Производство по чертежам Подбор аналогов Цены производителя Оригинальная продукция в короткие сроки
Наши
каналы
MAX Telegram
INNER — производство и поставка промышленных комплектующих и оборудования
INNER
Контакты
Наши каналы:

Экстраполяция Калькулятор Онлайн | Линейная Формула | Методы Расчета

Экстраполяция онлайн
По двум-трём точкам, прогноз по ряду динамики с доверительным интервалом и экстраполяция Ричардсона — с графиком, ходом расчёта и формулами для Excel
Ход расчёта
Таблица
Как посчитать в Excel

Что такое экстраполяция простыми словами

Экстраполяция — это продолжение известной зависимости за пределы данных. Есть замеры за полгода — экстраполяция подсказывает, что будет в седьмом месяце. Есть справочная таблица до 40 °C — экстраполяция оценивает значение при 50 °C. Внутри данных недостающее значение находят интерполяцией, за их краем — экстраполяцией.

Определение экстраполяции в Словаре русского языка под редакцией А. П. Евгеньевой двойное. В общем смысле это «распространение выводов, полученных из наблюдения над одной частью явления, на другую часть его». В математике — «использование функциональной зависимости за пределами области, где она определена». В толковом словаре Ушакова сказано по-статистически: вычисление по нескольким членам ряда таких значений, которые лежат вне пределов этого ряда.

Что значит само слово, видно по его устройству: оно собрано по образцу «интерполяции», только вместо латинского inter — «между» стоит extra — «вне, снаружи». Корень восходит к polio — «выравниваю, приглаживаю». По смыслу близки слова «продолжение», «распространение», «перенос выводов», «пролонгация». В статистике экстраполяция данных чаще всего означает прогноз по тренду.

Не путайте. «Экстраполяции» (Extrapolations, 2023) — сериал Apple TV+ Скотта З. Бёрнса: восемь связанных историй о ближайшем будущем, где последствия изменения климата стали частью быта. Название по смыслу то же самое: сегодняшние тенденции, продолженные вперёд. А «экстирпация» — медицинский термин, полное удаление органа; с экстраполяцией её путают только по созвучию.

Интерполяция и экстраполяция: в чём разница

Интерполяция и экстраполяция пользуются одними формулами, но доверие к ним разное. Между известными точками функция «зажата» с двух сторон, и ошибка невелика. За краем данных её ничто не держит: кривая может загнуться, выйти на насыщение или смениться другим законом. Аппроксимация решает третью задачу — проводит кривую рядом с точками, сглаживая разброс измерений. Прогноз по тренду объединяет две последние: сначала аппроксимация по всем точкам, потом её продолжение вперёд.

Интерполяция: между точками
Экстраполяция: за краем данных
Аппроксимация: рядом с точками
ИнтерполяцияЭкстраполяцияАппроксимация
Где ищут значениеМежду известными точкамиЗа пределами точек — вперёд или назадГде угодно
Кривая и точкиПроходит через каждуюПродолжает кривую за крайПроходит рядом
Насколько надёжноВысокая точность при гладкой функцииПадает с удалением от данныхЗависит от разброса

Формула линейной экстраполяции

Через две известные точки (x1; y1) и (x2; y2) проводят прямую и продолжают её. Формула экстраполяции по прямой та же, что у интерполяции:

y = y1 + t · (y2 − y1),   t = (x − x1) / (x2 − x1)t — коэффициент экстраполяции: во сколько отрезков между точками отстоит искомый x от первой из них

Отличие одно — значение коэффициента экстраполяции. При t от 0 до 1 точка лежит между узлами, и это интерполяция. При t > 1 прямая продолжается вперёд, за вторую точку, при t < 0 — назад, перед первой.

Пример. Давление насыщенного водяного пара при 20 °C — 2,339 кПа, при 30 °C — 4,247 кПа. Нужно давление при 50 °C.

  1. Коэффициент: t = (50 − 20) / (30 − 20) = 3. Искомая точка на два отрезка дальше второй.
  2. Значение: y = 2,339 + 3 · (4,247 − 2,339) = 8,063 кПа.
  3. Сверка со справочником IAPWS: при 50 °C давление пара 12,35 кПа. Прямая ошиблась на 35 %.

