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多项式模型的实用性

在以下两种情况下,您可能需要选择多项式模型:

您的科学模型由多项式方程描述。这种情况在生物学中很少见。很少有化学或药理学模型由多项式方程描述。

您没有现成的科学模型,但希望拟合一条曲线来插值未知数值。在此情况下,您通常不太关注模型的细节,而只关注找到一个能贴近数据点的模型。多项式模型通常能很好地满足这一需求

选择哪种多项式模型?

多项式模型的次数表示其包含的项数。Prism 支持最高六次方程(且输入更高次方程会更便捷)。次数越高,拐点就越多。

选择最佳多项式模型通常采用试错法。如果曲线未能贴合数据趋势,请选择更高阶的方程;如果曲线波动过于剧烈,请选择更低阶的方程。

多项式模型有何特殊之处?

对数学家而言,多项式模型具有特殊性。严格来说,多项式模型并非“非线性”。尽管 X 与 Y 的关系图通常呈曲线状(除少数特殊情况外),但 Y 对参数的导数却是线性的。

由于多项式模型并非非线性,因此(虽然 Prism 不支持)理论上可以无需调整初始值即可拟合多项式模型。而且拟合过程可以一步完成,而非像非线性模型那样采用迭代方法。

由于Prism将多项式模型与非线性模型同等对待,因此它确实需要初始值(它会自动为每个参数选择1.0)。使用什么值并不重要 - 多项式回归不会遇到假极小值

为何应选择中心化多项式方程?

多项式拟合存在两个问题,通常可通过中心化来解决:

当 X 值较大且远高于零时(例如,当 X 表示日历年),将这些极大的 X 值提升到高次幂可能会导致数学错误。

即使 X 值不大,模型参数之间也存在相互关联,因此具有较高的协方差和依赖度。这会导致标准误差较大、置信区间较宽,以及置信带或预测带非常宽。  

这两个问题均可通过使用中心化多项式模型来解决。中心化的原理很简单:从每个 X 值中减去所有 X 值的均值,并在模型中使用这些差值代替 X。

拟合中心化模型将得到完全相同的曲线(除非常规方法导致了数学错误)。 因此,平方和R²值保持不变,模型比较结果也相同。然而,各参数的含义不同,因此具有不同的最佳拟合值(除第一个参数外均相同)、不同的标准误差和置信区间,且协方差和依赖度更小,置信带更窄。

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