曲线上有额外约束的R-多项式回归

我知道如何在R中进行基本多项式回归。但是，我只能使用

nls

或

lm

来拟合一条线，以最小化点的误差

这在大多数情况下都有效，但有时当数据中存在测量间隙时，该模型变得非常不直观。有没有办法添加额外的约束

可复制示例：

我想将模型拟合到以下合成数据（类似于我的真实数据）：

---

x样条函数类型将与您的数据完美匹配（但不用于预测目的）。样条曲线广泛应用于CAD领域，有时在数学上只适合数据点，与回归相比可能缺乏物理意义。更多信息和一个伟大的背景介绍

示例（样条曲线）
将向您展示许多奇特的示例，实际上我使用了其中的一个

此外，更合理的做法是采样更多的数据点，然后通过
lm
或
nls
回归进行拟合预测

示例代码：

library(splines)

x <- c(0, 6, 21, 41, 49, 63, 166)
y <- c(3.3, 4.2, 4.4, 3.6, 4.1, 6.7, 9.8)

s1 <- splinefun(x, y, method = "monoH.FC")

plot(x, y)
curve(s1(x), add = TRUE, col = "red", n = 1001)

我会按照eipi10的建议进行局部回归。然而，如果你想要多项式回归，你可以尝试最小化惩罚平方和

下面是一个函数因偏离直线“太多”而受到惩罚的示例：

library(ggplot2)
library(maxLik)
x <- c(0, 6, 21, 41, 49, 63, 166)/100
y <- c(3.3, 4.2, 4.4, 3.6, 4.1, 6.7, 9.8)
df <- data.frame(x, y)
points <- ggplot(df, aes(x,y)) + geom_point(size=4, col='red')

polyf <- function(par, x=df$x) {
   ## the polynomial function
   par[1]*x + par[2]*x^2 + par[3]*x^3 + par[4]*x^4 + par[5]
}
quarticP <- function(x) {
   polyf(par, x)
}
## a evenly distributed set of points, penalize deviations on these
grid <- seq(range(df$x)[1], range(df$x)[2], length=10)

objectiveF <- function(par, kappa=0) {
   ## Calculate penalized sum of squares: penalty for deviating from linear
   ## prediction
   PSS <- sum((df$y - polyf(par))^2) + kappa*(pred1 - polyf(par))^2 
   -PSS
}

## first compute linear model prediction
res1 <- lm(y~x, data=df)
pred1 <- predict(res1, newdata=data.frame(x=grid))
points <- points + geom_smooth(method='lm',formula=y~x)
print(points)

## non-penalized function
res <- maxBFGS(objectiveF, start=c(0,0,0,0,0))
par <- coef(res)
points <- points + stat_function(fun=quarticP, col="green")
print(points)

## penalty
res <- maxBFGS(objectiveF, start=c(0,0,0,0,0), kappa=0.5)
par <- coef(res)
points <- points + stat_function(fun=quarticP, col="yellow")
print(points)

库（ggplot2）
图书馆（maxLik）
Ott Toomets源对我不起作用，有一些错误。以下是更正的版本（不使用ggplot2）：

库（maxLik）
要将四次多项式拟合添加到绘图中，您还可以将其添加到绘图中
ggplot
code:
geom_平滑（method=“lm”，se=FALSE，formula=y~poly（x，4））
@eipi10感谢您的提示！它可能无法解决问题，但它使代码更清晰：）我确信有一种方法可以创建约束多项式拟合，但现在，另一种选择是使用局部回归。例如：
geom_smooth（color=“red”，se=FALSE，method=“leash”）
<当点数较少时，code>method
是默认方法，因此如果愿意，您可以删除
method
参数。谁知道这个间隙中发生了什么？！这是最好的四次多项式拟合，但是如果你想在多项式拟合和线性拟合之间找到一个令人满意的中间点，你可以添加几个额外的数据点-均匀间隔，线性插值-并使用
权重
参数来减少它们的影响。你可能应该用一个模型来建模所有数据（来自所有图形）（例如，一个GAM或GAMM）。如果你有一个基于数据背后的科学的模型，那就更好了。我不会用二次以上的多项式来建模数据（除非科学说它应该遵循这样一个多项式）.接受和+100。虽然我没有得到我想要的确切答案，但样条线解决方案是答案中所有解决方案中最有效的。
方法
参数特别有用
lm <- lm(formula = y ~ x + I(x^2) + I(x^3) + I(x^4))
quartic <- function(x)  lm$coefficients[5]*x^4 + lm$coefficients[4]*x^3 + lm$coefficients[3]*x^2 + lm$coefficients[2]*x + lm$coefficients[1]

points + stat_function(fun=quartic)

library(splines)

x <- c(0, 6, 21, 41, 49, 63, 166)
y <- c(3.3, 4.2, 4.4, 3.6, 4.1, 6.7, 9.8)

s1 <- splinefun(x, y, method = "monoH.FC")

plot(x, y)
curve(s1(x), add = TRUE, col = "red", n = 1001)

dat <- as.data.frame(cbind(x,y))
names(dat) <- c("x", "y")

