Java - 最小二乗法！
Updated:
これまで、C++, Ruby, Fortran による「最小二乗法」のアルゴリズムを紹介しました。
今回は、同じアルゴリズムを Java で実現してみました。アルゴリズムについては、上記リンクの記事を参照してください。
0. 前提条件
- Linux Mint 13 Maya (64bit) での作業を想定。
- コンパイラ・ランタイムは、 Oracle Java 1.7.0_51 を想定。
- 最小二乗法についての説明は割愛。（「C++ - 最小二乗法！」を参照）
1. Java ソースコード作成
File: LeastSquaresMethod.java
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/**************************************
最小二乗法 ( LeastSquaresMethod.java )
**************************************/
/*
* 計算クラス
*/
class Calc {
// 定数定義
static final byte N = 7; // データ数
static final byte M = 5; // 予測曲線の次数
static final double X[] = {-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3}; // 測定データ x
static final double Y[] = { 5, -2, -3, -1, 1, 4, 5}; // 測定データ y
// 変数宣言
double s[] = new double[2 * M + 1];
double t[] = new double[M + 1];
double a[][] = new double[M + 1][M + 2];
// コンストラクタ
Calc() {
// s[] 初期化
for (int i = 0; i <= 2 * M; i++)
s[i] = 0;
// t[] 初期化
for (int i = 0; i <= M; i++)
t[i] = 0;
}
// 最小二乗法
void calcLeastSquaresMethod() {
try {
// s[], t[] 計算
calcST();
// a[][] に s[], t[] 代入
insST();
// 掃き出し
sweepOut();
} catch(Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
// s[], t[] 計算
private void calcST() {
for (int i = 0; i < N; i++) {
for (int j = 0; j <= 2 * M; j++)
s[j] += Math.pow(X[i], j);
for (int j = 0; j <= M; j++)
t[j] += Math.pow(X[i], j) * Y[i];
}
}
// a[][] に s[], t[] 代入
private void insST() {
for (int i = 0; i <= M; i++) {
for (int j = 0; j <= M; j++)
a[i][j] = s[i + j];
a[i][M + 1] = t[i];
}
}
// 掃き出し
private void sweepOut() {
for (int k = 0; k <= M; k++) {
double p = a[k][k];
for (int j = k; j <= M + 1; j++)
a[k][j] /= p;
for (int i = 0; i <= M; i++) {
if (i != k) {
double d = a[i][k];
for (int j = k; j <= M + 1; j++)
a[i][j] -= d * a[k][j];
}
}
}
}
// y 値計算＆結果出力
void display() {
try {
for (int k = 0; k <= M; k++)
System.out.printf("a%d = %10.6f\n", k, a[k][M + 1]);
System.out.println(" x y");
for (double px = -3; px <= 3; px += .5) {
double p = 0;
for (int k = 0; k <= M; k++)
p += a[k][M + 1] * Math.pow(px, k);
System.out.printf("%5.1f%5.1f\n", px, p);
}
} catch(Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
/*
* メイン
*/
class LeastSquaresMethod {
public static void main (String[] args) {
Calc obj = new Calc();
try {
// 最小二乗法計算
obj.calcLeastSquaresMethod();
// 結果出力
obj.display();
} catch(Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
2. Java ソースコードコンパイル
$ javac LeastSquaresMethod.java
何も出力されなければ成功。
3. 実行
実際に、実行してみる。
$ java LeastSquaresMethod
a0 = -1.259740
a1 = 2.100000
a2 = 0.424242
a3 = -0.083333
a4 = 0.030303
a5 = -0.016667
x y
-3.0 5.0
-2.5 0.3
-2.0 -2.1
-1.5 -2.9
-1.0 -2.8
-0.5 -2.2
0.0 -1.3
0.5 -0.1
1.0 1.2
1.5 2.6
2.0 3.9
2.5 4.9
3.0 5.0
C++ 版、Ruby 版、Fortran 版と同じ結果になるはず。
「昔取った杵柄」で Java でも実装してみた次第です。
以上。
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