьших квадратов
Технология решения систем линейных уравнений для случая, когда m=n,
(m-количество уравнений, n – количество неизвестных) рассмотрена в другой статье. Для решения подобных уравнений можно применить метод обратной матрицы. Однако, в общем случае m может быть не всегда равно n. Возможны три случая: mn.
Если m>n и система совместна, то матрица системы А имеет по крайней мере m-n линейно независимых строк. В этом случае решение может быть получено отбором n любых линейно независимых уравнений и применением формулы X=A-1 х B , т.е. метод обратной матрицы.
Однако, при решении задачи в электронной таблице удобнее применить более общий подход — метод наименьших квадратов.
Его суть состоит в том, что обе части уравнения нужно умножить на транспонированную матрицу системы Ат : АтАХ=АтВ.
Затем обе части уравнения нужно умножить на (АтА)-1 . Если эта матрица существует, то система определена. С учетом того, что (АтА)-1АтА=Е , получаем решение системы в виде Х=(АтА)-1 АтВ (1).
Рассмотрим технологию решения систем линейных уравнений методом наименьших квадратов на примере.
Как можно увидеть, здесь m > n.
Воспользуемся для решения формулой 1.
1. Введем значения элементов матрицы системы А в диапазон ячеек рабочего листа, например А2:B4 .
2. Введем значения элементов вектора В в диапазон ячеек рабочего листа, например D2:D4 (см рис.).
3. Транспонируем исходную матрицу, для чего выделим диапазон ячеек размерностью 3 х 2, например А6:C7 , введем в него формулу:
= ТРАНСП(А2:В4) и нажмем комбинацию клавиш Ctrl + Shift + Enter — в выделенном диапазоне будет вычислен результат транспонирования.
4. Вычислим произведение АтВ , для чего выделим диапазон из двух ячеек ( Е6:Е7 ) и введем в него формулу = МУМНОЖ(А6:C7;D2:D4) .
5. Вычислим произведение А тА , для чего выделим диапазон ( А9:В10 ) и введем в него формулу = МУМНОЖ(A6:C7;А2:В4) .
6. Выделим диапазон ( D9:E10 ), введем в него формулу = МОБР(А9:B10) для вычисления обратной матрицы (А тА)-1
7. Для вычисления итогового результата -решения системы уравнений выделим диапазон ( В12:В13 ) и введем в него формулу для умножения матриц (АтА)-1 АТА: =МУМНОЖ(D9:E10;A9:B10) .
В ячейках В12 и В13 будет получен результат решения системы.
При достаточно хорошем навыке работы с мастером функций MS Excel приведенную задачу можно решить без промежуточных вычислений, как это рассмотрено выше, а введя сразу все выражение для вычисления в строку формул, как это показано на рисунке. .
4. В строке формул установим курсор в область второго аргумента первой функции МУМНОЖ . Используя список “ Функции ” включим функцию МУМНОЖ . В поскольку второй аргумент не нужно вычислять, первую очередь укажем его — в поле массив2 введем адрес диапазона, в котором содержатся элементы вектора В.
5. Переключим курсор в поле массив2 диалогового окна “ Аргументы функции ”, используя список “ Функции ” включим функцию ТРАНСП и в поле массив этой функции укажем адрес диапазона, в котором содержатся значения элементов матрицы А .
Запись формулы для решения системы уравнений методом наименьших квадратов завершена. Она имеет окончательный вид: =МУМНОЖ(МОБР(МУМНОЖ(ТРАНСП(A2:B4);A2:B4));МУМНОЖ(ТРАНСП(A2:B4);D2:D4))
6. Нажмем комбинацию клавиш + + — в ячейках выделенного диапазона будет результат решения системы.
На первый взгляд приведенная процедура может показаться сложной и длительной. Однако, это кажется только на первый взгляд. При достаточном ее освоении значительно сокращается время решения и уменьшается вероятность ошибки.
Решение в MS Excel систем линейных уравнений методом наименьших квадратов | Piter Melnikov | Яндекс Дзен
Вставьте ее в таблицу и ознакомьтесь с результатом. На следующем скриншоте вы видите параболу и значения X, при которых она получилась правильной (такую часто показывают в примерах на математике).
