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我在通过 Scipy 和 Numpy 将我的 MATLAB 代码转换为 Python 时遇到了一些问题。我坚持如何为我的 ODE 系统找到最佳参数值(k0 和 k1)以适合我的十个观察数据点。我目前对 k0 和 k1 有一个初步猜测。在 MATLAB 中,我可以使用称为“fminsearch”的函数,它是一个函数,它采用 ODE 系统、观察到的数据点和 ODE 系统的初始值。然后它将计算一对新的参数 k0 和 k1,以适应观察到的数据。我已经包含了我的代码,看看您是否可以帮助我实现某种“fminsearch”来找到适合我的数据的最佳参数值 k0 和 k1。我想将执行此操作的任何代码添加到我的 lsqtest.py 文件中。
我有三个 .py 文件 - ode.py、lsq.py 和 lsqtest.py
代码.py:
def f(y, t, k):
return (-k[0]*y[0],
k[0]*y[0]-k[1]*y[1],
k[1]*y[1])
lsq.py:
import pylab as py
import numpy as np
from scipy import integrate
from scipy import optimize
import ode
def lsq(teta,y0,data):
#INPUT teta, the unknowns k0,k1
# data, observed
# y0 initial values needed by the ODE
#OUTPUT lsq value
t = np.linspace(0,9,10)
y_obs = data #data points
k = [0,0]
k[0] = teta[0]
k[1] = teta[1]
#call the ODE solver to get the states:
r = integrate.odeint(ode.f,y0,t,args=(k,))
#the ODE system in ode.py
#at each row (time point), y_cal has
#the values of the components [A,B,C]
y_cal = r[:,1] #separate the measured B
#compute the expression to be minimized:
return sum((y_obs-y_cal)**2)
lsqtest.py:
import pylab as py
import numpy as np
from scipy import integrate
from scipy import optimize
import lsq
if __name__ == '__main__':
teta = [0.2,0.3] #guess for parameter values k0 and k1
y0 = [1,0,0] #initial conditions for system
y = [0.000,0.416,0.489,0.595,0.506,0.493,0.458,0.394,0.335,0.309] #observed data points
data = y
resid = lsq.lsq(teta,y0,data)
print resid
最佳答案
对于这些类型的装配任务,您可以使用包 lmfit
.适合的结果看起来像这样;如您所见,数据重现得很好:
目前,我固定了初始浓度,如果您愿意,您也可以将它们设置为变量(只需删除下面代码中的 vary=False
)。你得到的参数是:
[[Variables]]
x10: 5 (fixed)
x20: 0 (fixed)
x30: 0 (fixed)
k0: 0.12183301 +/- 0.005909 (4.85%) (init= 0.2)
k1: 0.77583946 +/- 0.026639 (3.43%) (init= 0.3)
[[Correlations]] (unreported correlations are < 0.100)
C(k0, k1) = 0.809
重现情节的代码如下所示(可以在内联注释中找到一些解释):
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.integrate import odeint
from lmfit import minimize, Parameters, Parameter, report_fit
from scipy.integrate import odeint
def f(y, t, paras):
"""
Your system of differential equations
"""
x1 = y[0]
x2 = y[1]
x3 = y[2]
try:
k0 = paras['k0'].value
k1 = paras['k1'].value
except KeyError:
k0, k1 = paras
# the model equations
f0 = -k0 * x1
f1 = k0 * x1 - k1 * x2
f2 = k1 * x2
return [f0, f1, f2]
def g(t, x0, paras):
"""
Solution to the ODE x'(t) = f(t,x,k) with initial condition x(0) = x0
"""
x = odeint(f, x0, t, args=(paras,))
return x
def residual(paras, t, data):
"""
compute the residual between actual data and fitted data
"""
x0 = paras['x10'].value, paras['x20'].value, paras['x30'].value
model = g(t, x0, paras)
# you only have data for one of your variables
x2_model = model[:, 1]
return (x2_model - data).ravel()
# initial conditions
x10 = 5.
x20 = 0
x30 = 0
y0 = [x10, x20, x30]
# measured data
t_measured = np.linspace(0, 9, 10)
x2_measured = np.array([0.000, 0.416, 0.489, 0.595, 0.506, 0.493, 0.458, 0.394, 0.335, 0.309])
plt.figure()
plt.scatter(t_measured, x2_measured, marker='o', color='b', label='measured data', s=75)
# set parameters including bounds; you can also fix parameters (use vary=False)
params = Parameters()
params.add('x10', value=x10, vary=False)
params.add('x20', value=x20, vary=False)
params.add('x30', value=x30, vary=False)
params.add('k0', value=0.2, min=0.0001, max=2.)
params.add('k1', value=0.3, min=0.0001, max=2.)
# fit model
result = minimize(residual, params, args=(t_measured, x2_measured), method='leastsq') # leastsq nelder
# check results of the fit
data_fitted = g(np.linspace(0., 9., 100), y0, result.params)
# plot fitted data
plt.plot(np.linspace(0., 9., 100), data_fitted[:, 1], '-', linewidth=2, color='red', label='fitted data')
plt.legend()
plt.xlim([0, max(t_measured)])
plt.ylim([0, 1.1 * max(data_fitted[:, 1])])
# display fitted statistics
report_fit(result)
plt.show()
如果您有其他变量的数据,您可以简单地更新函数 residual
。
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