Полином по точкам excel

Как выполнить полиномиальную регрессию в Excel

Регрессионный анализ используется для количественной оценки взаимосвязи между одной или несколькими независимыми переменными и переменной отклика .

Наиболее распространенным типом регрессионного анализа является простая линейная регрессия , которая используется, когда независимая переменная и переменная отклика имеют линейную связь.

Однако иногда связь между объясняющей переменной и переменной отклика нелинейна.

В этих случаях имеет смысл использовать полиномиальную регрессию , которая может учитывать нелинейную связь между переменными.

В этом руководстве объясняется, как выполнить полиномиальную регрессию в Excel.

Пример: полиномиальная регрессия в Excel

Предположим, у нас есть следующий набор данных в Excel:

Используйте следующие шаги, чтобы подогнать уравнение полиномиальной регрессии к этому набору данных:

Шаг 1: Создайте диаграмму рассеяния.

Во-первых, нам нужно создать диаграмму рассеяния. Перейдите в группу Charts на вкладке Insert и щелкните первый тип диаграммы в Scatter :

Автоматически появится диаграмма рассеяния:

Шаг 2: Добавьте линию тренда.

Далее нам нужно добавить линию тренда на диаграмму рассеяния. Для этого щелкните любую из отдельных точек на диаграмме рассеивания. Затем щелкните правой кнопкой мыши и выберите «Добавить линию тренда…».

Появится новое окно с возможностью указать линию тренда. Выберите Polynomial и выберите число, которое вы хотите использовать для Order.Мы будем использовать 3. Затем установите флажок рядом с надписью Display Equation on chart внизу.

На диаграмме рассеяния автоматически появится линия тренда с уравнением полиномиальной регрессии:

Шаг 3: Интерпретируйте уравнение регрессии.

Для этого конкретного примера наше подобранное уравнение полиномиальной регрессии:

у = -0,1265 х 3 + 2,6482 х 2 – 14,238 х + 37,213

Это уравнение можно использовать для нахождения ожидаемого значения переменной отклика на основе заданного значения объясняющей переменной. Например, предположим, что x = 4. Ожидаемое значение переменной ответа y будет следующим:

у = -0,1265(4) 3 + 2,6482(4) 2 – 14,238(4) + 37,213 = 14,5362 .

Источник

Excel построить полином по точкам

БлогNot. Excel: как построить степенной полином функцией ЛИНЕЙН

Excel: как построить степенной полином функцией ЛИНЕЙН

Сейчас мы хотим, во-первых, построить в Excel интерполирующий полином тоже стандартной функцией, во-вторых, не вдаваясь в детали теории, понять смысл этой простой задачи — как построить кривую, проходящую через несколько известных точек на плоскости.

Итак, по известному набору из N значений функции f(x_i)=y_i , заданному парой векторов x_i, y_i=f(x_i) , i=1, 2, . N , нужно построить кривую, проходящую через все точки.

Через N различных между собой по оси x точек всегда можно построить кривую, зависящую от x N-1 , её уравнение будет иметь общий вид

В этом уравнении нам неизвестны коэффициенты с_i . Из условия, что кривая проходит через все заданные в постановке задачи точки, можно записать систему линейных алгебраических уравнений:

или, в матричном виде

Решив эту систему уравнений, то есть, найдя обратную к матрице Вандермонда матрицу и умножив её на вектор y , найдём коэффициенты с_i . Теперь, подставив их в уравнение (1), мы можем аналитически оценить значение функции в произвольной точке x .

Ниже показано «ручное» решение в Excel и решение с помощью стандартной функции ЛИНЕЙН.

Вот пояснения к формулам:

• C2 — формируем матрицу из степеней значений x ; избегаем при этом возведения нуля в нулевую степень, заменяя любое число, возводимое в нулевую степень, единицей; ввести формулу в ячейку C2 ; затем растягиваем формулу на ячейки C2:C5 , отпускаем левую кнопку мыши и, не снимая выделения, растягиваем на столбцы D:F (см. Пояснение 1 ниже);
• G2:G5 — вычисляем коэффициенты полинома c_i «вручную», обратив матрицу и умножив её на вектор значений y_i ; выделить диапазон G2:G5 ; не снимая выделения, ввести формулу в ячейку G2 ; не снимая выделения, нажать комбинацию клавиш Crl+Shift+Enter (см. Пояснение 2 ниже);
• I2 — вычисляем полином третьей степени в точках, не обязательно совпадающих с исходными; по выделенным жирным шрифтом значениям полинома видно, что он прошёл через исходные точки; ввести формулу в ячейку I2 , растянуть за уголок до I8 ;
• J2:J5 — вычисляем коэффициенты полинома c_i с помощью функции ЛИНЕЙН , пример в справке (пример 2), к сожалению, прямо ошибочен, плюс не показывает вычисление нескольких коэффициентов полинома; выделить диапазон J2:J5 ; не снимая выделения, ввести формулу в ячейку G2 ; не снимая выделения, нажать комбинацию клавиш Crl+Shift+Enter ; коэффициенты возвращаются в «перевёрнутом» по отношению к нашему ручному расчёту виде;
• K2 — для единообразия расчёта переворачиваем массив коэффициентов, готовой функции для этого нет, показан образец, как перевернуть диапазон в Excel; ввести формулу в ячейку K2 , растянуть за уголок до K5 ;
• L2 — вычисляем полином третьей степени в тех же точках H2:H8 , в которых вычисляли его значения первым способом; ввести формулу в ячейку L2 , растянуть за уголок до L8 ; видно, что кривая также прошла через исходные точки данных.

Скачать файл Excel (2007 и выше, делался в Excel 2016) в архиве .zip (13 Кб)

Пояснение 1. Как растянуть формулу на матрицу значений

1. Введите требуемую формулу и нажмите Enter , на рисунке показан вид экрана перед нажатием:

2. Подведите курсор мыши к нижнему правому уголку ячейки C2 , уголок превратился в чёрный крестик, зажмите левую кнопку мыши и растяните формулу вниз до ячейки C5 .

3. Отпустите кнопку мыши, снова так же подведите курсор к уголку ячейки C5 (опять чёрный крестик) и при зажатой левой кнопке мыши растяните выделение вправо до столбца F .

Пояснение 2. Как ввести формулу массива

1. Выделить диапазон ячеек, в которые будет помещён результат матричной или векторной операции (мышкой при зажатой левой кнопке за любое место, на котором курсор имеет вид по умолчанию или при зажатой Shift клавишами со стрелками):

Мы сами отвечаем за правильность выделения ячеек диапазона результата, например, Excel не обязан знать, что в результате обращения матрицы размерностью 3×3 получится тоже матрица размерностью 3×3 :

2. Не снимая выделения, ввести формулу массива в первую ячейку выделенного диапазона, это можно сделать «вручную», просто нажав клавишу F2 и начав набирать формулу со знака » = «, или с помощью Мастера Функций (см. п.3 документа по Excel здесь).

3. При зажатых клавишах Ctrl и Shift , нажать клавишу Enter , то есть, ввести комбинацию клавиш Ctrl+Shift+Enter .

Источник

МНК: Приближение полиномом в EXCEL

history 24 ноября 2018 г.

Метод наименьших квадратов (МНК) основан на минимизации суммы квадратов отклонений выбранной функции от исследуемых данных. В этой статье аппроксимируем имеющиеся данные с помощью полинома (до 6-й степени включительно).

В основной статье про МНК было рассмотрено приближение линейной функцией. В этой статье рассмотрим приближение полиномиальной функцией (с 3-й до 6-й степени) следующего вида: y=b ₀ +b ₁ x+b ₂ x 2 +b ₃ x 3 +…+b ₆ x 6

Примечание : В инструменте MS EXCEL Линия тренда , который доступен для диаграмм типа Точечная и График , можно построить линию тренда на основе полинома с максимальной степенью 6. В файле примера продемонстрировано полное совпадение линии тренда диаграммы и линии, вычисленной с помощью формул.

Покажем, как вычислить коэффициенты b линии тренда, заданной полиномом.

Как известно, квадратичная зависимость y=b ₀ +b ₁ x+b ₂ x 2 , подробно рассмотренная в статье МНК: Квадратичная зависимость в MS EXCEL , является частным случаем полиномиальной y=b ₀ +b ₁ x+b ₂ x 2 +b ₃ x 3 +… зависимости (в этом случае степень полинома равна 2). Соответственно, используя тот же подход (приравнивание к 0 частных производных), можно вычислить коэффициенты любого полинома.