Экстраполяция назад устроена так же. При 10 °C коэффициент t = −1, и прямая даёт 0,431 кПа вместо справочных 1,228 кПа. Давление пара растёт с температурой по крутой кривой, а прямая через две точки этого не знает.

Зато там, где закон действительно линейный, линейная экстраполяция работает отлично. Давление идеального газа в закрытом сосуде при нагреве от 0 до 100 °C растёт со 100 до 136,61 кПа. Продолжим прямую вниз до нулевого давления — обратная задача, ищем x по y: x = 0 + (0 − 100) · (100 − 0) / (136,61 − 100) ≈ −273,15 °C. Это абсолютный нуль температуры.

Прямая, экспонента или парабола: что продолжать

Через две точки можно провести не только прямую. Экспонента y = y1 · (y2 / y1)t означает, что на каждом таком же шаге величина умножается на одно и то же число. Через три точки проходит парабола — это уже полиномиальная экстраполяция второй степени. Возьмём давление пара при 20, 30 и 40 °C и продолжим его до 50 °C. Прямую и экспоненту, как и положено, ведём через две ближайшие точки — 30 и 40 °C:

ФормаПри 50 °C, кПаОшибка
Прямая по 30 и 40 °C10,52−14,8 %
Экспонента по 30 и 40 °C12,84+4,0 %
Парабола по 20, 30 и 40 °C11,75−4,8 %
Справочное значение IAPWS12,35—
12,8412,3511,7510,525101520304050p, кПаt, °Cза краем данныхпрямаяэкспонентапараболаIAPWS, эталон
Прямая и экспонента проведены через точки 30 и 40 °C, парабола — через все три. За краем данных кривые расходятся веером; кружком отмечено справочное значение

Разброс между формами — честная мера того, насколько ответ зависит от выбора кривой. Выбирают её по физике процесса, а не по красоте графика. Давление насыщенного пара растёт почти экспоненциально — так следует из уравнения Клапейрона — Клаузиуса, — поэтому экспонента здесь ближе всех. Небольшой перебор объясняется тем, что темп роста с температурой понемногу падает. Парабола занижает на 4,8 %, а прямая ошибается почти вчетверо сильнее экспоненты. Графическая экстраполяция — продлить кривую на графике по линейке или лекалу — даёт тот же результат, только на глаз.

Многочлен высокой степени для экстраполяции почти бесполезен: он послушно проходит через все точки, но за последней быстро уходит вверх или вниз. Для прогноза обычно хватает прямой, экспоненты или параболы.

Метод экстраполяции трендов в прогнозировании

Метод экстраполяции в прогнозировании опирается на инерцию: если причины, которые формировали ряд в прошлом, продолжают действовать, тенденцию можно продлить. Так прогнозируют износ, выработку, спрос на устойчивом рынке, тарифы. На переломах — смене технологии, правил, условий работы — метод бессилен. Экстраполяция динамических рядов — в анализе данных их чаще называют временными — в учебниках статистики строится тремя способами.

  • Средний абсолютный прирост. Δ̄ = (yn − y1) / (n − 1), прогноз на L шагов вперёд: ŷ = yn + L · Δ̄. Подходит, когда уровни растут на одну и ту же величину.
  • Средний темп роста. k̄ = (yn / y1)1/(n−1), прогноз ŷ = yn · k̄L. Подходит, когда уровни растут в одно и то же число раз.
  • Аналитическое выравнивание — тренд по методу наименьших квадратов: прямая ŷ = a + bt, экспонента ŷ = a · bt или парабола ŷ = a + bt + ct².

Пример. Уровни ряда за шесть периодов: 7, 9, 12, 13, 14, 17. Нужен прогноз на седьмой.