График функции F(x) = X^2
Функция X^2 – одна из самых популярных математических функций, которую разбирают еще на уроках в школе. На графике необходимо показать точки Y, что в Excel реализовывается следующим образом:
Создайте строку на листе в программе, вписав туда известные значения X.
Сделайте то же самое и с Y. Пока значения этой оси координат неизвестны. Чтобы определить их, нам нужно выполнить простые расчеты.
Поэтому в качестве значения для каждой ячейки укажите формулу, которая посчитает квадрат числа, указанного в строке X. Для этого впишите =A1^2, заменив номер ячейки.
Теперь достаточно зажать левую кнопку мыши на нижней точки готовой ячейки и растянуть таблицу, чтобы формула автоматически подставилась в остальные ячейки, и вы могли сразу ознакомиться с результатом.
Перейдите на вкладку вставки и выберите раздел с рекомендуемыми диаграммами.
В списке отыщите точечную диаграмму, которая подойдет для составления подходящего графика.
Вставьте ее в таблицу и ознакомьтесь с результатом. На следующем скриншоте вы видите параболу и значения X, при которых она получилась правильной (такую часто показывают в примерах на математике).
Всего 7 простых шагов потребовалось для достижения желаемого результата. Вы можете подставлять свои значения в таблицу и изменять их в любое время, следя за тем, как перестраивается график функций.
Как сделать прямую в excel?
Выше было рассказано, как нарисовать график в Excel, если все взаимозависимые данные уже известны; сделать это не сложнее, чем ускорить работу Windows 10 или разобраться в настройках видеоплеера. Чуть больше работы предстоит пользователю, если требуется построить график функции — придётся предварительно указать, по какой формуле программа должна вычислять значения.
Ход решения
Запустим программу Microsoft Office Excel. Я пользуюсь 2007 версией. Для начала объединим ячейки A1:A5 и запишем в них формулу квадратного уравнения в виде ax2+bx+c=0.Далее нам нужно возвести x в квадрат, для этого нужно сделать цифру 2 надстрочным интервалом. Выделим двойку и нажмем правой кнопкой мыши.
В ячейке A2 введем текстовое значение a= , в ячейке A3 b= и в ячейке A4 с= соответственно. Эти значения будут вводиться с клавиатуры в следующих ячейках (B2,B3,B4).
Введем текст для значений, которые будут считаться. В ячейке C2 d=, C3 x1= C4 x2=. Подстрочный интервал для xсделаем аналогично надстрочному интервалу в x 2
Как построить график в Excel — простая инструкция
-
Заполняем матрицу числами, которые являются коэффициентами уравнения. Данные числа должны располагаться последовательно по порядку с учетом расположения каждого корня, которому они соответствуют. Если в каком-то выражении один из корней отсутствует, то в этом случае коэффициент считается равным нулю. Если коэффициент не обозначен в уравнении, но соответствующий корень имеется, то считается, что коэффициент равен 1. Обозначаем полученную таблицу, как вектор A.
При достаточно хорошем навыке работы с мастером функций MS Excel приведенную задачу можно решить без промежуточных вычислений, как это рассмотрено выше, а введя сразу все выражение для вычисления в строку формул, как это показано на рисунке. .
- В ячейку Хнач (В4) заносим начальное приближение — 5.
- В ячейку Хтекущ (С4) записываем формулу:
=ЕСЛИ(Хтекущ=0;Хнач; Хтекущ-(Хтекущ^2-5*Хтекущ+6)/(2*Хтекущ-5)). - В ячейку D4 помещаем формулу, задающую вычисление значения функции в точке Хтекущ, что позволит следить за процессом решения.
- Заметьте, что на первом шаге вычислений в ячейку Хтекущ будет помещено начальное значение, а затем уже начнется счет по формуле на последующих шагах.
- Чтобы сменить начальное приближение, недостаточно изменить содержимое ячейки Хнач и запустить процесс вычислений. В этом случае вычисления будут продолжены, начиная с последнего вычисленного
Рис. 9. Определение начальных установок
(04.06.2017)
Вас не устраивают полученные точность аппроксимации (R2
Подробности Автор: Administrator Родительская категория: Заметки Категория: Компьютерная повседневность Создано: 28 января 2013 Обновлено: 15 мая 2014 Просмотров: 28651
Чтобы приступить к аппроксимации кривой ваших экспериментальных данных в Excel 2003:
2. Выделите линию функции на графике и нажмите правую кнопку мыши, выберите «Добавить линию тренда»
3. Выберите тип аппроксимации во вкладке «Тип» в откурывшемся диалоговом окне «Линия тренда»
4. На вкладке «Параметры» — прогностические параметры, показывать уравнение на графике или нет
В MS Excel аппроксимация экспериментальных данных осуществляется путем построения их графика (x – отвлеченные величины) или точечного графика (x – имеет конкретные значения) с последующим подбором подходящей аппроксимирующей функции (линии тренда).
