Файл: Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 09.04.2024

Просмотров: 760

Скачиваний: 2

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

 

Нелинейные

модели

435

оказаться необходимым начинать

с различных значений

к(0),

чтобы исчерпать

необходимый интервал значений Ъ2.

 

Из линейного

анализа известно, что сумма квадратов отклоне­

ний для любой переменной, скорректированная по всем другим переменным, равна

Ь?

'L i i

где bt — коэффициент линейной регрессии, а сн — элемент глав­ ной диагонали матрицы с, обратной а. По различным начальным

наборам значений

коэффициента &( 0 ) и

(или) используя

значе­

ния к, полученные в процессе итераций, можно построить

график

зависимости

ASSb 2

от к и использовать уровень значимости, соот­

ветствующий

ASSfta, чтобы установить

доверительные

пределы

для X, как показано в следующем примере. Гальперин [20] распро­ странил метод Вильямса на более широкий класс регрессионных функций, нелинейных по нескольким параметрам. Он также пока­ зал, что метод Вильямса не дает точных доверительных областей для параметров, по которым модель линейна и которые не зависят от параметров нелинейности.

Пример 6.4.2. Доверительные пределы для параметра нелиней­ ной модели

Вильяме использовал следующие данные (xt — независимая переменная, Yt — усредненная зависимая переменная с четырьмя степенями свободы, подсчитанная по пяти значениям):

51,6

0,4

—4,2

19,5

53,4

1,4

—3,0

48,2

20,0

5,4

—4 8

95,9

для

подгонки модели т) = ß 0 +

ß^-**.

Начальная оценка для

X равнялась &( 0 ) = 0,165. Результаты

регрессионного анализа

были

таковы:

 

 

 

 

Первая итерация

 

Вторая итерация

 

Ь<і> = 65,276

 

6(f) =

65,262

 

Ь<І> = 0,0518

 

Ь<1>=—0,0269

 

£<І>_#О> = 0,0008

А(2> —АШ= —0,0004

 

FT(D = 0,166

 

/ с < 2 > =

0,166

 

 

 

Ь<2>=^-4,85

На этой

стадии анализ был прекращен.

Дополнительные значения b2 определялись для интервала

0,05 •< к{0)

=С 0,40 и строился график зависимости ASS для Ъ2 от к


436

Глава

6

 

i

_

(фиг. П.6.4.2). Сумма квадратов 2

(Уи — У;)2 для шести наборов

 

3 = 1

 

данных оказалась равной 1108,80. Следовательно, дисперсия,

обусловленная ошибкой

эксперимента, равнялась

s* =

1 1 0 2 8 4 ' 8 0 =46,20.

Сумма квадратов остатков ф при к — 0,166, деленная на число степеней свободы 3, дала s? = 24,66.

Допустим, что предполагается использовать і^-критерий, например для уровня значимости 0,01; тогда из табл. В.4 находим

 

 

 

Ф и г .

П.6.4.2. [19].

 

 

 

 

•^0,99

(1,24) =

7,28. Если положить

s%Js\

=

7,28,

можно

вычис­

лить

4 2 = 7,28-46,20 =

361,4

при

уровне

значимости 1% . Так

как

степень

свободы,

соответствующая

Ь 2

, равна

просто

1, то

4, =

ASSb 2 /l и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ASSb 2 =

4 2 =

361,4.

 

 

 

Точкам пересечения линии ASSb 2 = 361,4 с кривой зависимости ASSb 2 от к соответствуют значения к = 0,057 и к = 0,372. Эти значения представляют собой границы 99%-ного доверительного интервала. Они являются точными в том смысле, что любые зна­ чения вне этих пределов отвергаются с 1%-ным уровнем значимо­ сти согласно точному критерию для соответствующих значений Ь 2 -

6.4.3. Метод Хартли — Букера

Хартли и Букер [21] предложили метод, отличный от метода наименьших квадратов, но позволяющий получить как оценки параметров, так и их доверительные пределы. Этот метод дает

оценки Ь, которые при довольно общих предположениях (деталь­ но с ними можно ознакомиться по работе [21]) обладают асимпто-


 

 

 

Нелинейные

 

модели

 

 

 

437

тически (при п ->

оо) 100%-ной

эффективностью. Рассмотрим

случай

п наборов

наблюдений

с

m

параметрами. Пусть

п == 6,

m = 3,

а модель имеет вид и = ß 0

+ ßte~^x.

Эти данные

можно

описать

системой

из

шести

нелинейных

 

уравнений:

 

 

Ун = ßo +

p V & »

I

группа

1, к =

2;

 

 

 

 

 

 

 

 

y 2 i =

ßo +

ß i ^

1

группа

2,

к =

2;

 

 

n 2 = ß o + ß i ^ 2

j

 

 

 

 

 

 

 

^3t =

ß o - b ß i ^ i

-i

группа

3,

к =

2.

