[Python] 二维曲线拟合 ( 含有笔记、代码、注释 )

import numpy as np
import matplotlib as mpl
import matplotlib.pyplot as plt
from numpy import polyfit, poly1d 
%matplotlib inline
x = np.linspace(-5, 5, 100) # 产生[-5,5]的100个等间隔的数组
y = 4 * x + 1.5 # y是关于x的一次函数
noise_y = y + np.random.randn(y.shape[-1]) * 2.5 # y添加噪声后的函数值。
print(y.shape[-1]) # 100个元素

p = plt.plot(x, noise_y, 'rx') # 画红色叉叉就是rx，画红色叉叉虚线图就是rx--
p = plt.plot(x, y, 'b:') # 画蓝色点图，"b" 表示蓝色，":"表示点图。

coeff = polyfit(x, noise_y, 1)
print(coeff)

p = plt.plot(x, noise_y, 'rx')
p = plt.plot(x, coeff[0] * x + coeff[1], 'k-') # 画黑色实线图，"k" 表示实线，"-"表示实线。
p = plt.plot(x, y, 'b--') # 这里可看出拟合出一阶函数与原函数重合了，课通过注释该语句看出。

# 还可以用 poly1d 生成一个以传入的 coeff 为参数的多项式函数：
f = poly1d(coeff)
p = plt.plot(x, noise_y, 'rx') # 绘制红色叉叉散点图
p = plt.plot(x, f(x)) # 带入x点，画出f函数。

x = np.linspace(-np.pi,np.pi,100)
y = np.sin(x)
# 用一阶到九阶多项式拟合，类似泰勒展开：
y1 = poly1d(polyfit(x,y,1))
y3 = poly1d(polyfit(x,y,3))
y5 = poly1d(polyfit(x,y,5))
y7 = poly1d(polyfit(x,y,7))
y9 = poly1d(polyfit(x,y,9))
x = np.linspace(-3 * np.pi,3 * np.pi,100)
p = plt.plot(x, np.sin(x), 'k') # 黑色为原始的图形，
p = plt.plot(x, y1(x)) 
p = plt.plot(x, y3(x))
p = plt.plot(x, y5(x))
p = plt.plot(x, y7(x))
p = plt.plot(x, y9(x)) # 可以看到，随着多项式拟合的阶数的增加，曲线与拟合数据的吻合程度在逐渐增大。
a = plt.axis([-3 * np.pi, 3 * np.pi, -1.25, 1.25])

from scipy.linalg import lstsq
x = np.linspace(0,5,100)
y = 0.5 * x + np.random.randn(x.shape[-1]) * 0.35
plt.plot(x,y,'x') # 产生含有一定线性关系的散点图，含有噪音。

X = np.hstack((x[:,np.newaxis], np.ones((x.shape[-1],1)))) # 这里将x扩展成X了，这里N=2。
X[1:5]

C, resid, rank, s = lstsq(X, y)
p = plt.plot(x, y, 'rx')
p = plt.plot(x, C[0] * x + C[1], 'k--')
print("sum squared residual = {:.3f}".format(resid)) # 平方和残差
print("rank of the X matrix = {}".format(rank)) # 秩
print("singular values of X = {}".format(s)) # X的奇异值

from scipy.stats import linregress
slope, intercept, r_value, p_value, stderr = linregress(x, y)
slope, intercept

p = plt.plot(x, y, 'rx')
p = plt.plot(x, slope * x + intercept, 'k--') # 由图可以看出两者(线性回归、最小二乘)求解的结果是一致的，但是出发的角度是不同的。
print("R-value = {:.3f}".format(r_value)) 
print("p-value (probability there is no correlation) = {:.3e}".format(p_value))
print("Root mean squared error of the fit = {:.3f}".format(np.sqrt(stderr)))

from scipy.optimize import leastsq
def function(x, a , b, f, phi): # 定义非线性函数
    """a function of x with four parameters"""
    result = a * np.exp(-b * np.sin(f * x + phi))
    return result
x = np.linspace(0, 2 * np.pi, 50)
actual_parameters = [3, 2, 1.25, np.pi / 4] # 实际参数
y = function(x, *actual_parameters)
p = plt.plot(x,y) # 画出实际的x、y函数。

from scipy.stats import norm
y_noisy = y + 0.8 * norm.rvs(size=len(x)) # 加入噪声
p = plt.plot(x, y, 'k-')
p = plt.plot(x, y_noisy, 'rx')

# 定义误差函数，将要优化的参数放在前面：
def f_err(p, y, x):
    return y - function(x, *p) 
# 将这个函数作为参数传入 leastsq 函数，第二个参数为初始值：
c, ret_val = leastsq(f_err, [1, 1, 1, 1], args=(y_noisy, x))
print(c)
print(ret_val) # ret_val是 1~4 时，表示成功找到最小二乘解：
p = plt.plot(x, y_noisy, 'rx')
p = plt.plot(x, function(x, *c), 'k--')

# 更高级的做法：不需要定义误差函数，直接传入function作为参数。
from scipy.optimize import curve_fit