用C#实现最小二乘法（用OxyPlot绘图）✨

小張发表于 2024-1-20 14:20:52

最小二乘法介绍✨

最小二乘法（Least Squares Method）是一种常见的数学优化技术，广泛应用于数据拟合、回归分析和参数估计等领域。其目标是通过最小化残差平方和来找到一组参数，使得模型预测值与观测值之间的差异最小化。
最小二乘法的原理✨

线性回归模型将因变量（y）与至少一个自变量（x）之间的关系建立为：

在 OLS 方法中，我们必须选择一个b1和b0的值，以便将 y 的实际值和拟合值之间的差值的平方和最小化。
平方和的公式如下：

我们可以把它看成是一个关于b1和b0的函数，分别对b1和b0求偏导，然后让偏导等于0，就可以得到最小平方和对应的b1和b0的值。
先说结果，斜率最后推导出来如下所示：

截距推导出来结果如下：

don't worry about that，慢慢推导总是可以弄明白的（不感兴趣可以直接略过）：

用C#实现最小二乘法✨

创建数据点✨

首先创建想要拟合的数据点：
NDArray? x, y;x,y为全局变量。
//使用NumSharp创建线性回归的数据集 x = np.arange(0, 10, 0.2); y = 2 * x + 3 + np.random.normal(0, 3, x.size);使用到了NumSharp，需要为项目添加NumSharp包：

x = np.arange(0, 10, 0.2);的意思是x从0增加到10（不包含10），步长为0.2：

np.random.normal(0, 3, x.size);的意思是生成了一个均值为0，标准差为3，数量与x数组长度相同的正态分布随机数数组。这个数组被用作线性回归数据的噪声。
使用OxyPlot画散点图✨

OxyPlot是一个用于在.NET应用程序中创建数据可视化图表的开源图表库。它提供了丰富的功能和灵活性，使开发者能够轻松地在其应用程序中集成各种类型的图表，包括折线图、柱状图、饼图等。

添加OxyPlot.WindowsForms包：

将PlotView控件添加到窗体设计器上：

// 初始化散点图数据 var scatterSeries = new ScatterSeries { MarkerType = MarkerType.Circle, MarkerSize = 5, MarkerFill = OxyColors.Blue };表示标志为圆形，标志用蓝色填充，标志的大小为5。
for (int i = 0; i < x.size; i++) { scatterSeries.Points.Add(new ScatterPoint(x, y)); }添加数据点。
PlotModel? plotModel;将plotModel设置为全局变量。
// 创建 PlotModel plotModel = new PlotModel() { Title = "散点图" }; plotModel.Series.Add(scatterSeries); // 将 PlotModel 设置到 PlotView plotView1.Model = plotModel;这样就成功绘制了散点图，效果如下所示：

使用最小二乘法拟合数据点✨

double a = 0; double c = 0; double x_mean = x?.mean(); double y_mean = y?.mean(); //计算a和c for(int i = 0; i < x?.size; i++) { a += (x - x_mean) * (y? - y_mean); c += (x - x_mean) * (x - x_mean); } //计算斜率和截距 double m = a / c; double b = y_mean - m * x_mean; //拟合的直线 var y2 = m * x + b;套用公式就可以，a表示上面斜率公式的上面那部分，c表示上面斜率公式的下面那部分。
double x_mean = x?.mean(); double y_mean = y?.mean();计算x与y的平均值。
使用OxyPlot画拟合出来的直线✨

//画这条直线 var lineSeries = new LineSeries { Points = { new DataPoint(x?, y2), new DataPoint(x?[-1], y2[-1]) }, Color = OxyColors.Red }; // 创建 PlotModel plotModel?.Series.Add(lineSeries); // 为图表添加标题 if (plotModel != null) { plotModel.Title = $"拟合的直线 y = {m:0.00}x + {b:0.00}"; } // 刷新 PlotView plotView1.InvalidatePlot(true); Points = { new DataPoint(x?, y2), new DataPoint(x?[-1], y2[-1]) },画直线只要添加两个点就好了x?, y2表示x和y的第一个点，x?[-1], y2[-1])表示x和y的最后一个点，使用了NumSharp的切片语法。
画出来的效果如下所示：

C#实现的全部代码：
using NumSharp; using OxyPlot.Series; using OxyPlot; namespace OlsRegressionDemoUsingWinform { public partial class Form1 : Form { NDArray? x, y; PlotModel? plotModel; public Form1() { InitializeComponent(); } private void button1_Click(object sender, EventArgs e) { //使用NumSharp创建线性回归的数据集 x = np.arange(0, 10, 0.2); y = 2 * x + 3 + np.random.normal(0, 3, x.size); // 初始化散点图数据 var scatterSeries = new ScatterSeries { MarkerType = MarkerType.Circle, MarkerSize = 5, MarkerFill = OxyColors.Blue }; for (int i = 0; i < x.size; i++) { scatterSeries.Points.Add(new ScatterPoint(x, y)); } // 创建 PlotModel plotModel = new PlotModel() { Title = "散点图" }; plotModel.Series.Add(scatterSeries); // 将 PlotModel 设置到 PlotView plotView1.Model = plotModel; } private void button2_Click(object sender, EventArgs e) { double a = 0; double c = 0; double x_mean = x?.mean(); double y_mean = y?.mean(); //计算a和c for(int i = 0; i < x?.size; i++) { a += (x - x_mean) * (y? - y_mean); c += (x - x_mean) * (x - x_mean); } //计算斜率和截距 double m = a / c; double b = y_mean - m * x_mean; //拟合的直线 var y2 = m * x + b; //画这条直线 var lineSeries = new LineSeries { Points = { new DataPoint(x?, y2), new DataPoint(x?[-1], y2[-1]) }, Color = OxyColors.Red }; // 创建 PlotModel plotModel?.Series.Add(lineSeries); // 为图表添加标题 if (plotModel != null) { plotModel.Title = $"拟合的直线 y = {m:0.00}x + {b:0.00}"; } // 刷新 PlotView plotView1.InvalidatePlot(true); } } }用Python实现最小二乘法✨

import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt # 用最小二乘法拟合 y = mx + b # 设置随机数种子以保证结果的可复现性 np.random.seed(0) # 生成一个在区间内均匀分布的100个数作为x x = np.linspace(0, 10, 100) # 生成y，y = 2x + 噪声，其中噪声是): a += (x - x_mean) * (y - y_mean) c += (x - x_mean) ** 2 # 计算斜率和截距 m = a / c b = y_mean - m * x_mean # 画这条直线 y2 = m * x + b plt.plot(x, y2, color='red') # 画数据点 plt.scatter(x, y) plt.xlabel('x') plt.ylabel('y') plt.title(f'y = {m:.2f}x + {b:.2f}') plt.show()运行效果如下所示：

总结✨

本文向大家介绍了最小二乘法以及公式推导的过程，并使用C#与Python进行实现。重点介绍了C#中是如何实现的，同时介绍了在C#中如何使用OxyPlot绘图。希望对你有所帮助。
参考✨

1、Understanding Ordinary Least Squares (OLS) Regression | Built In
2、Machine Learning Series-Linear Regression Ordinary Least Square Method - YouTube

来源:https://www.cnblogs.com/mingupupu/p/17976196
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