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C++实现二元多项式拟合

2023-07-05 07:51:13 深夜i -- --

C++ 二元多项式拟合

在数据分析和模型建立中，“拟合”是一种常见的操作，二元多项式拟合是其中一种非常基础且重要的拟合方法。Python、MATLAB、R语言等高级编程语言经常用于拟合分析，而C++的运行速度也是不可忽略的优势，下面就介绍一下如何使用C++实现二元多项式拟合。

1. 二元多项式拟合概述

二元多项式拟合是指寻找一个多项式函数，通过拟合已有的数据集合来预测其他的数据。多项式函数一般表示为：f(x,y)=a0+a1x+a2y+a3x^2+a4xy+a5y^2+...+amx^my^n。其中m、n为多项式的次数，a0~am为多项式系数。

2. 实现二元多项式拟合的方法

二元多项式拟合需要用到最小二乘法，通过平方差求和来获得多项式系数。我们可以借助C++中的Eigen库来解决这个问题。

2.1 安装Eigen库

可以从Eigen官网下载最新版本的库并解压缩。将Eigen文件夹复制到您的项目目录或全局目录，以便于编译器找到这里面的头文件。在代码中引用Eigen头文件即可使用该库的函数。

2.2 定义多项式

使用三维数组来表示多项式函数，这里以m=2，n=2为例。数组定义如下：

double a[3][3][3];

其中a[0][0][0] = 1，其他值先赋为0。

2.3 输入数据

输入数据可以通过键盘输入或从文件中读取。这里采用在程序中输入数据的方式。输入数据格式如下：

x1 y1 z1

x2 y2 z2

...

xn yn zn

在程序中，定义一个结构体来存储输入的数据：

struct Data

double x;

double y;

double z;

;

使用vector容器来存储输入的数据集合：

vector dataList;

在程序中读取输入的数据，并将数据存储在vector中：

Data tempData;

while (cin >> tempData.x >> tempData.y >> tempData.z)

{

dataList.push_back(tempData);

}

2.4 定义多项式系数矩阵和多项式值矩阵

定义多项式系数矩阵和多项式值矩阵。多项式系数矩阵为：

Eigen::MatrixXd A(6, 6);

A << n, sum1_x, sum1_y, pow_n_x, sum_xy, pow_n_y,

sum1_x, pow_n_x, sum_xy, pow_n_x2, pow_xy, sum_xy_y,

sum1_y, sum_xy, pow_n_y, sum_xy_y, pow_xy, pow_n_y2,

pow_n_x, pow_n_x2, sum_xy_y, pow_n_x3, pow_xy_x, pow_n_x2_y,

sum_xy, pow_xy, pow_xy, pow_xy_x, pow_y2, pow_xy_y,

pow_n_y, sum_xy_y, pow_n_y2, pow_n_x2_y, pow_xy_y, pow_n_y3;

其中n为数据集合的个数，sum1_x为x的和，sum1_y为y的和，pow_n_x为x的平方和，pow_n_y为y的平方和，sum_xy为xy的和，sum_xy_y为x*y^2的和，pow_n_x2为x^2的平方和，pow_xy_x为xy^2的和，pow_y2为y的3次方和，pow_n_x2_y为x^2*y的和，pow_xy_y为x*y^3的和，pow_n_y3为y的4次方和。

多项式值矩阵为：

Eigen::VectorXd B(6);

B << sum1_z, sum_x_z, sum_y_z, pow_x_z, sum_xy_z, pow_y_z;

其中sum1_z为z的和，sum_x_z为x*z的和，sum_y_z为y*z的和，pow_x_z为x^2*z的和，sum_xy_z为xy*z的和，pow_y_z为y^2*z的和。

2.5 求解多项式系数

接下来，使用最小二乘法求解多项式系数。使用Eigen库中的函数：

Eigen::VectorXd coeff = A.colPivHouseholderQr().solve(B);

其中，solve()函数就是用来解决多项式系数的，A是系数矩阵，B是值矩阵。

最终，coeff包含了六个多项式系数：a0、a1、a2、a3、a4、a5。

3. 总结

通过使用C++和Eigen库，我们可以很方便地实现二元多项式拟合算法，并得到多项式系数。这个算法在数据分析和模型建立中具有广泛的使用价值。C++具有极高的运行速度和资源利用率，能够快速地处理大量的数据，为科学研究和工程项目提供强有力的支持。

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