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我正在对某个测量设备中的测量误差进行建模。这就是数据的样子:低频多项式上的高频正弦纹波。我的模型也应该捕捉到涟漪。

拟合误差的曲线应采用以下形式:error(x) = a0 + a1*x + a2*x^2 + ... an*x^n + Asin(x/lambda)。多项式的阶数 n 未知。我的计划是从 1-9 迭代 n 并选择具有最高F-value的那个。

我玩过,numpy.polyfit到目前为止scipy.optimize.curve_fitnumpy.polyfit仅适用于多项式,因此虽然我可以生成“最佳拟合”多项式,但无法确定正弦项的参数 A 和 lambda。scipy.optimize.curve_fit如果我已经知道 error(x) 的多项式部分的多项式的阶数,效果会很好。

有没有一种巧妙的方法可以同时使用numpy.polyfitscipy.optimize.curve_fit完成这项工作?或者可能是另一个库函数?

这是我numpy.polyfit用来选择最佳多项式的代码:

def GetErrorPolynomial(X, Y):

    maxFval = 0.0
    for i in range(1, 10):   # i is the order of the polynomial (max order = 9)
        error_func = np.polyfit(X, Y, i)
        error_func = np.poly1d(error_func)

        # F-test (looking for the largest F value)
        numerator = np.sum(np.square(error_func(X) - np.mean(Y))) / i
        denominator = np.sum(np.square(Y - error_func(X))) / (Y.size - i - 1)
        Fval = numerator / denominator

        if Fval > maxFval:
            maxFval = Fval
            maxFvalPolynomial = error_func

    return maxFvalPolynomial

这是我如何使用的代码curve_fit

def poly_sine_fit(x, a, b, c, d, l):
     return a*np.square(x) + b*x + c + d*np.sin(x/l)

param, _ = curve_fit(poly_sine_fit, x_data, y_data)

它被“硬编码”为二次函数,但我想选择“最佳”顺序,就像我在上面所做的那样np.polyfit

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我终于找到了一种模拟涟漪的方法,并且可以回答我自己的问题。这篇2006 年的论文对类似于我的数据集的波纹进行了曲线拟合。

首先,我做了一个最小二乘多项式拟合,然后从原始数据中减去这个多项式曲线。这给我留下的只有涟漪。应用傅里叶变换,我选择了让我重建正弦波纹的主要频率。然后我简单地将这些波纹添加到我一开始获得的多项式曲线中。做到了。

于 2019-10-26T15:10:36.930 回答
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使用Scikit-learn 线性回归

这是我用来执行线性回归的代码示例,它使用 3 次多项式通过点 0,值为 1 和零导数。您只需要将函数 create_vector 调整为所需的函数。

from sklearn import linear_model
import numpy as np

def create_vector(x):
    # currently representing a polynom Y = a*X^3 + b*X^2
    x3 = np.power(x, 3)
    x2 = np.power(x, 2)
    X = np.append(x3, x2, axis=1)
    return X 

data_x = [some_data_input]
data_y = [some_data_output]

x = np.array(data_x).reshape(-1, 1)
y_data = np.array(data_y).reshape(-1, 1)-1 # -1 to pass by the point (0,1)

X = create_vector(x)    

regr = linear_model.LinearRegression(fit_intercept=False)
regr.fit(X, y_data)
于 2019-09-12T12:01:31.487 回答
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我从散点图中提取数据进行分析,发现多项式 + 正弦似乎不是最佳模型,因为低阶多项式没有很好地遵循数据的形状,而高阶多项式表现出龙格的高曲率现象数据极端。我进行了方程搜索以找出可能施加的高频正弦波,一个很好的候选者似乎是极值峰值方程“a * exp(-1.0 * exp(-1.0 * ((xb)/c ))-((xb)/c) + 1.0) + 偏移”,如下图所示。

这是该方程的图形 Python 曲线拟合器,在文件顶部我加载了我提取的数据,因此您需要将其替换为实际数据。该拟合器使用 scipy 的差分进化遗传算法模块来估计非线性拟合器的初始参数值,该拟合器使用拉丁超立方算法来确保对参数空间的彻底搜索,并需要搜索范围。在这里,这些界限取自数据最大值和最小值。