1. Создайте диаграмму (график).
2. Выделите линию функции на графике и нажмите правую кнопку мыши, выберите «Добавить линию тренда».
3. Выберите тип аппроксимации во вкладке «Тип» в откурывшемся диалоговом окне «Линия тренда».
4. На вкладке «Параметры» — прогностические параметры, показывать уравнение на графике или нет.
— известны показатели прибыли (их можно обозначить Y) в зависимости от размера капиталовложений (X);
— известны объемы реализации фирмы (Y) за шесть недель ее работы. В этом случае, X – это последовательность недель.
Иногда говорят, что требуется построить эмпирическую модель. Эмпирической называется модель, построенная на основе реальных наблюдений. Если модель удается найти, можно сделать прогноз о поведении исследуемого явления и процесса в будущем и, возможно, выбрать оптимальное направление ее развития.
В общем случае задача аппроксимации экспериментальных данных имеет следующую постановку:
Пусть известны данные, полученные практическим путем (в ходе n экспериментов или наблюдений), которые можно представить парами чисел (хi; уi). Зависимость между ними отражает таблица:
Выяснить вид функции можно либо из теоретических соображений, либо анализируя расположение точек (хi; уi) на координатной плоскости.
Графически решить задачу аппроксимации означает, провести такую кривую , точки которой (хi; ŷi) находились бы как можно ближе к исходным точкам (хi; уi), отображающим экспериментальные данные.
Для решения задачи аппроксимации используют метод наименьших квадратов.
При этом функция считается наилучшим приближением к , если для нее сумма квадратов отклонений «теоретических» значений , найденных по эмпирической формуле, от соответствующих опытных значений , имеет наименьшее значение по сравнению с другими функциями, из числа которых выбирается искомое приближение.
Математическая запись метода наименьших квадратов имеет вид:
Таким образом, задача аппроксимации распадается на две части.
Сначала устанавливают вид зависимости и, соответственно, вид эмпирической формулы, то есть решают, является ли она линейной, квадратичной, логарифмической или какой-либо другой. Если нет каких-либо теоретических соображений для подбора вида формулы, обычно выбирают функциональную зависимость из числа наиболее простых, сравнивая их графики с графиком заданной функции.
После этого определяются численные значения неизвестных параметров выбранной эмпирической формулы, для которых приближение к заданной функции оказывается наилучшим.
Простейшим видом эмпирической модели с двумя параметрами, используемой для аппроксимации результатов экспериментов, является линейная регрессия, описываемая линейной функцией:
Для модели линейной регрессии метод наименьших квадратов (1) запишется :
Для решения (2) относительно а и b приравнивают к нулю частные производные:
В итоге для нахождения a и b надо решить систему линейных алгебраических уравнений вида:
Реализовать метод наименьших квадратов в случае линейной регрессии в Excel можно различными способами.
1 способ. Построить систему линейных алгебраических уравнений, подставив в (3) все известные значения, и решить ее, например, матричным методом (см. зад. 4).
В формульном виде элемент расчетной таблицы приведен на рис. 26.
2 способ. Решить в Excel задачу оптимизации (2), применив для этого Поиск решения (см. зад. 5).
Замечание 2. В диалоговом окне команды Поиск решения следует задать целевую ячейку, направление цели – на минимум и изменяемые ячейки (рис. 28). Данная задача ограничений не содержит.
Замечание3. В качестве эмпирических моделей с двумя параметрами могут использоваться и нелинейные модели вида:
Описанный способ решения метода наименьших квадратов применим и для нелинейных зависимостей.
