Polinom ve rasyonel fonksiyon modelleme - Polynomial and rational function modeling

İçinde istatistiksel modelleme (özellikle süreç modelleme ), polinom fonksiyonlar ve rasyonel fonksiyonlar bazen deneysel bir teknik olarak kullanılır. eğri uydurma.

Polinom fonksiyon modelleri

Bir Polinom fonksiyonu forma sahip olan

${displaystyle y = a_ {n} x ^ {n} + a_ {n-1} x ^ {n-1} + cdots + a_ {2} x ^ {2} + a_ {1} x + a_ {0} }$

nerede n olumsuz değildir tamsayı bu polinomun derecesini tanımlar. 0 dereceli bir polinom basitçe a sabit fonksiyon; 1 derece ile hat; derecesi 2 olan bir ikinci dereceden; 3 dereceli bir kübik, ve benzeri.

Tarihsel olarak, polinom modeller, aşağıdakiler için en sık kullanılan ampirik modeller arasındadır. eğri uydurma.

Avantajlar

Bu modeller aşağıdaki nedenlerden dolayı popülerdir.

1. Polinom modellerin basit bir formu vardır.
2. Polinom modeller, iyi bilinen ve anlaşılan özelliklere sahiptir.
3. Polinom modeller orta derecede şekil esnekliğine sahiptir.
4. Polinom modeller kapalı bir ailedir. Yer değişiklikleri ve ölçek işlenmemiş verilerde, bir polinom modelinin bir polinom modeline eşlenmesiyle sonuçlanır. Yani, polinom modeller, temelde yatan metrik.
5. Polinom modellerin kullanımı hesaplamalı olarak kolaydır.

Dezavantajları

Bununla birlikte, polinom modellerinin aşağıdaki sınırlamaları da vardır.

1. Polinom modelleri zayıf interpolasyon özellikleri. Yüksek dereceli polinomlar, tam uyum değerleri arasındaki salınımlar.
2. Polinom modelleri zayıf ekstrapolatör özellikleri. Polinomlar, veri aralığı içinde iyi uyum sağlayabilir, ancak sıklıkla veri aralığı dışında hızla bozulurlar.
3. Polinom modelleri zayıf asimptotik özellikleri. Doğaları gereği, polinomların sonlu bir cevabı vardır. x değerleri ve sonsuz yanıtı vardır ancak ve ancak x değer sonsuzdur. Bu nedenle polinomlar, asimptotik olayları çok iyi modelleyemeyebilir.
4. Hiçbir prosedür, önyargı -varyans değiş tokuş, polinom modeller şekil ve derece arasında özellikle zayıf bir değiş tokuş sergiler. Karmaşık bir yapıya sahip verileri modellemek için, modelin derecesinin yüksek olması gerekir, bu da ilgili sayının parametreleri olmak tahmini da yüksek olacak. Bu, oldukça dengesiz modellere neden olabilir.

Yukarıdaki sınırlamalardan herhangi biri nedeniyle polinom işlevleriyle modelleme yetersiz olduğunda, modelleme için rasyonel işlevlerin kullanılması daha iyi bir uyum sağlayabilir.

Rasyonel işlev modelleri

Bir rasyonel fonksiyon basitçe iki polinom fonksiyonunun oranıdır.

${displaystyle y = {frac {a_ {n} x ^ {n} + a_ {n-1} x ^ {n-1} + ldots + a_ {2} x ^ {2} + a_ {1} x + a_ {0}} {b_ {m} x ^ {m} + b_ {m-1} x ^ {m-1} + ldots + b_ {2} x ^ {2} + b_ {1} x + b_ {0 }}}}$

ile n payın derecesini tanımlayan negatif olmayan bir tamsayı ve m paydanın derecesini tanımlayan negatif olmayan bir tamsayıyı ifade eder. Rasyonel fonksiyon modellerini uydurmak için, paydadaki sabit terim genellikle 1'e ayarlanır. Rasyonel fonksiyonlar tipik olarak pay ve payda dereceleri ile tanımlanır. Örneğin, pay için ikinci dereceden ve payda için bir kübik, ikinci dereceden / kübik bir rasyonel fonksiyon olarak tanımlanır. Rasyonel işlev modeli, polinom modelinin bir genellemesidir: rasyonel işlev modelleri, bir alt küme olarak polinom modelleri içerir (yani, paydanın bir sabit olduğu durum).

