最近在写一个荧光图像分析软件,需要自己拟合方程。一元回归线公式的算法参考了《Java数值方法》,拟合度R^2(绝对系数)是自己写的,欢迎讨论。计算结果和Excel完全一致。

总共三个文件:

DataPoint.java

/**

* A data point for interpolation and regression.

*/

public class DataPoint

{

/** the x value */  public float x;

/** the y value */  public float y;

/**

* Constructor.

* @param x the x value

* @param y the y value

*/

public DataPoint(float x, float y)

{

this.x = x;

this.y = y;

}

}

/**

* A least-squares regression line function.

*/

import java.util.*;

import java.math.BigDecimal;

public class RegressionLine

//implements Evaluatable

{

/** sum of x */     private double sumX;

/** sum of y */     private double sumY;

/** sum of x*x */   private double sumXX;

/** sum of x*y */   private double sumXY;

/** sum of y*y */   private double sumYY;

/** sum of yi-y */   private double sumDeltaY;

/** sum of sumDeltaY^2 */   private double sumDeltaY2;

/**误差 */

private double sse;

private double sst;

private double E;

private String[] xy ;

private ArrayList listX ;

private ArrayList listY ;

private int XMin,XMax,YMin,YMax;

/** line coefficient a0 */  private float a0;

/** line coefficient a1 */  private float a1;

/** number of data points */        private int     pn ;

/** true if coefficients valid */   private boolean coefsValid;

/**

* Constructor.

*/

public RegressionLine() {

XMax = 0;

YMax = 0;

pn = 0;

xy =new String[2];

listX = new ArrayList();

listY = new ArrayList();

}

/**

* Constructor.

* @param data the array of data points

*/

public RegressionLine(DataPoint data[])

{

pn = 0;

xy =new String[2];

listX = new ArrayList();

listY = new ArrayList();

for (int i = 0; i < data.length; ++i) {

addDataPoint(data[i]);

}

}

/**

* Return the current number of data points.

* @return the count

*/

public int getDataPointCount() { return pn; }

/**

* Return the coefficient a0.

* @return the value of a0

*/

public float getA0()

{

validateCoefficients();

return a0;

}

/**

* Return the coefficient a1.

* @return the value of a1

*/

public float getA1()

{

validateCoefficients();

return a1;

}

/**

* Return the sum of the x values.

* @return the sum

*/

public double getSumX() { return sumX; }

/**

* Return the sum of the y values.

* @return the sum

*/

public double getSumY() { return sumY; }

/**

* Return the sum of the x*x values.

* @return the sum

*/

public double getSumXX() { return sumXX; }

/**

* Return the sum of the x*y values.

* @return the sum

*/

public double getSumXY() { return sumXY; }

public double getSumYY() { return sumYY; }

public int getXMin() {

return XMin;

}

public int getXMax() {

return XMax;

}

public int getYMin() {

return YMin;

}

public int getYMax() {

return YMax;

}

/**

* Add a new data point: Update the sums.

* @param dataPoint the new data point

*/

public void addDataPoint(DataPoint dataPoint)

{

sumX  += dataPoint.x;

sumY  += dataPoint.y;

sumXX += dataPoint.x*dataPoint.x;

sumXY += dataPoint.x*dataPoint.y;

sumYY += dataPoint.y*dataPoint.y;

if(dataPoint.x > XMax){

XMax = (int)dataPoint.x;

}

if(dataPoint.y > YMax){

YMax = (int)dataPoint.y;

}

//把每个点的具体坐标存入ArrayList中,备用

xy[0] = (int)dataPoint.x+ "";

xy[1] = (int)dataPoint.y+ "";

if(dataPoint.x!=0 && dataPoint.y != 0){

System.out.print(xy[0]+",");

System.out.println(xy[1]);

try{

//System.out.println("n:"+n);

listX.add(pn,xy[0]);

listY.add(pn,xy[1]);

}

catch(Exception e){

e.printStackTrace();

}

/*

System.out.println("N:" + n);

System.out.println("ArrayList listX:"+ listX.get(n));

System.out.println("ArrayList listY:"+ listY.get(n));

*/

}

++pn;

coefsValid = false;

}

/**

* Return the value of the regression line function at x.

* (Implementation of Evaluatable.)

* @param x the value of x

* @return the value of the function at x

*/

public float at(int x)

{

if (pn < 2) return Float.NaN;

validateCoefficients();

return a0 + a1*x;

}

public float at(float x)

{

if (pn < 2) return Float.NaN;

validateCoefficients();

return a0 + a1*x;

}

/**

* Reset.

*/

public void reset()

{

pn = 0;

sumX = sumY = sumXX = sumXY = 0;

coefsValid = false;

}

/**

* Validate the coefficients.

