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讀數有高有低,怎麼找出背後的趨勢?

把散落的觀測記錄放在一起,找一條整體最貼近它們的線。

通用演算法與數值計算

連續拍攝時,光點在畫面中的位置讀數不可能次次完美。你想知道它整體怎麼移動,而不是被某一次讀偏牽著走。先看七次示意記錄,再比較直線與彎曲的擬合。

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先猜一下

記錄有誤差時,好的擬合曲線必須穿過每一個點嗎?

查看答案與解釋

不必 — 最小平方法追求整體殘差平方和最小,不要求每個測量值都剛好落在曲線上。

再把體驗和科學連結起來

先選一類曲線

同一批記錄既能擬合直線,也能擬合彎曲的線。先選曲線家族,才有「最佳」的意思。

y = Σ cⱼ fⱼ(x)

量出每個豎直差值

每個點在同一個 x 位置,與曲線有垂直差。這些差有正有負,直接相加會互相抵消。

殘差 eᵢ = yᵢ − ŷᵢ

把平方和壓到最小

把每個差值平方再加起來。程式求出使它最小的係數,曲線不必穿過每個點。

SSE = Σeᵢ² → 最小

擬合好,不等於證明原因

相關係數只衡量線性關係。 r 接近零也可能有清楚的曲線規律;擬合與相關都不能自動證明因果。

r = Sxy / √(Sxx Syy)

把計算鏈展開

ŷᵢ = Σⱼ cⱼ fⱼ(xᵢ) SSE = Σᵢ(yᵢ − ŷᵢ)² Σⱼ[Σᵢ fₖ(xᵢ)fⱼ(xᵢ)]cⱼ = Σᵢ fₖ(xᵢ)yᵢ r = Sxy/√(Sxx Syy)

正規方程式對每個基底函數k各寫一行,聯立求係數。 Sxx、Syy為去均值平方和,Sxy為去均值乘積和;任一平方和為零時r未定義。

試一試

先在同一組記錄間比較直線和二次曲線;再把一個讀數改偏。切到「r=0的曲線」看看沒有線性相關是否真的等於沒有規律。

動手看一遍 →

符號不用背

x / y
橫座標視為準確,縱座標含測量誤差
eᵢ
第 i 個點到曲線的垂直殘差
SSE
殘差平方和
r
Pearson 線性相關係數;常數資料時未定義
cⱼ / fⱼ
待定係數 / 事先選定的基底函數

演算法、精確度與適用範圍

原書第4章,印刷頁35–46,重點(4.2)、(4.3)、(4.5)–(4.8)。普通示意記錄是人工構造的像素座標,不是真實天體運動測量。實驗0/1使用相同七點;實驗2採用印刷頁40的拋物線反例;實驗3採用例4.c的20個四位小數數據;實驗4採用例4.d的六點。所有模型假設x準確、對y作未加權垂直最小二乘,不處理x誤差或加權/穩健擬合。三正弦模型的x單位為度。採用QR解線性係數,與書中正規方程式為相同目標,避免直接求逆;不是將相關解釋為因果。 AA+未提供對應專用模組,使用原書例題與獨立最適性檢定。這裡不復存在全部歷史彗星/太陽黑子資料分析,也不推算未來天體位置。

我的理解檢查

為什麼要把殘差平方再相加?

避免正負誤差互相抵消 — 正負殘差直接求和可能為零,卻不代表偏差小。

線性相關係數 r = 0,能斷言完全沒有規律嗎?

不能 — 書中七個點的線性相關為零,卻精確落在一條拋物線上。

擬合結果很好,是否已經證明 x 導致了 y?

沒有 — 還需要物理機制、實驗設計等證據;數學相關不是因果證明。

最佳擬合只在選定的曲線家族與誤差定義中成立;殘差、相關性與因果要分開看。

Jean Meeus · Astronomical Algorithms, 2nd ed. · 第 4 章

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