# your lm 
# lm<-lm(formula = y ~ x + I(x^2) + I(x^3) + I(x^4))

# define loss function, you can change to others 
 min.OLS <- function(data, par) {
      with(data, sum((   par[1]     +
                         par[2] *  x + 
                         par[3] * (x^2) +
                         par[4] * (x^3) +
                         par[5] * (x^4) +   
                         - y )^2)
           )
 }

 # set upper & lower bound for your regression
 result.opt <- optim(par = c(0,0,0,0,0),
                min.OLS, 
                data = dat, 
                lower=c(3.6,-2,-2,-2,-2),
                upper=c(6,1,1,1,1),
                method="L-BFGS-B"
  )

 predict.yy <- function(data, par) {
               print(with(data, ((
                    par[1]     + 
                    par[2] *  x +
                    par[3] * (x^2) +
                    par[4] * (x^3) + 
                    par[5] * (x^4))))
                )
  }

  plot(x, y, main="LM with constrains")
  lines(x, predict.yy(dat, result.opt$par), col="red" )

library(ggplot2)
library(maxLik)
x <- c(0, 6, 21, 41, 49, 63, 166)/100
y <- c(3.3, 4.2, 4.4, 3.6, 4.1, 6.7, 9.8)
df <- data.frame(x, y)
points <- ggplot(df, aes(x,y)) + geom_point(size=4, col='red')

polyf <- function(par, x=df$x) {
   ## the polynomial function
   par[1]*x + par[2]*x^2 + par[3]*x^3 + par[4]*x^4 + par[5]
}
quarticP <- function(x) {
   polyf(par, x)
}
## a evenly distributed set of points, penalize deviations on these
grid <- seq(range(df$x)[1], range(df$x)[2], length=10)

objectiveF <- function(par, kappa=0) {
   ## Calculate penalized sum of squares: penalty for deviating from linear
   ## prediction
   PSS <- sum((df$y - polyf(par))^2) + kappa*(pred1 - polyf(par))^2 
   -PSS
}

## first compute linear model prediction
res1 <- lm(y~x, data=df)
pred1 <- predict(res1, newdata=data.frame(x=grid))
points <- points + geom_smooth(method='lm',formula=y~x)
print(points)

## non-penalized function
res <- maxBFGS(objectiveF, start=c(0,0,0,0,0))
par <- coef(res)
points <- points + stat_function(fun=quarticP, col="green")
print(points)

## penalty
res <- maxBFGS(objectiveF, start=c(0,0,0,0,0), kappa=0.5)
par <- coef(res)
points <- points + stat_function(fun=quarticP, col="yellow")
print(points)

library(maxLik)
x <- c(0, 6, 21, 41, 49, 63, 166)/100
y <- c(3.3, 4.2, 4.4, 3.6, 4.1, 6.7, 9.8)
df <- data.frame(x, y)

polyf <- function(par, x=df$x) {
  ## the polynomial function
  par[1]*x + par[2]*x^2 + par[3]*x^3 + par[4]*x^4 + par[5]
}
quarticP <- function(x) {
  polyf(par, x)
}
## a evenly distributed set of points, penalize deviations on these
grid <- seq(range(df$x)[1], range(df$x)[2], length=10)

objectiveF <- function(par, kappa=0) {
  ## Calculate penalized sum of squares: penalty for deviating from linear
  ## prediction
  PSS <- sum((df$y - polyf(par))^2) + kappa*(pred1 - polyf(par, x=grid))^2 
  -PSS
}

plot(x,y, ylim=c(0,10))

## first compute linear model prediction
res1 <- lm(y~x, data=df)
pred1 <- predict(res1, newdata=data.frame(x=grid))
coefs = coef(res1)
names(coefs) = NULL
constant = coefs[1]
xCoefficient = coefs[2]
par = c(xCoefficient,0,0,0,constant)

curve(quarticP, from=0, to=2, col="black", add=T)


## non-penalized function
res <- maxBFGS(objectiveF, start=c(0,0,0,0,0))
par <- coef(res)
curve(quarticP, from=0, to=2, col="red", add=T)

## penalty
res2 <- maxBFGS(objectiveF, start=c(0,0,0,0,0), kappa=0.5)
par <- coef(res2)
curve(quarticP, from=0, to=2, col="green", add=T)