  1. Время удобно отсчитывать от середины ряда: t̄ = 3,5, Σ(t − t̄)² = 17,5. Тогда система нормальных уравнений распадается, и коэффициенты считаются по отдельности.
  2. Наклон: b = Σ(t − t̄)y / Σ(t − t̄)² = 33 / 17,5 = 1,8857, свободный член a = ȳ − b · t̄ = 12 − 1,8857 · 3,5 = 5,4.
  3. Прогноз: ŷ(7) = 5,4 + 1,8857 · 7 = 18,6.
МетодУравнениеПрогноз на 7-й период
Средний абсолютный прирост17 + 2 · L19
Средний темп роста17 · 1,1942L20,30
Линейный тренд5,4 + 1,8857t18,60
Экспоненциальный тренд6,4238 · 1,1817t20,66
Параболический тренд4,9 + 2,2607t − 0,0536t²18,10

Средний прирост и средний темп роста опираются только на первый и последний уровни. Если последний случайно выскочил вверх, прогноз уедет вместе с ним. Тренд по МНК учитывает все точки, и его качество можно измерить: стандартная ошибка S у прямой здесь 0,665, у параболы — 0,745, у экспоненты — 0,924. Меньше S — точнее описано прошлое. Это ещё не гарантия точного будущего, но хороший повод начать именно с прямой.

Интервал прогноза: почему вилка расширяется

Одно число прогноза мало что говорит без оценки его точности. Для линейного тренда интервал прогноза с доверительной вероятностью γ считают так:

ŷ ± tγ · S · √(1 + 1/n + (tL − t̄)² / Σ(t − t̄)²)S = √(Σ(y − ŷ)² / (n − m)) — ошибка тренда, m — число его параметров, tγ — квантиль Стьюдента для n − m степеней свободы

Последнее слагаемое под корнем объясняет, как меняется дисперсия ошибки при экстраполяции: она растёт с квадратом удаления от середины ряда. Небольшая неточность наклона на дальнем шаге превращается в большую ошибку уровня. В примере S = 0,665, а квантиль Стьюдента для 95 % и четырёх степеней свободы tγ = 2,776. На седьмой период прогноз 18,6 ± 2,52, то есть от 16,08 до 21,12. На девятый — 22,37 ± 3,14.

±2,52±3,14510152025123456789прогнозпериод tуровни рядалинейный трендинтервал прогноза 95 %
Тренд по шести уровням и интервал прогноза 95 %: чем дальше от середины ряда, тем шире вилка

В задачниках встречается и упрощённая запись ŷ ± tγ · S. Она даёт одинаковую ширину на любом шаге и для дальних шагов занижает неопределённость. У экспоненциального тренда интервал строят для логарифмов и потом возводят в степень, поэтому вверх он шире, чем вниз. В учебной литературе по статистике встречается практическое правило: заглядывать вперёд не дальше чем на треть длины ряда.

Экстраполяция, пример для инженера: когда дойдёт до порога

Часто нужен не уровень на дату, а дата, когда величина дойдёт до порога. Возьмём вибрацию подшипникового узла: восемь ежемесячных замеров СКЗ виброскорости — от 1,62 до 2,24 мм/с. Ряд растёт примерно на 4,7 % в месяц, поэтому разумно взять экспоненциальный тренд: ŷ = 1,5415 · 1,0473t. Когда он дойдёт до 2,8 мм/с? В приложении Б ГОСТ ИСО 10816-1-97 это граница зон B и C для машин класса II.

Решаем 1,5415 · 1,0473t = 2,8 и получаем t ≈ 12,9, то есть примерно через пять месяцев после последнего замера. Пять месяцев — это больше половины длины ряда, поэтому ремонт стоит планировать с запасом и уточнять прогноз по каждому новому замеру.

Так же решают задачи по износу. Износ 0,12 мм через 1000 ч работы и 0,20 мм через 2000 ч; если он идёт линейно, предельные 0,5 мм наберутся к 5750 ч.

