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ある物理量 y がある物理量 x の関数で
y=ax+b
と表されるとする.例えば x の値を決めて y の値を測定する作業を n 回繰り返し,表のように n 個の x と y の対が得られたとする.
この x と y の対を xy 座標上にプロットすると
となり,実験条件のバラツキや測定誤差などの要因で,プロットした点は直線上に乗らない.(本来なら y=ax+b の関係があるので,すべての点は直線上に乗るはずである.)
プロットした点と y=ax+b との y 軸方向の値の差 Δi は
Δi=yi−(axi+b)
となる. a , b の値によって Δi の値は変化する.すべての点で Δi の値を小さくする a , b の値が, x と y の関係を表す最も確からしい値だと考えることができる. a , b の値を決める方法として
の値を最小とする a , b を用いる方法がある.この方法のことを最小二乗法という.
a=σxyσ2x , b=ˉy−aˉx
ただし
ˉx=1nn∑i=1xi , ˉy=1nn∑i=1yi (参照:平均)
偏導関数を用いた計算 ⇒ ここ
Δ2 の最小となる a , b の値を平方完成を利用して求める.
Δ2=n∑i=1{yi−(axi+b)}2
=n∑i=1y2i−2an∑i=1xiyi−2bn∑i=1yi +a2n∑i=1x2i +2abn∑i=1xi +nb2
n∑i=1y2i=A , n∑i=1xiyi=B , n∑i=1yi=C , n∑i=1x2i=D , n∑i=1xi=E とおくと
=n(b+Ea−Cn)2 +1n(nD−E2)(a+CE−nBnD−E2)2 −1n(CE−nB)2nD−E2+A−1nC2
これより, Δ2 が最小になるのは
b+Ea−Cn=0 , a+CE−nBnD−E2=0
の時である.よって
a =−CE−nBnD−E2
=nB−CEnD−E2
=1n2{nn∑i=1xiyi−n∑i=1xin∑i=1yi}1n2{nn∑i=1x2i−(n∑i=1xi)2}
ここで
とおくと
=σxyσ2x ・・・・・・(4)
b =−Ea−Cn
=C−Ean
=1n(C−EnB−CEnD−E2)
=1nnCD−CE2−nBE+CE2nD−E2
=CD−BEnD−E2
=n∑i=1x2in∑i=1yi−n∑i=1xiyin∑i=1xinn∑i=1x2i−(n∑i=1xi)2
=ˉy−1nn∑i=1xiyi−ˉxˉy1nn∑i=1x2i−ˉx2ˉx
(2),(3)より
=ˉy−σxyσx2ˉx
(4)より
=ˉy−aˉx
以上をまとめると
a=σxyσ2x , b=ˉy−aˉx
とき Δ2 は最小となる.
最終更新日 2025年2月8日