线性代数之超定方程使用最小二乘求解

在超定方程中, 线性方程组一般不能被完全精确满足,因此需要使用最小二乘法求解参数 XXX。

假设线性方程组可以写成:

AX≈B AX \approx B AX≈B

其中,AAA 为系数矩阵,XXX 为待求参数向量,BBB 为观测值向量。

定义残差向量为:

r=AX−B r = AX - B r=AX−B

最小二乘法的目标是使残差平方和最小,即:

X=arg⁡min⁡X∥AX−B∥2 X = \arg\min_X \|AX - B\|^2 X=argXmin∥AX−B∥2

为了便于推导,定义目标函数:

J(X)=∥AX−B∥2 J(X) = \|AX - B\|^2 J(X)=∥AX−B∥2

向量二范数的平方可以写成内积形式:

J(X)=(AX−B)T(AX−B) J(X) = (AX - B)^T(AX - B) J(X)=(AX−B)T(AX−B)

展开可得:

J(X)=XTATAX−XTATB−BTAX+BTB J(X) = X^T A^T A X - X^T A^T B - B^T A X + B^T B J(X)=XTATAX−XTATB−BTAX+BTB

由于 XTATBX^T A^T BXTATB 和 BTAXB^T A XBTAX 都是标量,并且二者相等: (计算两者矩阵维度)

XTATB=BTAX X^T A^T B = B^T A X XTATB=BTAX

所以目标函数可以化简为:

J(X)=XTATAX−2XTATB+BTB J(X) = X^T A^T A X - 2X^T A^T B + B^T B J(X)=XTATAX−2XTATB+BTB

下面对 J(X)J(X)J(X) 关于 XXX 求导。

首先有:

∂∂X(XTATAX)=2ATAX \frac{\partial}{\partial X} (X^T A^T A X) = 2A^TAX ∂X∂(XTATAX)=2ATAX

这是因为 ATAA^TAATA 是对称矩阵,即:

(ATA)T=ATA (A^TA)^T = A^TA (ATA)T=ATA

其次有:

∂∂X(−2XTATB)=−2ATB \frac{\partial}{\partial X} (-2X^TA^TB) = -2A^TB ∂X∂(−2XTATB)=−2ATB

最后,BTBB^TBBTB 中不含有待求参数 XXX,因此:

∂∂X(BTB)=0 \frac{\partial}{\partial X} (B^TB) = 0 ∂X∂(BTB)=0

所以目标函数的导数为:

∂J(X)∂X=2ATAX−2ATB \frac{\partial J(X)}{\partial X} = 2A^TAX - 2A^TB ∂X∂J(X)=2ATAX−2ATB

最小二乘问题要求目标函数取得最小值,因此令导数为零:

2ATAX−2ATB=0 2A^TAX - 2A^TB = 0 2ATAX−2ATB=0

化简可得:

ATAX=ATB A^TAX = A^TB ATAX=ATB

这就是最小二乘法对应的正规方程。

当 ATAA^TAATA 可逆时,可以在等式两边左乘 (ATA)−1(A^TA)^{-1}(ATA)−1,得到:

X=(ATA)−1ATB X = (A^TA)^{-1}A^TB X=(ATA)−1ATB

因此,正规方程的本质就是:对最小二乘目标函数 J(X)=∥AX−B∥2J(X)=\|AX-B\|^2J(X)=∥AX−B∥2 关于待求参数 XXX 求导,并令导数为零后得到的方程。

相关推荐
码农小旋风2 分钟前
国内使用 Claude 的 5 种路径:网页、订阅、API 和企业方案怎么选
人工智能·chatgpt
清水寺小和尚9 分钟前
MCP 协议拆解:从 JSON-RPC 信封到 Agent 全链路
人工智能
机器之心18 分钟前
当Token飙到天文数字,高通用「计算连续体」重搭智能体新基建
人工智能·openai
weixin_4684668522 分钟前
液态神经网络新手入门与实战指南
人工智能·深度学习·神经网络·ai·机器视觉·液态神经网络
机器之心25 分钟前
一夜之间,ChatGPT与Codex合并了
人工智能·openai
机器之心29 分钟前
老黄的Cosmos 3刚发一天,就被一家中国公司反超了
人工智能·openai
标书畅畅行33 分钟前
钛投标标书查重系统技术架构与功能实现解析
大数据·人工智能
Stick_ZYZ34 分钟前
从“能调用工具”到“能稳定执行任务”:Agent 工程化的下一步
java·人工智能·后端·spring·ai
宸一40 分钟前
Day 4:用后端思维拆解Agent核心架构——三元组、工具调用、错误处理
人工智能
KaMeidebaby1 小时前
卡梅德生物技术快报|蛋白翻译后修饰:YAP/TAZ 分子调控机制与靶向干预技术
前端·人工智能·物联网·百度·新浪微博