Avantajlar

Rasyonel işlev modelleri aşağıdaki avantajlara sahiptir:

1. Rasyonel işlev modelleri oldukça basit bir forma sahiptir.
2. Rasyonel işlev modelleri kapalı bir ailedir. Polinom modellerinde olduğu gibi, bu, rasyonel işlev modellerinin temeldeki ölçüye bağlı olmadığı anlamına gelir.
3. Rasyonel işlev modelleri, polinom ailesinden çok daha geniş bir şekil yelpazesini barındıran son derece geniş bir şekil yelpazesi alabilir.
4. Rasyonel fonksiyon modelleri, polinom modellerinden daha iyi enterpolasyon özelliklerine sahiptir. Rasyonel fonksiyonlar, polinom modellerine göre tipik olarak daha pürüzsüz ve daha az salınımlıdır.
5. Rasyonel işlevlerin mükemmel ekstrapolasyon güçleri vardır. Rasyonel işlevler, tipik olarak, işlevi yalnızca veri alanı içinde değil, aynı zamanda ilgi alanı dışındaki teorik / asimptotik davranışla uyum içinde olacak şekilde modellemek için uyarlanabilir.
6. Rasyonel işlev modellerinin mükemmel asimptotik özellikleri vardır. Rasyonel fonksiyonlar, sonlu değerler için sonlu veya sonsuz olabilir veya sonsuz için sonlu veya sonsuz olabilir. x değerler. Böylece, rasyonel işlevler, rasyonel işlev modeline kolayca dahil edilebilir.
7. Rasyonel işlev modelleri, hem pay hem de paydada oldukça düşük bir derece ile karmaşık yapıyı modellemek için sıklıkla kullanılabilir. Bu da polinom modeline kıyasla daha az katsayı gerekeceği anlamına gelir.
8. Rasyonel işlev modelleri, hesaplama açısından orta derecede kolaydır. Olsalar da doğrusal olmayan modeller rasyonel işlev modelleri, uyması özellikle kolay doğrusal olmayan modellerdir.
9. Doğrusal olmayan modellerin takılmasındaki yaygın bir zorluk, yeterli başlangıç ​​değerleri bulmaktır. Rasyonel işlev modellerinin önemli bir avantajı, başlangıç ​​değerlerini hesaplama yeteneğidir. doğrusal en küçük kareler Uygun. Bunu yapmak için, p noktalar, veri setinden seçilir. p rasyonel modeldeki parametre sayısını belirtir. Örneğin, doğrusal / ikinci dereceden model verildiğinde

${displaystyle y = {frac {A_ {0} + A_ {1} x} {1 + B_ {1} x + B_ {2} x ^ {2}}},}$

birinin dört temsili noktayı seçmesi ve modele doğrusal bir uyum sağlaması gerekir

${displaystyle y = A_ {0} + A_ {1} x-B_ {1} xy-B_ {2} x ^ {2} y,}$

paydayı temizleyerek önceki denklemden türetilen. Burada x ve y tüm veri kümesini değil, noktaların alt kümesini içerir. Bu doğrusal uyumdan elde edilen tahmin edilen katsayılar, doğrusal olmayan modeli tam veri setine uydurmak için başlangıç ​​değerleri olarak kullanılır.

Yanıt değişkeninin işlevin her iki tarafında göründüğü bu tür uyum, yalnızca doğrusal olmayan uyum için başlangıç ​​değerleri elde etmek için kullanılmalıdır. Bunun gibi uyumların istatistiksel özellikleri tam olarak anlaşılmamıştır.

Noktaların alt kümesi, veri aralığı üzerinden seçilmelidir. Belirgin aykırı değerlerden kaçınılması gerekse de hangi noktaların seçildiği kritik değildir.

Dezavantajları

Rasyonel işlev modelleri aşağıdaki dezavantajlara sahiptir:

1. Rasyonel fonksiyon ailesinin özellikleri, polinom ailesinin özellikleri kadar mühendisler ve bilim adamları tarafından iyi bilinmemektedir. Rasyonel işlev ailesiyle ilgili literatür de daha sınırlıdır. Ailenin özellikleri genellikle iyi anlaşılmadığından, aşağıdaki modelleme sorusuna cevap vermek zor olabilir: Verinin belirli bir şekle sahip olduğu düşünüldüğünde, pay ve payda üzerindeki derece için hangi değerler seçilmelidir?
2. Kısıtlanmamış rasyonel fonksiyon uydurma, bazen istenmeyen dikey asimptotlar payda polinomundaki kökler nedeniyle. Aralığı x "Patlama" fonksiyonundan etkilenen değerler oldukça dar olabilir, ancak meydana geldiklerinde asimptotlar, asimptot noktasının yakınında yerel enterpolasyon için bir sıkıntıdır. Bu asimptotların, veri aralığı üzerinde yerleştirilmiş fonksiyonun basit bir grafiği ile tespit edilmesi kolaydır. Bu rahatsız edici asimptotlar, ara sıra ve tahmin edilemeyecek şekilde ortaya çıkar, ancak uygulayıcılar, şekillerin esnekliğindeki kazanımın, bunların meydana gelme şansına değdiğini ve bu tür asimptotların, ampirik modelleme için rasyonel işlev modellerini seçmekten caydırmaması gerektiğini savunuyorlar.

