.
Тогда
,
. (2)
Относительно погрешностей сделаем следующие допущения:
1) погрешности являются нормально распределенными
случайными величинами с нулевым математическим ожиданием
и дисперсиями
, причем
известны,
а параметр
подлежит оцениванию вместе с
искомыми параметрами
,
то есть измерения
неравноточные;
2) погрешности отдельных
измерений независимы. Из (2) следует, что величины будут
иметь нормальное распределение с параметрами
,
. (3)
Естественно, что при решении
системы (1) вместо величин придется
использовать наблюдаемые значения
, причем число
наблюдений, как правило, делают большим числа неизвестных
. В этом случае система (2) не имеет
решения, поэтому оценки неизвестных параметров
получают
по методу максимального правдоподобия (ММП) или по методу наименьших квадратов
(МНК). С учетом (3) функция правдоподобия выборки
будет
. (4)
Видно, что при всяком
значении максимум функции правдоподобия (4)
достигается при выборе
таком, что
, (5)
то есть при выборе по предписанию
МНК, который является частным случаем ММП, если выборка
имеет
нормальное распределение. Для нахождения минимума (5) найдем
ее частных производных по
и приравняем их нулю. В результате
имеем систему из
нормальных уравнений
относительно
неизвестных параметров
, (6)
решая которую, получают искомые оценки.
Однако более наглядно система (6) и ее решение могут быть
представлены в матричном виде. Обозначим ,
– соответственно векторы истинных
значений и наблюдаемых значений измеряемых величин;
,
соответственно матрица плана эксперимента, состоящая из известных
величин , и диагональная матрица весов
измерений;
– вектор неизвестных параметров.
В данных обозначениях система нормальных уравнений (6) примет вид
, (7)
а вектор оценок неизвестных параметров находится из выражения
, (8)
где и
–
обозначают соответственно операции транспонирования и нахождения обратной
матрицы. Полученные оценки
являются
состоятельными, несмещенными и эффективными [1].
Используя те же экспериментальные данные, можно найти
оценку дисперсии случайной погрешности .
Для этого продифференцируем логарифм функции правдоподобия (4) по
и приравняем производную нулю, тогда
,
где в последнее выражение вместо неизвестных параметров подставлены их оценки максимального
правдоподобия (8). Легко показать, что полученная оценка дисперсии является
смещенной [1], а для нахождения несмещенной оценки необходимо ввести
поправочный множитель
. (9)
Зная оценку параметра ,
можно судить о точности оценки коэффициентов
.
Но погрешности оценивания данных коэффициентов уже не независимы, поэтому они
описываются дисперсионной матрицей ошибок, равной
. (10)
Легко видеть, что является
квадратной, симметричной матрицей
; в диагонали ее
стоят дисперсии соответствующих неизвестных параметров
,
а в недиагональные элементы определяют ковариации соответствующих им параметров
.
Основываясь на результатах обработки линейной модели, перейдем к рассмотрению нелинейного случая.
Для решения нелинейной задачи осуществляют искусственную
линеаризацию системы нелинейных уравнений. Пусть задана система нелинейных
уравнений относительно неизвестных параметров ,
подлежащих оцениванию:
.
При этом предполагается, что существует некоторое нулевое
приближение (начальные оценки) неизвестных
параметров
, причем погрешность его мала, то есть
разности
малы по сравнению с истинными
значениями оцениваемых коэффициентов
. Не рассматривая способа
получения начального приближения
, т.к. в каждом
конкретном случае это является самостоятельной задачей, остановимся на
процедуре уточнения данного приближения. Про погрешности
сделаем те же самые предположения,
что и в линейном случае.
Ввиду малости погрешностей
разложим функции
в
ряд Тейлора в точке
, ограничившись линейными
членами:
(11)
В системе (11) сначала
находятся частные производные по
, а затем вычисляются значения этих
частных производных в точке
. Получилась
система из
линейных относительно поправок
уравнений с
неизвестными,
аналогичная системе (2). Решая ее по методике, описанной в предыдущем разделе,
находят неизвестные поправки
и вычисляют
первые приближения оценок
. Данную
процедуру можно повторить и найти второе приближение оценок
, разложив функции
в ряд Тейлора в точке
и решив получающуюся систему,
аналогичную (11), относительно поправок
,
и т.д. То есть в данном случае оценки неизвестных коэффициентов
находятся методом последовательных
приближений. Но для успешной сходимости метода необходимо удачно находить
нулевые приближения
, что
зачастую является очень сложной задачей.
Постановка задачи аналогична
разделу 1, где погрешности измерения величин
предполагаются независимыми,
нормально распределенными с нулевым математическим ожиданием и одинаковой дисперсией
для всех
;
то есть измерения равноточные. В этом случае матрица весов измерений
становится единичной, и выражения
для вектора оценок коэффициентов
(8), оценки
дисперсии
(9) и матрицы ошибок
(10) несколько упрощаются:
, (12)
, (13)
. (14)
При этом все оптимальные свойства оценок (12) сохраняются.
Очень часто одна физическая
величина линейно зависит от другой величины
(приведите примеры!)
где неизвестные коэффициенты и
находят
из эксперимента. Для этого при фиксированных точно известных значениях
:
измеряют соответствующие значения
, но поскольку в
измерениях присутствуют неизбежные ошибки
,
то реально результаты измерения получаются
,
где измеренные величины
можно представить
в виде
. (15)
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.