Примечание : Существует еще один метод вычисления коэффициентов – замена переменных, который рассмотрен в конце статьи.

Для нахождения m+1 коэффициента полинома m-й степени составим систему из m+1 уравнения и решим ее методом обратной матрицы . Для квадратного уравнения (m=2) нам потребовалось вычислить сумму значений х с 1-й до 4-й степени, а для полинома m-й степени необходимо вычислить значения х с 1-й до 2*m степени.

Примечание : Для удобства суммы степеней значений х можно вычислить в отдельном диапазоне ( файл примера столбцы К:М).

В файле примера создана универсальная форма для вычисления коэффициентов полиномов.

Выбрав с помощью элемента управления Счетчик нужную степень полинома, автоматически получим аппроксимацию наших данных выбранным полиномом (будет построен соответствующий график).

Примечание: При использовании полиномов высокой степени необходимо следить за тем, чтобы количество пар значений (х _i ; y _i ) превышало степень полинома хотя бы на несколько значений (для обеспечения точности аппроксимации). Кроме того, график функции полинома степени m имеет m-1 точку перегиба. Понятно, что точек данных должно быть гораздо больше, чем точек перегиба, чтобы такой изменчивый тренд стал очевидным (если утрировать, то бессмысленно строить по двум точкам параболу, логичнее построить прямую).

Как видно из расчетов, в MS EXCEL этот путь является достаточно трудоемким. Гораздо проще в MS EXCEL реализовать другой подход для вычисления коэффициентов полинома — с помощью замены переменных.

С помощью замены переменных x i =x _i полиномиальную зависимость y=b ₀ +b ₁ x+b ₂ x 2 +b ₃ x 3 +… можно свести к линейной. Теперь переменная y зависит не от одной переменной х в m разных степенях, а от m независимых переменных x _i . Поэтому для нахождения коэффициентов полинома мы можем использовать функцию ЛИНЕЙН() . Этот подход также продемонстрирован в файле примера .

Источник

Как построить полиномиальную кривую в Excel (шаг за шагом)

Вы можете использовать функцию ЛИНЕЙН() в Excel, чтобы подобрать полиномиальную кривую с определенной степенью.

Например, вы можете использовать следующий базовый синтаксис, чтобы подогнать полиномиальную кривую со степенью 3:

Функция возвращает массив коэффициентов, описывающих полиномиальную подгонку.

В следующем пошаговом примере показано, как использовать эту функцию для подбора полиномиальной кривой в Excel.

Шаг 1: Создайте данные

Во-первых, давайте создадим некоторые данные для работы:

Шаг 2: Подберите полиномиальную кривую

Далее воспользуемся функцией ЛИНЕЙН() , чтобы подобрать полиномиальную кривую степени 3 к набору данных:

Шаг 3: Интерпретация полиномиальной кривой

Как только мы нажмем ENTER , появится массив коэффициентов:

Используя эти коэффициенты, мы можем построить следующее уравнение, описывающее взаимосвязь между x и y:

у = 0,0218x 3 – 0,2239x 2 – 0,6084x + 30,0915

Мы также можем использовать это уравнение для вычисления ожидаемого значения y на основе значения x.

Например, предположим, что x = 4. Ожидаемое значение y будет следующим:

у = 0,0218(4) 3 – 0,2239(4) 2 – 0,6084(4) + 30,0915 = 25,47

Источник

Метод аппроксимации в Microsoft Excel

Среди различных методов прогнозирования нельзя не выделить аппроксимацию. С её помощью можно производить приблизительные подсчеты и вычислять планируемые показатели, путем замены исходных объектов на более простые. В Экселе тоже существует возможность использования данного метода для прогнозирования и анализа. Давайте рассмотрим, как этот метод можно применить в указанной программе встроенными инструментами.

Выполнение аппроксимации

Наименование данного метода происходит от латинского слова proxima – «ближайшая» Именно приближение путем упрощения и сглаживания известных показателей, выстраивание их в тенденцию и является его основой. Но данный метод можно использовать не только для прогнозирования, но и для исследования уже имеющихся результатов. Ведь аппроксимация является, по сути, упрощением исходных данных, а упрощенный вариант исследовать легче.