Ayrıca bakınız

• Tepki yüzeyi metodolojisi

Kaynakça

• Atkinson, A. C. ve Donev, A.N. ve Tobias, R. D. (2007). SAS ile Optimum Deneysel Tasarımlar. Oxford University Press. s. 511 + xvi. ISBN  978-0-19-929660-6.CS1 bakım: birden çok isim: yazar listesi (bağlantı)
• Box, G. E. P. ve Draper, Norman. 2007. Tepki Yüzeyleri, Karışımlar ve Ridge Analizleri, İkinci Baskı [/ Ampirik Model Oluşturma ve Yanıt Yüzeyleri, 1987], Wiley.
• Kiefer, Jack Carl (1985). L. D. Brown; et al. (eds.). Toplanan Makaleler III Deney Tasarımı. Springer-Verlag. ISBN  978-0-387-96004-3.
• R. H. Hardin ve N. J. A. Sloane, "Optimal Tasarımların İnşasına Yeni Bir Yaklaşım", İstatistiksel Planlama ve Çıkarım Dergisi, cilt. 37, 1993, s. 339-369
• R. H. Hardin ve N. J. A. Sloane, "Bilgisayar Tarafından Oluşturulan Minimal (ve Daha Büyük) Yanıt Yüzeyi Tasarımları: (I) Küre"
• R. H. Hardin ve N. J. A. Sloane, "Bilgisayar Tarafından Oluşturulan Minimal (ve Daha Büyük) Tepki Yüzey Tasarımları: (II) Küp"
• Ghosh, S .; Rao, C.R., eds. (1996). Deneylerin Tasarımı ve Analizi. Handbook of Statistics. 13. Kuzey-Hollanda. ISBN  978-0-444-82061-7.
  • Draper, Norman & Lin, Dennis K. J. "Tepki Yüzey Tasarımları". sayfa 343–375. Eksik veya boş | title = (Yardım)
  • Gaffke, N. & Heiligers, B. "için Yaklaşık Tasarımlar Polinom Regresyon: Değişmezlik, Kabul edilebilirlik, ve Optimallik ". sayfa 1149–1199. Eksik veya boş | title = (Yardım)
• Melas, Viatcheslav B. (2006). Optimal Deneysel Tasarım için Fonksiyonel Yaklaşım. İstatistik Ders Notları. 184. Springer-Verlag. ISBN  978-0-387-98741-5. (Rasyonel fonksiyonlarla modelleme)

Tarihi

• Gergonne, J. D. (1815). "Uygulama de la méthode des moindre kavgalar ve l'interpolation des süitler". Annales de mathématiques pures ve aplikler. 6: 242–252.
• Gergonne, J. D. (1974) [1815]. "En küçük kareler yönteminin dizilerin enterpolasyonuna uygulanması". Historia Mathematica (Çeviren: Ralph St. John ve S. M. Stigler 1815 Fransız baskısından). 1 (4): 439–447. doi:10.1016/0315-0860(74)90034-2.
• Stigler, Stephen M. (1974). "Gergonne'un polinom regresyon deneylerinin tasarımı ve analizi hakkındaki 1815 makalesi". Historia Mathematica. 1 (4): 431–439. doi:10.1016/0315-0860(74)90033-0.
• Smith, Kirstine (1918). "Gözlemlenen Polinom Fonksiyonunun Ayarlanmış ve Yorumlanmış Değerlerinin Standart Sapmaları ve Sabitleri ve Gözlemlerin Dağılımının Doğru Bir Seçimi İçin Verdikleri Kılavuz Hakkında". Biometrika. 12 (1/2): 1–85. doi:10.1093 / biomet / 12.1-2.1. JSTOR  2331929.

Dış bağlantılar

• Rasyonel Fonksiyon Modelleri

Bu makale içerirkamu malı materyal -den Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü İnternet sitesi https://www.nist.gov.