Почему экстраполяция ошибается

Лучшую карикатуру на экстраполяцию нарисовал Марк Твен в 1883 году в книге «Жизнь на Миссисипи». За 176 лет Нижняя Миссисипи, спрямляя излучины, укоротилась на 242 мили — в среднем чуть больше чем на 1⅓ мили в год. Значит, рассуждает Твен, миллион лет назад река была длиннее 1,3 миллиона миль и торчала над Мексиканским заливом, как удочка. А через 742 года она сократится до 1¾ мили, и Каир с Новым Орлеаном срастутся в один город с одним мэром. Вывод Твена: наука увлекательна — такой оптовый урожай догадок за такое ничтожное вложение фактов.

Чтобы экстраполяция давала прогноз, а не анекдот, держите в голове пять правил:

  1. Не уходите далеко. При коэффициенте экстраполяции больше 2 прогноз уже дальний: точка дальше от данных, чем расстояние между ними.
  2. Проверьте, что закон тот же. Таблица плотности воды до 100 °C, продолженная до 105 °C, выдаст число, хотя при атмосферном давлении там уже пар.
  3. Сравните формы. Если прямая, экспонента и парабола дают разные ответы, честный ответ — их разброс.
  4. Смотрите на интервал, а не только на число.
  5. Сверяйте прогноз с новыми данными и пересчитывайте тренд.

Экстраполяция Ричардсона: точнее, чем сам расчёт

Есть экстраполяция, которая не прогнозирует, а уточняет. Многие численные методы ошибаются пропорционально шагу в некоторой степени: у метода трапеций ошибка порядка h², у метода Эйлера — порядка h. Если посчитать одно и то же с двумя шагами, результат можно продолжить к нулевому шагу:

φ0 ≈ φ1 + (φ1 − φ2) / (rp − 1)φ1 — результат на мелком шаге, φ2 — на крупном, r — отношение шагов, p — порядок точности метода

Пример. Интеграл eˣ от 0 до 1 методом трапеций.

  1. С шагом 0,5 получается 1,75393, с шагом 0,25 — 1,72722. Точный ответ e − 1 = 1,71828.
  2. Здесь r = 2, p = 2, и формула принимает вид φ0 ≈ (4φ1 − φ2) / 3 = (4 · 1,72722 − 1,75393) / 3 = 1,71832.
  3. Ошибка мелкого расчёта была 0,0089, после экстраполяции — 0,000037, примерно в 240 раз меньше.
h = 0,5: 1,75393h = 0,25: 1,72722Ричардсон: 1,71832точно: e − 1 = 1,718281,721,731,741,7500,06250,25∫ eˣ dx на [0; 1], трапецииh²
По оси абсцисс — квадрат шага. Результаты трапеций лежат почти на прямой, и её продолжение к нулю попадает в точный интеграл. Серая точка — расчёт с шагом 0,125 для проверки

Льюис Фрай Ричардсон применил этот приём в 1911 году к расчёту напряжений в каменной плотине, а в 1927-м вместе с Дж. Гаунтом описал его как «отложенный переход к пределу». Повторённая экстраполяция Ричардсона для формулы трапеций — метод Ромберга (1955). Оценка погрешности по двум шагам в отечественных учебниках известна как правило Рунге — с ним контролируют шаг и при решении ОДУ, например в задаче Коши методами Эйлера и Рунге—Кутты.

В расчётах на сетках — гидродинамике, теплообмене, прочности — по трём сеткам находят и сам порядок p, и индекс сходимости сетки GCI. Методику предложил П. Роуч в 1994 году, а процедура Celik и соавторов 2008 года стала стандартом отчёта в журнале Journal of Fluids Engineering. В их учебном примере значение при h → 0 равно 6,1685, а GCI мелкой сетки — 2,2 %.

Экстраполяция в Excel

Для экстраполяции в экселе есть четыре инструмента — от «протянуть мышкой» до функций.

  1. Маркер заполнения. Выделите два и больше значений ряда и протяните угол выделения: Excel продолжит ряд по линейному тренду. Если тянуть правой кнопкой мыши, в меню будет «Экспоненциальное приближение».
  2. Линия тренда на диаграмме. Выберите тип — линейная, экспоненциальная, полиномиальная — и задайте прогноз вперёд на нужное число периодов. На диаграмму можно вывести уравнение и R².
  3. Функции. Они дают число в ячейке, которое пересчитывается вместе с данными.
  4. Лист прогноза на вкладке «Данные». Он строит прогноз экспоненциальным сглаживанием (функция ПРЕДСКАЗ.ETS) с интервалом 95 %. Это модель с сезонностью, а не продолжение тренда, поэтому на коротком ряду её ответ может заметно отличаться от ТЕНДЕНЦИИ.