* 计算方程系数 y=ax+b 中的a

*/

private void validateCoefficients()

{

if (coefsValid) return;

if (pn >= 2) {

float xBar = (float) sumX/pn;

float yBar = (float) sumY/pn;

a1 = (float) ((pn*sumXY - sumX*sumY)

/(pn*sumXX - sumX*sumX));

a0 = (float) (yBar - a1*xBar);

}

else {

a0 = a1 = Float.NaN;

}

coefsValid = true;

}

/**

* 返回误差

*/

public double getR(){

//遍历这个list并计算分母

for(int i = 0; i < pn -1; i++)    {

float Yi= (float)Integer.parseInt(listY.get(i).toString());

float Y = at(Integer.parseInt(listX.get(i).toString()));

float deltaY = Yi - Y;

float deltaY2 = deltaY*deltaY;

/*

System.out.println("Yi:" + Yi);

System.out.println("Y:" + Y);

System.out.println("deltaY:" + deltaY);

System.out.println("deltaY2:" + deltaY2);

*/

sumDeltaY2 += deltaY2;

//System.out.println("sumDeltaY2:" + sumDeltaY2);

}

sst = sumYY - (sumY*sumY)/pn;

//System.out.println("sst:" + sst);

E =1- sumDeltaY2/sst;

return round(E,4) ;

}

//用于实现精确的四舍五入

public double round(double v,int scale){

if(scale<0){

throw new IllegalArgumentException(

"The scale must be a positive integer or zero");

}

BigDecimal b = new BigDecimal(Double.toString(v));

BigDecimal one = new BigDecimal("1");

return b.divide(one,scale,BigDecimal.ROUND_HALF_UP).doubleValue();

}

public  float round(float v,int scale){

if(scale<0){

throw new IllegalArgumentException(

"The scale must be a positive integer or zero");

}

BigDecimal b = new BigDecimal(Double.toString(v));

BigDecimal one = new BigDecimal("1");

return b.divide(one,scale,BigDecimal.ROUND_HALF_UP).floatValue();

}

}

演示程序:

LinearRegression.java

/**

*

Linear Regression

*

* Demonstrate linear regression by constructing the regression line for a set

* of data points.

*

*

require DataPoint.java,RegressionLine.java

*

*

为了计算对于给定数据点的最小方差回线,需要计算SumX,SumY,SumXX,SumXY; (注:SumXX = Sum (X^2))

*

回归直线方程如下: f(x)=a1x+a0  

*

斜率和截距的计算公式如下:

*
n: 数据点个数

*

a1=(n(SumXY)-SumX*SumY)/(n*SumXX-(SumX)^2)

*
a0=(SumY - SumY * a1)/n

*
(也可表达为a0=averageY-a1*averageX)

*

*

画线的原理:两点成一直线,只要能确定两个点即可

*  第一点:(0,a0) 再随意取一个x1值代入方程,取得y1,连结(0,a0)和(x1,y1)两点即可。

* 为了让线穿过整个图,x1可以取横坐标的最大值Xmax,即两点为(0,a0),(Xmax,Y)。如果y=a1*Xmax+a0,y大于

* 纵坐标最大值Ymax,则不用这个点。改用y取最大值Ymax,算得此时x的值,使用(X,Ymax), 即两点为(0,a0),(X,Ymax)

*

*

拟合度计算:(即Excel中的R^2)

*

*R2 = 1 - E

*

误差E的计算:E = SSE/SST

*

SSE=sum((Yi-Y)^2) SST=sumYY - (sumY*sumY)/n;

*

*/

public class LinearRegression

{

private static final int MAX_POINTS = 10;

private double E;

/**

* Main program.

*

* @param args

*            the array of runtime arguments

*/

public static void main(String args[])

{

RegressionLine line = new RegressionLine();

line.addDataPoint(new DataPoint(20, 136));

line.addDataPoint(new DataPoint(40, 143));

line.addDataPoint(new DataPoint(60, 152));

line.addDataPoint(new DataPoint(80, 162));

line.addDataPoint(new DataPoint(100, 167));

printSums(line);

printLine(line);

}

/**

* Print the computed sums.

*

* @param line

*            the regression line

*/

private static void printSums(RegressionLine line)

{

System.out.println("\n数据点个数 n = " + line.getDataPointCount());

System.out.println("\nSum x  = " + line.getSumX());

System.out.println("Sum y  = " + line.getSumY());

System.out.println("Sum xx = " + line.getSumXX());

System.out.println("Sum xy = " + line.getSumXY());

System.out.println("Sum yy = " + line.getSumYY());

}

/**

* Print the regression line function.

*

* @param line

*            the regression line

*/

private static void printLine(RegressionLine line)

{

System.out.println("\n回归线公式:  y = " +

line.getA1() +

"x + " + line.getA0());

System.out.println("拟合度:     R^2 = " + line.getR());

}

}

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