评价拟合优度

用一个或多个模型拟合数据以后,应该评价拟合的优度,即拟合的好坏情况。评价拟合优度,第一个办法是将拟合曲线显示出来,从图上直接察看。此外,工具箱还用下面几种指标来评价拟合优度:[大谦MATLAB,dqmatlab点com]

残差

拟合优度统计量

置信和预测边界

可以将这些方法分为两类,即图形法和数值法。残差和预测边界属于图形法,拟合优度和置信边界属于数值法。

一般来讲,图形法比数值法更有效,因为使用图形可以马上察看整套数据,并且图形可以很容易地显示模型和数据之间的大量关系。数值法则集中于探察数据的某个方面,并试图用单个值来表示信息。在实际分析中,根据数据的情况和分析要求,这两种方法可能都要使用,以确定最好的拟合模型。

注意:可能存在没有拟合可以认为是最优的情况。此时,可能需要选择一种不同的模型。反过来,也可能存在所有判别方法都认为某个拟合最优的情况。但是,如果要提取的拟合系数具有物理意义,但模型没有反映出数据的物理特征,则得到的系数是没有意义的,拟合优度再高也没有用。此时,理解数据的意义和测量方法与评价拟合优度同等重要。

残差

拟合模型的残差定义为响应数据和预测值处拟合值的差,即

残差=实测数据-拟合值

在曲线拟合工具中显示残差,从“View”菜单中选择“Residuals”选项。

从数学上讲,指定预测值的残差是响应值y与预测响应值\(\hat{y}\)的差值,即

\[r=y-\hat{y}\]

假设拟合数据的模型正确,残差近似表示随机误差。所以,如果残差的随机性强,说明模型拟合数据的效果较好。但是,如果残差显示明显的系统特征,则说明模型的拟合效果差。

图1-6显示了1阶多项式拟合的残差。图中上面的图用相对于拟合线的竖直距离表示残差大小,下面的图为残差相对于拟合线(0线)的显示。

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图1-6 拟合线和残差图

残差在0线附近随机分布说明模型的拟合效果较好。

图1-7显示了2阶多项式拟合的残差。该模型只有2次项,没有线性项和常数项。

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图1-7 二阶多项式的拟合线和残差图

图1-7中残差在很大范围内为正,说明模型的拟合效果比较差。

拟合优度统计量

曲线拟合工具箱提供了下面这些统计量来评价参数模型的拟合优度:

误差平方和(SSE) 该统计量度量响应值与拟合值之间的总偏差,常又称为误差平方和并用SSE表示。

\[SSE=\sum_{i=1}^{n} {{w}_{i}}({y}_{i}-\hat{y}i{)}^{2}\]

误差平方和越接近0说明拟合越好。

R的平方 该统计量度量拟合在解释数据变异性方面是否成功。R的平方即响应数据与预测响应数据之间相关系数的平方。R的平方定义为回归平方和SSR与总平方和SST的比值。SSR定义为

\[SSR=\sum_{i=1}^{n} {{w}_{i}}(\hat{y}i-\overline{y}{)}^{2}\]

SST又称为均值平方和,定义为

\[SST=\sum_{i=1}^{n} {{w}_{i}}({y}_{i}-\overline{y}{)}^{2}\]

其中,SST=SSR+SSE。

根据这些定义,R的平方可以表示为

\[{R}^{2}=\frac{SSR}{SST}=1-\frac{SSE}{SST}\]

R的平方可以取0到1之间的所有值,值越接近1,拟合效果越好。例如,值为0.8234表示拟合可以解释数据关于均值的总变异性的82.34%。

在模型中增加拟合系数,R的平方会增大,但拟合效果可能没有改进。为了避免这种情况,应该使用基于自由度进行调整了的R的平方统计量。

注意:当方程没有常数项时,有时可能会得到一个负的R平方值。这是因为R的平方定义为拟合所解释的方差占总方差的比例,如果拟合效果比使用水平线拟合时还差,R的平方就是负值。此时,R的平方不能解释为相关系数的平方。

调整的R平方 该统计量使用上面的R平方统计量,并基于残差的自由度进行调整。残差的自由度等于响应值的个数n减去拟合系数的个数m,即

v=n-m

注意,如果参数有界,并且有一个或多个估计位于它们的边界上,则认为那些估计是固定的。自由度随参数个数增加。

给模型添加额外的系数时,调整的R平方统计量通常能最好地指示拟合质量。

\[调整的 {R}^{2}=1-\frac{SSE(n-1)}{SST(v)}\]

调整的R平方统计量可以可以是任何小于等于1的值,值越接近1表示拟合效果更好。

均方误差的根(RMSE) 该统计量又称为拟合标准误差和回归标准误差

\[RMSE=s=\sqrt{MSE}\]

其中,MSE为均方误差或残差的均方

\[MSE=\frac{SSE}{v}\]

RMSE的值接近0表示拟合效果很好。

置信和预测边界

使用曲线拟合工具箱,可以计算拟合系数的置信边界,以及新观测量或拟合函数的预测边界。另外,对于预测边界,可以联合边界,它将所有预测值考虑在内,或者可以计算非联合边界,它只考虑单独预测值。置信边界为数值型的,而预测边界用图形显示。

计算和显示置信边界 拟合系数的置信边界由下式给定

\[C=b\pm t\sqrt{S}\]

其中,b为拟合生成的系数,t为逆累加T分布函数,S为取自系数估计协方差矩阵的对角元素矢量,\(({X}^{T}X{)}^{-1}{s}^{2}\)。X为设计矩阵,XT为X的转置,s2为均方误差。

可以在命令行中用confint函数计算置信区间。

计算和显示预测边界 如前所述,可以计算新观测值或拟合曲线的预测边界。在这两种情况下,预测都基于已有的拟合。另外,边界可以是联合的,此时计算所有预测值的置信度;或者是非联合的,只计算单个预先确定的预测值的置信度。如果在预测一个新观测值,则非联合边界计算新观测值落在单个预测值区间内的置信度,联合边界计算新观测值落在所有预测值区间内的置信度。