python拟合函数_Python-最小二乘法曲线拟合
行文思路：最小二乘法原理介绍
利用 leastsq() 函数进行最小二乘法拟合
拟合注意事项
利用curve_fit 进行最小二乘法拟合
总结：
参考文献
实现代码
一，最小二乘法拟合
最小二乘法是一种数学优化技术，它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。优化是找到最小值或等式的数值解的问题。而线性回归就是要求样本回归函数尽可能好地拟合目标函数值，也就是说，这条直线应该尽可能的处于样本数据的中心位置。因此，选择最佳拟合曲线的标准可以确定为：使总的拟合误差（即总残差）达到最小。
假设有一组实验数据(xi，yi ), 事先知道它们之间应该满足某函数关系yi=f(xi)，通过这些已知信息，需要确定函数f的一些参数。例如，如果函数f是线性函数f(x)=kx+b, 那么参数 k和b就是需要确定的值。
如果用p表示函数中需要确定的参数，那么目标就是找到一组p,使得下面的函数S的值最小：
当误差最小的时候可以理解为此时的系数为最佳的拟合状态。
scipy.optimization 子模块提供了函数最小值(标量或多维)、曲线拟合和寻找等式的根的有用算法。在optimize模块中可以使用 leastsq() 对数据进行最小二乘拟合计算。leastsq() 函数传入误差计算函数和初始值，该初始值将作为误差计算函数的第一个参数传入。计算的结果是一个包含两个元素的元组，第一个元素是一个数组，表示拟合后的参数；第二个元素如果等于1、2、3、4中的其中一个整数，则拟合成功，否则将会返回 mesg。下面是官方的文档介绍，只截取了主要的参数部分。
代码实现：
1，导入模块：
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.optimize import leastsq
2，一元二次方程的参数拟合，首先创建拟合数据。
x = np.linspace(-10,10,100) # 创建时间序列
p_value = [-2,5,10] # 原始数据的参数
noise = np.random.randn(len(x)) # 创建随机噪声
y = Fun(p_value,x)+noise*2 # 加上噪声的序列
3，通过函数定义拟合函数的形式。
这里可以拟合任意的函数形式，这要能把它的表达式给出。
def Fun(p,x): # 定义拟合函数形式
a1,a2,a3 = p
return a1*x**2+a2*x+a3
4，定义残差项。
一般最小二乘法是求拟合函数和目标函数差的平方，这里之所以没有平方是应为在拟合函数的内部进行，这里不显式的表示。
def error (p,x,y): # 拟合残差
return Fun(p,x)-y
5， 进行拟合。
其中参数p0 为最小二乘法拟合的初值，初值的选取对于拟合时间和计算量影响很大，有事并对结果产生一定的影响。args() 中是除了初始值之外error() 中的所有参数的集合输入。
para =leastsq(error, p0, args=(x,y)) # 进行拟合
y_fitted = Fun (para[0],x) # 画出拟合后的曲线
返回参数为一个包含拟合后参数的元组，可以通过中括号[] 取值的方式得到。
6，完整的代码如下：
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.optimize import leastsq
def Fun(p,x): # 定义拟合函数形式
a1,a2,a3 = p
return a1*x**2+a2*x+a3
def error (p,x,y): # 拟合残差
return Fun(p,x)-y
def main():
x = np.linspace(-10,10,100) # 创建时间序列
p_value = [-2,5,10] # 原始数据的参数
noise = np.random.randn(len(x)) # 创建随机噪声
y = Fun(p_value,x)+noise*2 # 加上噪声的序列
p0 = [0.1,-0.01,100] # 拟合的初始参数设置
para =leastsq(error, p0, args=(x,y)) # 进行拟合
y_fitted = Fun (para[0],x) # 画出拟合后的曲线
plt.figure
plt.plot(x,y,'r', label = 'Original curve')
plt.plot(x,y_fitted,'-b', label ='Fitted curve')
plt.legend()
plt.show()
print (para[0])
if __name__=='__main__':
main()
最终拟合的参数结果：
[-1.99437662 5.03789895 10.00150115]
二， 使用curve_fit() 进行拟合
Note：使用 curve_fit()，主要的区别在于拟合函数的定义不同
def Fun(x, a1,a2,a3): # 定义拟合函数形式
return a1*x**2+a2*x+a3
完整的代码：
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.optimize import curve_fit
def Fun(x,a1,a2,a3): # 定义拟合函数形式
return a1*x**2+a2*x+a3
def error (p,x,y): # 拟合残差
return Fun(p,x)-y
def main():
x = np.linspace(-10,10,100) # 创建时间序列
a1,a2,a3 = [-2,5,10] # 原始数据的参数
noise = np.random.randn(len(x)) # 创建随机噪声
y = Fun(x,a1,a2,a3)+noise*2 # 加上噪声的序列
para,pcov=curve_fit(Fun,x,y)
y_fitted = Fun(x,para[0],para[1],para[2]) # 画出拟合后的曲线
plt.figure
plt.plot(x,y,'r', label = 'Original curve')
plt.plot(x,y_fitted,'-b', label ='Fitted curve')
plt.legend()
plt.show()
print (para)
if __name__=='__main__':
main()
拟合结果
最终的拟合结果参数为：
[-2.00309373 5.00945061 10.30565526]
三， 多项式拟合
代码实现：
def main():
x = np.linspace(-10,10,100) # 创建时间序列
a1,a2,a3 = [-2,5,10] # 原始数据的参数
noise = np.random.randn(len(x)) # 创建随机噪声
y = Fun(x,a1,a2,a3)+noise*2 # 加上噪声的序列
plt.plot(x,y)
para=np.polyfit(x, y, deg = 2)
y_fitted = Fun(x,para[0],para[1],para[2])
plt.figure
plt.plot(x,y,'ro', label = 'Original curve')
plt.plot(x,y_fitted,'-b', label ='Fitted curve')
plt.legend()
plt.show()
print(para)
if __name__=='__main__':
main()
拟合结果为：
[-2.00532192 5.01626878 10.07612899]
总结：
本文主要讲了最小二乘法拟合曲线的实现方法，使用 leastsq() 和 curve_fit()，最后讲解了多项式的拟合poly.fit(). 最小二乘法的两个拟合大体的步骤是一样的，定义拟合范式，传入拟合参数，开始拟合得出拟合结果。对于简单的拟合函数两者的差别很小，但是复杂的，需要具体的分析。文章还会继续的分析拟合结果的含义，让我们对拟合的结果有更加透彻的理解，随心拟合。
参考文献：