Формула экстраполяции в эксель для линейного тренда: пусть периоды стоят в A2:A7, уровни — в B2:B7, а момент прогноза — в D2.

=ПРЕДСКАЗ.ЛИНЕЙН(D2;B2:B7;A2:A7)

В версиях до Excel 2016 функция называлась ПРЕДСКАЗ. То же число даёт =ТЕНДЕНЦИЯ(B2:B7;A2:A7;D2). Для экспоненциального тренда:

=РОСТ(B2:B7;A2:A7;D2)

Половина ширины интервала прогноза 95 % для линейного тренда:

=СТЬЮДЕНТ.ОБР.2Х(0,05;СЧЁТ(A2:A7)-2)*СТОШYX(B2:B7;A2:A7)*КОРЕНЬ(1+1/СЧЁТ(A2:A7)+(D2-СРЗНАЧ(A2:A7))^2/КВАДРОТКЛ(A2:A7))

Для ряда из примера при D2 = 7 эти формулы дают 18,6, 20,66 и 2,52. Линейная экстраполяция по двум точкам, если они в A2:B3, — обычная формула: =B2+(D2-A2)*(B3-B2)/(A3-A2).

Частая ошибка — полиномиальная линия тренда 5–6 степени. Она красиво проходит почти через все точки, и R² близок к 1, но за последней точкой кривая обычно улетает. Для прогноза берите прямую, экспоненту или параболу и смотрите на интервал.

Где применяют экстраполяцию

  • Экономика и финансы. Прогноз выручки, цен и спроса по тренду. В финансах так строят простейшие прогнозы доходов и расходов на следующий период, когда условия не меняются.
  • Статистика и криминология. Метод экстраполяции применяют к рядам учётных данных, в том числе для прогноза преступности. Оговорка та же: тренд верен, пока не меняются правила учёта и сами условия.
  • Физика и техника. Абсолютный нуль по газовому закону, ресурс по износу, сроки ремонта по вибрации. В радиолокации координаты сопровождаемой цели экстраполируют на следующий такт обзора. Так же сетевые игры продолжают движение игрока по последней известной скорости, пока не придёт новый пакет данных.
  • Медицина и фармакология. Результаты опытов на животных переносят на человека не пропорционально массе тела, а с поправкой на площадь его поверхности — так рекомендует руководство FDA 2005 года.
  • Психология и физиология. В психологии экстраполяцией называют перенос выводов с одной группы или ситуации на другую. А Л. В. Крушинский изучал способность к экстраполяции у животных. Миска с кормом уезжала за ширму: вороны, сороки, лисы и хорьки шли вдоль ширмы к её концу, а куры, голуби и кролики терялись, как только корм пропадал из виду.

Частые вопросы

Что такое коэффициент экстраполяции?

Это t = (x − x1) / (x2 − x1) — положение искомой точки в долях отрезка между двумя известными. При t = 3 точка стоит на два отрезка дальше второй. Чем больше t по модулю, тем осторожнее надо относиться к ответу. В учебниках численных методов ту же долю шага обычно обозначают q: x = x0 + qh.

Можно ли экстраполировать в прошлое?

Да. Экстраполяцию в будущее называют перспективной, в прошлое — ретроспективной. Формулы те же, меняется только знак шага. Ограничения тоже те же: в прошлом закон мог быть другим, как в истории Твена с Миссисипи.

Сколько точек нужно для экстраполяции?

Для прямой хватит двух, для параболы — трёх. Для тренда с интервалом прогноза точек должно быть больше, чем параметров: у прямой их два, значит, нужно минимум три уровня, а для осмысленного интервала — шесть–восемь и больше.

Почему прогноз по среднему темпу роста выше, чем по среднему приросту?

