0

Необходим алгоритм регрессии (нахождения коэффициентов) для 4 или 5 параметровой логистической функции по методу наименьших квадратов. F(x) = D+(A-D)/((1+(x/C)^B)^E)

Даю уточнения. Алгоритм нужен для решения задачи поиска концентраций вещества. Некоторые био/химические реакции (в данном случае ELISA) очень хорошо описываются логистичеким уравнением. В ходе реакции образуется цвет, считываемый фотометром. Калибровочная кривая часто имеет сигмовидную форму что дает повод для использовании логистичесой функции аппроксимации. Пример кривой приведен ниже: Standart curve
(источник: elisaanalysis.com)

Таким образом, даны от 4 до 10 точек, с координатами х и у, по оси ординат это оптические поглощения (варьирует от 0 до 4 как правило) а по оси абсцисс - концентрация вещества - (калибровочные точки).

Необходимо : найти коэффициенты логистической фукции (формула выше), максивально приближенно проходящей через данные точки.

Допускается алгоритм Ньютона для коэф A и D но С, В и Е должны быть найдены по методу наименьших квадратов.

3
  • Линеаризация тут вряд ли найдется - остается только решать жуткую систему нелинейных уравнений...
    – Harry
    19 сен 2018 в 14:44
  • @Harry жуткая система у меня уже есть в готовом алгоритме (для нахождения коэф полинома или 3 степени). Я просто пытаюсь данное уравнение привести к полиному..
    – arif
    21 сен 2018 в 12:16
  • Вы еще учтите (почему-то даже в научных статьях это крайне редко учитывают), что линеаризация (да любое приведение к иному виду) добавляет весовые функции, так что найденные коэффициенты, строго говоря, не минимизируют именно сумму квадратов y_i-f(x_i)...
    – Harry
    21 сен 2018 в 12:42

1 ответ 1

2

В общем случае, задача решается поиском минимума 5-мерной функции, которая и будет суммой квадратов отклонений логистической функции от экспериментальных данных. Решаем методом Ньютона, благо функция "сумма квадратов отклонений" хорошо дифференцируется. Проблема состоит в том, что метод Ньютона, очень чувствителен к выбору начального приближения. Подбор начального приближения очень сильно зависит полноты экспериментальных данных, и степени покрытия ими различных характерных областей целевой функции. Существуют разные методы их подбора, вплоть до применения нейронных сетей.

В данном случае, я бы посоветовал сначала зафиксировать параметры B=1, E=1(единственные безразмерные параметры в нашей функции), и подгонять только A, C, D. Как найти начальное приближение для A, C, D? Это зависит от полноты экспериментальных данных.

Например:

1) Если у нас много данных, во всех частях кривой то можно оценить асимптотические значения f(x)?

A = lim{x->0}( f(x) )
D = lim{x->inf}( f(x) )
C = root{x}( f(x)==(A+D)/2 )
B = f'(C) *C/(A-D)
E = 1

где f(x) - функция аппроксимирующая экспериментальные данные, например, скользящее среднее. Для вычисления f'(C), построим линейную аппроксимацию по нескольким точкам в окрестности x=C.

Получив начальное приближение, A,B,C,D,E нужно обязательно уточнить его, (например, методом Ньютона), это позволит избавиться от ошибок связанных с оценкой пределов функции.

2) Если экспериментом хорошо описана область x->0 берем несколько точек в окрестности x=0, аппроксимируем обычным полиномом, получаем приближенные значения F(0), F'(0), F''(0). Из аналитического дифференцирования имеем:

 F(0)=D
 F'(0)=(A-D)*-1/C
 F''(0)=(A-D)*2/(C^2)

Решив эту систему уравнений получим начальные приближения для A,C,D. Дополним ее:

B=1 
E=1

И уточним Ньютоном...

3) Если хорошо описана область x->inf сделаем замену переменной y=1/x. Для функции G(y)=F(1/y), найдем найдем производные в окрестности y=0, далее решим для G(0), G'(0), G''(0) систему уравнений, и далее аналогично случаю (2).

4) Если оба конца, описаны плохо, но хорошо описана окрестность точки перегиба нашей функции (x=C), то в качестве начального С, выбираем точку экстремума функции x*f'(x).

 С = root{x}(  x*f'(x) == 0 ) 

Аппроксимируем полиномом несколько точек из окрестности x=C, и находим таким образом приближенные значения F(C), F'(C).

F(C) = (A+D)/2
F'(C) = (A-D)*(-1/4)/C

Откуда находим начальные приближения для A, D.

B = f'(C) *C/(A-D)
E = 1

И далее Ньютоном ..

3
  • Уважаемый Chorkov, спаибо за очень подробную раскладку. Посмотрите пожалуйста вопрос еще раз, я сделал дополнения. Интуитивно чувствую что необходимо логарифмирование для приведения к решению наименьших квадратов для трехчлена (полином 3 параметр, его алгоритм у меня есть), и далее по Ньютону находить A и D. Но нехватка математичеких знаний тормозит.. Помогите пожалуйста логарифмировать и привести в полиномальный вид это уравнение, буду очень признателен!
    – arif
    21 сен 2018 в 8:22
  • В полиномиальный вид это уравнение не приводится. Увы. Ваш набор точек, если он типичный, хорошо укладывается в случай (2): возьмите первые 4-6 точек и аппроксимируйте кубическим полиномом от x (без логирифмирования!). При подгонке Ньютоном, обязательно подгоняйте все 5 параметров разом. Способ "подогнать два оставшихся параметра" не пройдет. (Он даст на порядок менее точное решение, чем подгонка "всего сразу".)
    – Chorkov
    21 сен 2018 в 11:07
  • Ясно. Попробую как вы сказали
    – arif
    21 сен 2018 в 12:13

Ваш ответ

By clicking “Отправить ответ”, you agree to our terms of service and acknowledge that you have read and understand our privacy policy and code of conduct.

Всё ещё ищете ответ? Посмотрите другие вопросы с метками или задайте свой вопрос.