3 способ. Для нахождения значений параметров a и b в случае линейной регрессии можно использовать следующие встроенные в Excel статистические функции:
Причем, функция НАКЛОН ( ) возвращает значение параметра а, функция ОТРЕЗОК( ) возвращает значение параметра b. Функция ЛИНЕЙН( ) возвращает одновременно оба параметра линейной зависимости, так как является функцией массива. Поэтому для ввода функции ЛИНЕЙН( ) в таблицу надо соблюдать следующие правила:
· по окончании нажать одновременно комбинацию клавиш Ctrl+ Shift+Enter.
В результате в левой ячейке получится значение параметра а, а в правой – значение параметра b.
При создании линии тренда в Excel на основе данных диаграммы применяется та или иная аппроксимация. Excel позволяет выбрать один из пяти аппроксимирующих линий или вычислить линию, показывающую скользящее среднее.
Кроме того, Excel предоставляет возможность выбирать значения пересечения линии тренда с осью Y, а также добавлять к диаграмме уравнение аппроксимации и величину достоверности аппроксимации (R2). Также, можно определять будущие и прошлые значения данных, исходя из линии тренда и связанного с ней уравнения аппроксимации.
2. Выполнить команду Диаграмма, Добавить линию тренда или переместить указатель на ряд данных, щелкнуть правой кнопкой мыши, а затем в контекстном меню выбрать команду Добавить линию тренда. В появившемся окне Линия тренда раскрыть вкладку Тип (рис. 29)
3. В списке Построен на ряде – выделить ряд данных, к которому нужно добавить линию тренда (Рис.29).
4. В группе Построение линии тренда (аппроксимация и сглаживание) выбрать один из шести типов аппроксимации (сглаживания). – линейная, логарифмическая, полиномиальная, степенная, экспоненциальная, скользящее среднее (Рис.29)
5. Чтобы установить параметры линии тренда надо раскрыть вкладку Параметры диалогового окна Линия тренда(рис. 30)
Показывать уравнение на диаграмме – осуществляет вывод уравнения аппроксимации на диаграмму в виде текстового поля.
Поместить на диаграмму величину достоверности аппроксимации R2– осуществляет вывод на диаграмму достоверности аппроксимации в виде текста.
Как сделать апроксимацию в excel?
- Тем же способом, что и в предыдущий раз через контекстное меню запускаем окно формата линии тренда. Устанавливаем переключатель в позицию «Логарифмическая» и жмем на кнопку «Закрыть».
- Происходит процедура построения линии тренда с логарифмической аппроксимацией. Как и в предыдущем случае, такой вариант лучше использовать тогда, когда изначально данные быстро изменяются, а потом принимают сбалансированный вид. Как видим, уровень достоверности равен 0,946. Это выше, чем при использовании линейного метода, но ниже, чем качество линии тренда при экспоненциальном сглаживании.
от первой строки: =U3/$U200. И т.д. предельное количество итераций, определитель отличен от формулу массива. Это К примеру, у не всегда матричныеПосле ввода формулы выделяем
Инструкция
Особенно распространенная задача в геометрии – построение прямой линии. И это недаром, именно с прямой начинается построение больше трудных фигур. Координаты, которые требуются для построения, находятся в уравнении прямой.
1. Для того дабы начертить прямую , нужны две точки. Именно с них начинается построение линии. У всякой точки на плоскости есть две координаты: х и у. Они будут являться параметрами уравнения прямой: у = k*х ±b, где k и b – это свободные числа, х и у – координаты точек прямой.
3. Разглядите такой пример. Пускай дано уравнение: у = 3х-2. Возьмите два всяких значения для координаты х, возможен х1 = 1, х2 = 3. Подставьте эти значения в уравнение прямой: у1 = 3*1-2 = 1, у2 = 3*3-2 = 7. В вас получатся две точки с разными координатами: А (1;1), В (3;7).
Программа Microsoft Office Excel имеет уйма использований в разных областях деятельности, в том числе, такая дисциплина, как эконометрика, также задействует в работе данную программную утилиту. Фактически все действия лабораторных и фактических работы выполняются в Excel.
Как посчитать уравнение в excel
Кроме того, Excel предоставляет возможность выбирать значения пересечения линии тренда с осью Y, а также добавлять к диаграмме уравнение аппроксимации и величину достоверности аппроксимации (R2). Также, можно определять будущие и прошлые значения данных, исходя из линии тренда и связанного с ней уравнения аппроксимации.