Темп роста предполагает умножение на одно и то же число на каждом шаге, а прирост — прибавление одной и той же величины. При растущем ряде умножение быстро обгоняет сложение, и разница увеличивается с горизонтом.

Какой метод экстраполяции выбрать?

Начните с вопроса, как устроен процесс: растёт на одну величину — прямая или средний прирост, в одно число раз — экспонента или средний темп, с ускорением или замедлением — парабола. Затем сравните ошибку S на известных данных и посмотрите, насколько расходятся прогнозы разных форм.

Чем экстраполяция отличается от прогноза?

Экстраполяция — один из способов прогнозировать: продолжить сложившуюся тенденцию. Другие методы учитывают причины, сезонность, экспертные оценки. На коротком горизонте и для инерционных процессов экстраполяция обычно не уступает сложным моделям, на переломах — проигрывает любой из них.

Ещё по теме

Другие инструменты для расчётов собраны в разделе калькуляторы inner.su.

Источники

  1. Ушаков Д. Н. Толковый словарь русского языка. — М., 1935–1940. — Статья «Экстраполяция».
  2. Словарь русского языка: в 4 т. / под ред. А. П. Евгеньевой. — 4-е изд. — М.: Русский язык, 1999. — Статья «Экстраполяция».
  3. Елисеева И. И., Юзбашев М. М. Общая теория статистики. — 5-е изд. — М.: Финансы и статистика, 2004. — Ряды динамики, экстраполяция тренда.
  4. Четыркин Е. М. Статистические методы прогнозирования. — 2-е изд. — М.: Статистика, 1977.
  5. Бахвалов Н. С., Жидков Н. П., Кобельков Г. М. Численные методы. — 3-е изд. — М.: БИНОМ, 2004. — Правило Рунге, экстраполяция по Ричардсону.
  6. Шайдуров В. В. Экстраполяция Ричардсона // Большая российская энциклопедия: электронная версия; первая публикация — Математическая энциклопедия, 1984.
  7. Richardson L. F. The approximate arithmetical solution by finite differences of physical problems involving differential equations, with an application to the stresses in a masonry dam // Philosophical Transactions of the Royal Society A. — 1911. — Vol. 210. — P. 307–357.
  8. Richardson L. F., Gaunt J. A. The deferred approach to the limit // Philosophical Transactions of the Royal Society A. — 1927. — Vol. 226. — P. 299–361.
  9. Romberg W. Vereinfachte numerische Integration // Det Kongelige Norske Videnskabers Selskabs Forhandlinger. — 1955. — Bd. 28. — S. 30–36.
  10. Roache P. J. Perspective: a method for uniform reporting of grid refinement studies // Journal of Fluids Engineering. — 1994. — Vol. 116, № 3. — P. 405–413.
  11. Celik I. B., Ghia U., Roache P. J., Freitas C. J., Coleman H., Raad P. E. Procedure for estimation and reporting of uncertainty due to discretization in CFD applications // Journal of Fluids Engineering. — 2008. — Vol. 130, № 7. — 078001.
  12. IAPWS R7-97(2012). Revised Release on the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam. — Давление насыщения.
  13. ГОСТ ИСО 10816-1-97. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях. Часть 1. Общие требования. — Приложение Б.
  14. Twain M. Life on the Mississippi. — Boston: James R. Osgood and Company, 1883. — Ch. XVII.
  15. Krushinsky L. V. Solution of elementary logical problems by animals on the basis of extrapolation // Progress in Brain Research. — 1965. — Vol. 17. — P. 280–308.
  16. U.S. Food and Drug Administration. Guidance for Industry: Estimating the Maximum Safe Starting Dose in Initial Clinical Trials for Therapeutics in Adult Healthy Volunteers. — 2005.
  17. Microsoft. Создание прогноза в Excel для Windows; Функции прогнозирования: справка Excel.

Результат экстраполяции — оценка за пределами известных данных. Она верна, пока сохраняется закон изменения величины, поэтому в ответственных решениях сверяйте прогноз с новыми измерениями и нормативными требованиями.

Заказать товар

ООО «Иннер Инжиниринг»