Действительно, так и следует поступать в детерминированных
условиях, характеризуемых свойствами повторяемости экспериментов, когда при
одинаковом наборе значений входов модели , мы всегда получаем те же значения
. Это условие, однако, выполняется далеко
не всегда как в силу погрешностей контроля переменных, так и в силу учета в
реальных моделях всех факторов, влияющих на выходную переменную.
Из рассмотренных примеров концептуальных моделей (примеры 4-6) на
достаточную степень детерминированности, по-видимому, можно рассчитывать только
в примере 5. В примере 4 при фиксации входов разброс выхода
обычно вызван значительными погрешностями
контроля химического состава и расходов, неточностью самой гипотетической
зависимости
, проявляющейся как в отсутствии учета
нелинейности, так и в непостоянстве коэффициента пылеуноса
, зависящих, например, от параметров
аэродинамического режима в смесительном агрегате.
В частности, в примере 6 разброс данных обусловлен целым рядом причин: неточность навески, различия анализируемых образцов из-за вариаций режима подготовки таблеток, изменения режима эксплуатации рентгеновской трубки, отсутствие учета матричного эффекта в одномерном варианте модели (1.6). В итоге экспериментальные точки на диаграмме рассеяния не лежат на прямой, соответствующей графику линейной зависимости (1.6), и желательно провести модельную прямую так, чтобы она, по возможности, проходила как можно ближе ко всем экспериментальным точкам.
1.2. Расчет параметров моделей по методу наименьших квадратов
Суть подхода состоит в том, чтобы использовать для определения параметров модели (1.8) не
, а, как правило, гораздо большее число
экспериментов и затем с применением их
результатов свести задачу определения параметров к некоторой задаче
оптимизации.
Для сокращения записи формул введем векторные обозначения, а именно:
.
Тогда (1.8) запишется в виде
.
(1.10)
Результаты -ого эксперимента
,
, …,
будем обозначать
,
. Введем также в рассмотрение
рассогласования
(1.11)
между модельным и измеренным
выходами изучаемого процесса и постараемся
выбрать значения неизвестных параметров
таким образом, чтобы минимизировать по
модулю
для всех
.
Формализация высказанной идеи может быть различной. Например, можно решать задачу
или
,
где — любое натуральное число, однако
наибольшее распространение получил метод наименьших квадратов (МНК),
разработанный в 19-м веке немецким математиком Гауссом. В рамках МНК
ищется из условия минимизации функции
. (1.12)
Покольку речь идет о поиске экстремума функции переменных
,
, …,
, то необходимое условие экстремума
заключается в обращении в нуль частных производных минимизируемой функции
(1.13)
Таким образом, в общем случае задача сводится к решению системы нелинейных уравнений относительно
неизвестных, компонентов вектора
. Это весьма сложная проблема, так что чаще
имеет смысл непосредственно решать задачу (1.12) с использованием одного из известных методов поисковой оптимизации (варианты методов перебора, градиентные
процедуры, метод наискорейшего спуска и другие).
Вместе с тем, огромная популярность МНК определяется простотой
нахождения для весьма широкого класса моделей,
линейных по параметрам, а именно
,
(1.14)
где
.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.