Главный инструмент, с помощью которого проводится сглаживания в Excel – это построение линии тренда. Суть состоит в том, что на основе уже имеющихся показателей достраивается график функции на будущие периоды. Основное предназначение линии тренда, как не трудно догадаться, это составление прогнозов или выявление общей тенденции.

Но она может быть построена с применением одного из пяти видов аппроксимации:

• Линейной;
• Экспоненциальной;
• Логарифмической;
• Полиномиальной;
• Степенной.

Рассмотрим каждый из вариантов более подробно в отдельности.

Способ 1: линейное сглаживание

Прежде всего, давайте рассмотрим самый простой вариант аппроксимации, а именно с помощью линейной функции. На нем мы остановимся подробнее всего, так как изложим общие моменты характерные и для других способов, а именно построение графика и некоторые другие нюансы, на которых при рассмотрении последующих вариантов уже останавливаться не будем.

Прежде всего, построим график, на основании которого будем проводить процедуру сглаживания. Для построения графика возьмем таблицу, в которой помесячно указана себестоимость единицы продукции, производимой предприятием, и соответствующая прибыль в данном периоде. Графическая функция, которую мы построим, будет отображать зависимость увеличения прибыли от уменьшения себестоимости продукции.

1. Для построения графика, прежде всего, выделяем столбцы «Себестоимость единицы продукции» и «Прибыль». После этого перемещаемся во вкладку «Вставка». Далее на ленте в блоке инструментов «Диаграммы» щелкаем по кнопке «Точечная». В открывшемся списке выбираем наименование «Точечная с гладкими кривыми и маркерами». Именно данный вид диаграмм наиболее подходит для работы с линией тренда, а значит, и для применения метода аппроксимации в Excel.
2. График построен.

Существует ещё один вариант её добавления. В дополнительной группе вкладок на ленте «Работа с диаграммами» перемещаемся во вкладку «Макет». Далее в блоке инструментов «Анализ» щелкаем по кнопке «Линия тренда». Открывается список. Так как нам нужно применить линейную аппроксимацию, то из представленных позиций выбираем «Линейное приближение».
Если же вы выбрали все-таки первый вариант действий с добавлением через контекстное меню, то откроется окно формата.

В блоке параметров «Построение линии тренда (аппроксимация и сглаживание)» устанавливаем переключатель в позицию «Линейная».
При желании можно установить галочку около позиции «Показывать уравнение на диаграмме». После этого на диаграмме будет отображаться уравнение сглаживающей функции.

Также в нашем случае для сравнения различных вариантов аппроксимации важно установить галочку около пункта «Поместить на диаграмму величину достоверной аппроксимации (R^2)». Данный показатель может варьироваться от 0 до 1. Чем он выше, тем аппроксимация качественнее (достовернее). Считается, что при величине данного показателя 0,85 и выше сглаживание можно считать достоверным, а если показатель ниже, то – нет.

После того, как провели все вышеуказанные настройки. Жмем на кнопку «Закрыть», размещенную в нижней части окна.

Сглаживание, которое используется в данном случае, описывается следующей формулой:

В конкретно нашем случае формула принимает такой вид:

Величина достоверности аппроксимации у нас равна 0,9418, что является довольно приемлемым итогом, характеризующим сглаживание, как достоверное.

Способ 2: экспоненциальная аппроксимация

Теперь давайте рассмотрим экспоненциальный тип аппроксимации в Эксель.

1. Для того, чтобы изменить тип линии тренда, выделяем её кликом правой кнопки мыши и в раскрывшемся меню выбираем пункт «Формат линии тренда…».
2. После этого запускается уже знакомое нам окно формата. В блоке выбора типа аппроксимации устанавливаем переключатель в положение «Экспоненциальная». Остальные настройки оставим такими же, как и в первом случае. Щелкаем по кнопке «Закрыть».
3. После этого линия тренда будет построена на графике. Как видим, при использовании данного метода она имеет несколько изогнутую форму. При этом уровень достоверности равен 0,9592, что выше, чем при использовании линейной аппроксимации. Экспоненциальный метод лучше всего использовать в том случае, когда сначала значения быстро изменяются, а потом принимают сбалансированную форму.

Общий вид функции сглаживания при этом такой:

где e – это основание натурального логарифма.