从这条拟合曲线中减去模型预测应该只剩下要建模的正弦分量。我注意到在大约 x = 275 处似乎有一个额外的窄、低幅度峰值。

阴谋

import numpy, scipy, matplotlib
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.optimize import curve_fit
from scipy.optimize import differential_evolution
import warnings

##########################################################
# load data section
f = open('/home/zunzun/temp/temp.dat')
textData = f.read()
f.close()

xData = []
yData = []
for line in textData.split('\n'):
    if line: # ignore blank lines
        spl = line.split()
        xData.append(float(spl[0]))
        yData.append(float(spl[1]))
xData = numpy.array(xData)
yData = numpy.array(yData)


##########################################################
# model to be fitted
def func(x, a, b, c, offset): # Extreme Valye Peak equation from zunzun.com
    return a * numpy.exp(-1.0 * numpy.exp(-1.0 * ((x-b)/c))-((x-b)/c) + 1.0) + offset


##########################################################
# fitting section

# function for genetic algorithm to minimize (sum of squared error)
def sumOfSquaredError(parameterTuple):
    warnings.filterwarnings("ignore") # do not print warnings by genetic algorithm
    val = func(xData, *parameterTuple)
    return numpy.sum((yData - val) ** 2.0)


def generate_Initial_Parameters():
    # min and max used for bounds
    maxX = max(xData)
    minX = min(xData)
    maxY = max(yData)
    minY = min(yData)

    minData = min(minX, minY)
    maxData = max(maxX, maxY)

    parameterBounds = []
    parameterBounds.append([minData, maxData]) # search bounds for a
    parameterBounds.append([minData, maxData]) # search bounds for b
    parameterBounds.append([minData, maxData]) # search bounds for c
    parameterBounds.append([minY, maxY]) # search bounds for offset

    # "seed" the numpy random number generator for repeatable results
    result = differential_evolution(sumOfSquaredError, parameterBounds, seed=3)
    return result.x

# by default, differential_evolution completes by calling curve_fit() using parameter bounds
geneticParameters = generate_Initial_Parameters()

# now call curve_fit without passing bounds from the genetic algorithm,
# just in case the best fit parameters are aoutside those bounds
fittedParameters, pcov = curve_fit(func, xData, yData, geneticParameters)
print('Fitted parameters:', fittedParameters)
print()

modelPredictions = func(xData, *fittedParameters) 

absError = modelPredictions - yData

SE = numpy.square(absError) # squared errors
MSE = numpy.mean(SE) # mean squared errors
RMSE = numpy.sqrt(MSE) # Root Mean Squared Error, RMSE
Rsquared = 1.0 - (numpy.var(absError) / numpy.var(yData))

print()
print('RMSE:', RMSE)
print('R-squared:', Rsquared)

print()


##########################################################
# graphics output section
def ModelAndScatterPlot(graphWidth, graphHeight):
    f = plt.figure(figsize=(graphWidth/100.0, graphHeight/100.0), dpi=100)
    axes = f.add_subplot(111)

    # first the raw data as a scatter plot
    axes.plot(xData, yData,  'D')

    # create data for the fitted equation plot
    xModel = numpy.linspace(min(xData), max(xData))
    yModel = func(xModel, *fittedParameters)

    # now the model as a line plot
    axes.plot(xModel, yModel)

    axes.set_xlabel('X Data') # X axis data label
    axes.set_ylabel('Y Data') # Y axis data label

    plt.show()
    plt.close('all') # clean up after using pyplot

graphWidth = 800
graphHeight = 600
ModelAndScatterPlot(graphWidth, graphHeight)

更新-------如果高频正弦分量是恒定的(我不知道),那么只用几个周期对一小部分数据进行建模就足以确定拟合的方程和初始参数估计模型的正弦波部分。在这里,我完成了以下结果:

正弦

从以下等式:

amplitude = -1.0362957093184177E+00
center = 3.6632754608370377E+01
width = 5.0813421718648293E+00
Offset = 5.1940843481496088E+00

pi = 3.14159265358979323846 # constant not fitted

y = amplitude * sin(pi * (x - center) / width) + Offset

使用实际数据而不是我的散点图提取数据结合这两个模型应该接近您的需要。

于 2019-09-12T13:58:35.983 回答