 

 

^32 =

ßo +

ß i ^

J

 

Хотя эта система уравнений является переопределенной и тре­ бует статистического рассмотрения, можно было бы усреднить эти уравнения, чтобы получилось h систем по два уравнения в каждой

= 2) и чтобы h = m

=

3 (в данном

случае). Тогда

возникла

бы

полностью

определенная

система

нелинейных

уравнений,

в

которой

ß 7

является

состоятельной

оценкой ß 7 и

 

 

где

 

 

Yh

=

f ( h ,

ß),

 

 

(6.4.11)

 

 

 

 

 

к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i = l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

/ ( * , ß) = 4 - 2 / ( ^ b P)-

 

 

Например,

для группы

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уі —-^-

2

 

=

"2~ (^н H-^іг),

 

 

 

 

2

 

і=і

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р ) = - г 2

/ ( ^ ' Р ) =

 

 

 

 

 

 

 

 

і=1

= i f (ßo + Р ^ 1

 

+

ßo +

=

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= Po + у ßi (^2 *1 1 + ей *1 2 ) •

 

Решение нелинейного уравнения (6.4.11) для ß,

вероятно,

можно найти

методом

Ньютона — Рафсона, одним

из

методов

поиска или одним из методов оптимизации, описанных в литера­

туре, указанной в конце этой главы.


438

 

Глава 6

 

 

 

 

После

того как из

уравнения

(6.4.11) получены

значения

элементов

ß, они используются

в

качестве

исходных

значе­

ний для

выполнения одного цикла

итерации методом

Гаусса—

Зайделя.

Хартли и Букер показали,

что после окончания

первой

итерации

получаются

оценки

ß*

параметров

ß, обладающие

асимптотически 100%-ной эффективностью. Если регрессионные уравнения линейны, оценка ß* совпадает с оценкой Ь, полученной стандартным методом наименьших квадратов.

Хартли и Букер показали, как, основываясь на значениях У Л , получить доверительные интервалы для каждой из m функций

/ (/г, ß),

если

экспериментальные

значения х

повторяются для

каждой

из к

проб в /г-й группе

данных.

 

 

6.5.

П Р Е О Б Р А З О В А Н И Е К

Л И Н Е Й Н О Й

Ф О Р М Е

Некоторые классы нелинейных моделей можно легко преобра­ зовать к линейной форме, а линейную модель рассматривать мето­ дами линейного анализа. Например, логарифмируя обе части соотношения

получаем

модель

т] =

ß 0 « i ^ ,

 

(6.5.1)

 

 

 

 

 

 

In т] = In ß 0 +

ßi In xi +

ß 2 lu « 2 ,

(6.5.2)

линейную

по коэффициентам. Заметим,

однако, что минимизация

n

 

 

 

 

n

 

2 (In Yi

— In T]J)2

не эквивалентна

минимизации 2

(УІ — 'Чг)2-

і = і

 

 

 

 

t = l

 

Если существует

линеаризующее

преобразование КТ, которое

переводит нелинейную модель в линейную форму, то для того,

чтобы оценки Ьх, . . ., Ът соответствующих параметров

модели

ßn • • ч ßm> полученные методом наименьших квадратов

из пре­

образованного уравнения регрессии, обладали оптимальными свой­ ствами (т. е. несмещенностью, минимальной дисперсией и т. п.), необходимо, чтобы предположение об аддитивной ненаблюдаемой случайной ошибке было справедливым для преобразованной моде­ ли, а не для первоначальной модели. Итак, для преобразованной

модели и для некоторого наблюдения Yt,

соответствующего

набору независимых

переменных хг-, предполагается,

что

& (Yt) = J - ^ i

(ХІ, . . ., xq; ß t , . . ., ß j ]

+ e„

(6.5.3)

где случайная величина ег распределена независимо со средним значением, равным нулю, и постоянной дисперсией. Например, для выражения (6.5.1)

In Yi = In ß 0 + ßi In Xu + ß 2 In xzi + 8 j , i = 1, 2, . . ., n. (6.5.4)


Нелинейные

модели

439

Влияние аддитивной ошибки в выражении (6.5.3) на непреобразованную модель можно установить, только исследуя каяэдую конкретную модель. При обычных предположениях, описанных в разд. 4.2, линейный анализ дает наилучшие линейные несме­ щенные оценки параметров ß t , . . ., ß m выражения (6.5.4). Однако процедура оценивания приводит к наилучшей линейной несмещен­ ной оценке, например In ß 0 , а не самого параметра ß 0 . Аддитивная ошибка в выражении (6.5.4) соответствует мультипликативной ошибке в непреобразованной нелинейной модели (6.5.1):

Yt

= ßo4l4? • • • х%ф(, i =

1, 2, . . .,

n,

(6.5.5)

где <*>j = eZi

— некоторая положительная

ошибка.

Для

обычных

критериев проверки и доверительных интервалов требуется, чтобы величина фі имела логарифмическое распределение. Можно счи­ тать, что логарифмическое преобразование и последующий анализ методом наименьших квадратов обоснованы, если ошибка фі про­ порциональна Y, а не является постоянной величиной, не завися­ щей от значения Y. Например, линейка имеет постоянную ошибку, независимую от величины измеряемого расстояния; в то же время многие переменные процесса измеряются приборами, ошибка

которых

пропорциональна

значению

переменной.

В

качестве другого примера

возьмем модель

 

 

 

x = ß^fW,

 

 

в которой Y является зависимой случайной переменной, изве­

стной

при фиксированных

значениях

х. Так как

In х = In ßj -f-

+ ß 2 ^ ,

то

IrtZj

In ß t

 

 

 

Yv

 

 

 

2

ьѵ

 

ж линейный регрессионный

анализ дает наилучшие

оценки новых

параметров:

 

 

 

 

 

 

R

i / 1

\ 1 / ß

2

 

Приближенные доверительные пределы для старых параметров можно рассчитать из соответствующих пределов для новых пара­ метров.

Еще одним примером может служить замена нелинейного урав­ нения для скорости реакции типа Хоугена — Ватсона — Лангмюра — Хиншелвуда, как, например,