В конкретно нашем случае формула приняла следующую форму:

Способ 3: логарифмическое сглаживание

Теперь настала очередь рассмотреть метод логарифмической аппроксимации.

1. Тем же способом, что и в предыдущий раз через контекстное меню запускаем окно формата линии тренда. Устанавливаем переключатель в позицию «Логарифмическая» и жмем на кнопку «Закрыть».
2. Происходит процедура построения линии тренда с логарифмической аппроксимацией. Как и в предыдущем случае, такой вариант лучше использовать тогда, когда изначально данные быстро изменяются, а потом принимают сбалансированный вид. Как видим, уровень достоверности равен 0,946. Это выше, чем при использовании линейного метода, но ниже, чем качество линии тренда при экспоненциальном сглаживании.

В общем виде формула сглаживания выглядит так:

где ln – это величина натурального логарифма. Отсюда и наименование метода.

В нашем случае формула принимает следующий вид:

Способ 4: полиномиальное сглаживание

Настал черед рассмотреть метод полиномиального сглаживания.

1. Переходим в окно формата линии тренда, как уже делали не раз. В блоке «Построение линии тренда» устанавливаем переключатель в позицию «Полиномиальная». Справа от данного пункта расположено поле «Степень». При выборе значения «Полиномиальная» оно становится активным. Здесь можно указать любое степенное значение от 2 (установлено по умолчанию) до 6. Данный показатель определяет число максимумов и минимумов функции. При установке полинома второй степени описывается только один максимум, а при установке полинома шестой степени может быть описано до пяти максимумов. Для начала оставим настройки по умолчанию, то есть, укажем вторую степень. Остальные настройки оставляем такими же, какими мы выставляли их в предыдущих способах. Жмем на кнопку «Закрыть».
2. Линия тренда с использованием данного метода построена. Как видим, она ещё более изогнута, чем при использовании экспоненциальной аппроксимации. Уровень достоверности выше, чем при любом из использованных ранее способов, и составляет 0,9724.

Данный метод наиболее успешно можно применять в том случае, если данные носят постоянно изменчивый характер. Функция, описывающая данный вид сглаживания, выглядит таким образом:

В нашем случае формула приняла такой вид:

y=0,0015*x^2-1,7202*x+507,01

Теперь давайте изменим степень полиномов, чтобы увидеть, будет ли отличаться результат. Возвращаемся в окно формата. Тип аппроксимации оставляем полиномиальным, но напротив него в окне степени устанавливаем максимально возможное значение – 6.

Формула, которая описывает данный тип сглаживания, приняла следующий вид:

Способ 5: степенное сглаживание

В завершении рассмотрим метод степенной аппроксимации в Excel.

1. Перемещаемся в окно «Формат линии тренда». Устанавливаем переключатель вида сглаживания в позицию «Степенная». Показ уравнения и уровня достоверности, как всегда, оставляем включенными. Жмем на кнопку «Закрыть».
2. Программа формирует линию тренда. Как видим, в нашем случае она представляет собой линию с небольшим изгибом. Уровень достоверности равен 0,9618, что является довольно высоким показателем. Из всех вышеописанных способов уровень достоверности был выше только при использовании полиномиального метода.

Данный способ эффективно используется в случаях интенсивного изменения данных функции. Важно учесть, что этот вариант применим только при условии, что функция и аргумент не принимают отрицательных или нулевых значений.

Общая формула, описывающая данный метод имеет такой вид:

В конкретно нашем случае она выглядит так:

Как видим, при использовании конкретных данных, которые мы применяли для примера, наибольший уровень достоверности показал метод полиномиальной аппроксимации с полиномом в шестой степени (0,9844), наименьший уровень достоверности у линейного метода (0,9418). Но это совсем не значит, что такая же тенденция будет при использовании других примеров. Нет, уровень эффективности у приведенных выше методов может значительно отличаться, в зависимости от конкретного вида функции, для которой будет строиться линия тренда. Поэтому, если для этой функции выбранный метод наиболее эффективен, то это совсем не означает, что он также будет оптимальным и в другой ситуации.

Если вы пока не можете сразу определить, основываясь на вышеприведенных рекомендациях, какой вид аппроксимации подойдет конкретно в вашем случае, то есть смысл попробовать все методы. После построения линии тренда и просмотра её уровня достоверности можно будет выбрать оптимальный вариант.

Источник