双曲线拟合就是对双变量实测数据分别取对数来拟合曲线,并用拟合的曲线方程来分析两变量之间的关系。拟合方法常用最小二乘法或目测法。
双曲线方程的一般形式为
lgY=a+blgX,(b<0) (1)
或 Y=a′Xb。(2)
式(2)是曲线方程,式(1)是式(2)用对数形式表示,即曲线的直线化。医学上常用的形状有下列四型,见图1。在X轴和Y轴方面均有渐近线,平行线条表示曲线与其渐近线的距离。各条曲线下均有一个方程形式,供拟合时参照。方程中的K是由拟合曲线时经尝试得到的。双曲线拟合的应用与指数曲线相似,但双曲线适用于弯曲程度更大的资料。图1所示Ⅱ型双曲线常用于肌肉和神经生理方面的强度间期等曲线的拟合。
Ⅰ. lgY =a+b lg(K-X)
Ⅱ. lg Y=a+blgX
Ⅲ. lg(K1-Y)=a+blg(K2-X)
Ⅳ. lg(K-Y)=a+blgX
图1 四型双曲线
最小二乘法 步骤如下:
(1)将资料在方格坐标纸上绘散点图,如图2黑点,从图1选出与观察点趋势相似的方程形式。
(2)直线化。按方程的形式所示,将资料在双对数纸上绘散点图。若点子不呈直线趋势,可对X或Y加(或减)某数K,再绘散点图,给定不同K值,如此反复尝试,直到点子呈直线趋势为止。
(3)求方程。将资料按选定的方程形式及直线化时求得的K值,将X、Y作相应变换;再用变换值按最小二乘法求直线方程。
(4)求Y值。以适当的X值代入所得方程,得各Y值。
(5)作图。 以各(X,Ŷ)值作点,用曲线板将各点连成光滑的曲线。若曲线与观察点很接近,表示拟合得好。必要时可作拟合优度检验。
目测法 若按资料性质曲线必须通过某定点,或直线化时少数点子偏离直线,可用目测法拟合曲线。即在上述第(2)步的基础上,作一目测直线,然后在直线上任选两个距离较远而又便于读数的点(X1,Y1),(X2,Y2),将数值代入式(3):
化简后得直线方程。
例1 二酰肼生成率(%)Y受压力(mmHg)X的影响,测定结果见表1第(1)、(3)栏,试拟合双对数曲线。
表1 拟合双对数曲线(最小二乘法)
X | lgX | Y | Y+10 | lg(Y+10) | Ŷ |
15 | 1.1761 | 48.0 | 58.0 | 1.7634 | 48.8 |
绘散点图,见图2观察点,呈图1 Ⅱ型双曲线形状,其方程形式为
图2 表1数据拟合双对数曲线
在双对数纸上尝试,得X与(Y+10)呈良好的直线趋势。见图3黑点。
图3 图2观察点的直线化
按表1第(2)、(5)栏各对x=lg X及y=lg(Y+10)值,用最小二乘法求直线回归方程。
将X=15,30,50,100,300,760分别代入所得方程,得各Ŷ值,见表1第(6)栏,将各(X, Ŷ)绘点,连成曲线,即图2的曲线。例2 在蜱的调查中,发现全沟蜱占总蜱数之比 (%)X与全沟蜱体内分离出森林脑炎病毒的带毒率 (%) Y之间有密切关系。16个调查点的记录见表2第(1)、(3)栏。试拟合双曲线。
表2 拟合双曲线(目测法)
X | 100-X | Y | Y+0.2 |
9.4 | 90.6 | 0.0 | 0.2 |
绘散点图,见图4中黑点,呈图1 Ⅰ型双曲线趋势,方程形式为
lgY=a+blg(K-X)。
在双对数纸上尝试lg(K-X)与lgY的直线性。按资料性质,宜取K=100%。又Y为0,不便取对数,经尝试以Y+0.2为宜。见图5,16个观察点大体上呈直线趋势。此资料理论上应通过(0,0)点,且Y=0时,相应的四个X值变动颇大,故宜用目测法,在图5上作一目测直线,并令其通过(100.0,0.2)点,在线上读两点: (100.0,0.2)和(2.0,20.0),代入式(3):
化简得 lg(Ŷ+0.2)=1.6554-1.1772lg(100-X)。
将以下各X值代入此方程,求得相应的Ŷ值如下,并作曲线,
图4 表2数据拟合双曲线
见图4曲线。
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图5 图4观察点的直线化