10种常用的科研数学模型及Origin绘图

风过叶无痕 2024-11-30 10:15:11
1. 线性模型与多元线性回归

线性回归模型是最基础的数据拟合工具,用于描述变量之间的线性关系。其数学表达为:其中 为斜率 为截距。通过线性回归,可以分析两个变量之间的简单关系。

当涉及多个自变量时,可采用多元线性回归模型:

该模型被广泛用于经济预测、环境因子分析等领域。

2. 指数模型与指数拟合

在研究某些指数变化(如衰减、增长)现象时,常用指数函数:通过取自然对数,可将其转化为线性形式:这一模型广泛用于物理化学反应速率、人口增长等研究中。

3. 动力学模型:一级与二级动力学

在环境科学中,拟动力学模型常用来研究物质的吸附和降解过程。

拟一级动力学模型通过线性化处理:可更方便地求解参数。拟二级动力学模型其适用于描述化学吸附为主的过程。4. 吸附等温线模型

吸附过程的研究常涉及以下模型:

Langmuir模型

假设单层吸附,表达为:其中 为最大吸附量 为平衡常数。

Freundlich模型

用于描述不均匀表面吸附特性,其公式为:对数线性形式:Temkin模型

考虑吸附热的变化,Temkin模型为:5. Sips模型

Sips模型结合了Langmuir和Freundlich模型的特点:

适用于描述低浓度下的Langmuir吸附行为和高浓度下的Freundlich吸附行为。

6. Michaelis-Menten模型与Hill函数

在酶动力学研究中,Michaelis-Menten模型被用来描述酶促反应:其中 为最大反应速率 为米氏常数。

当需考虑配体结合的协同效应时,可使用 Hill 函数:7. 椭球模型与置信椭球

三维空间中的数据拟合可以通过椭球模型实现,其隐函数表达为:

置信椭球(或置信椭圆)被广泛用于统计学中,用于描述多维数据分布的可信范围。

8. Weber-Morris扩散模型

在吸附动力学研究中,Weber-Morris模型用于分析内扩散的速率:若拟合直线通过原点,表明内扩散是吸附速率的唯一控制步骤。

9. Lorentz与高斯拟合

光谱分析中,常用以下函数拟合谱线:

Lorentz函数高斯函数10. Debye-Scherrer公式

在材料科学中,德拜-谢乐公式用于计算晶粒尺寸:其中 为半峰宽 为布拉格角 为X射线波长。

使用 Origin 进行拟合与分析操作指南常见拟合方法及操作流程1. 线性拟合

公式:适用于散点图呈线性变化的数据。

操作步骤:创建数据表:在 Origin 中新建工作簿,将 和 数据分别输入 A 和 B 列,确保列格式为“数值”。绘制散点图:选中 A 和 B 列数据,点击菜单 “绘图” > “散点图”。执行拟合:点击菜单 “分析” > “拟合” > “线性拟合” > “打开对话框”。勾选 “置信带” 和 “预测带”。点击 “确定”,生成拟合结果及置信区间图。查看结果:在拟合结果表中记录斜率、截距 及相关系数。

2. 指数拟合

公式:适用于呈指数增长或衰减的数据。

操作步骤:绘制散点图:同线性拟合,创建数据表并绘制散点图。执行拟合:点击 “分析” > “拟合” > “非线性曲线拟合” > “打开对话框”。选择 “Exp2PMod1” 作为拟合函数。调整参数:设置初始参数 和 的估计值,点击 “拟合至收敛”。记录结果:检查拟合报告中的参数 和,并查看拟合优度。3. 多元线性回归

公式:

操作步骤:创建数据表:将因变量 和多个自变量 输入不同列。执行拟合:点击 “分析” > “拟合” > “多元线性回归”。确认因变量列和自变量列的选择,点击 “确定”。查看结果:在分析报表中找到回归系数 和相关系数。

4. 自定义函数拟合

适用于未被内置函数库覆盖的模型。

操作步骤:创建自定义函数:点击 “分析” > “拟合” > “非线性曲线拟合” > “打开对话框”。选择 “用户定义”,点击 “新建”。输入函数名称、参数和表达式(如)。拟合数据:在拟合对话框中选择自定义函数。设置参数初始值,点击 “拟合至收敛”。记录结果:在结果表中获取拟合参数和。高级拟合操作1. Langmuir 模型拟合操作步骤:定义函数:在 “非线性曲线拟合” 中选择 “LangmuirEXT1”。调整参数:设置初始值 和,点击 “拟合至收敛”。记录结果:获取 和拟合优度。

2. Michaelis-Menten 模型全局拟合操作步骤:选择 Hill 函数:在 “非线性曲线拟合” 中选择 “Hill” 函数。固定,设置 为共享参数。执行拟合:点击 “全局拟合”,加载多组数据,调整初始值后拟合至收敛。查看结果:确定共享的 和各组的。3. 多峰拟合

适用于光谱数据的多成分分析。

操作步骤:绘制光谱图:全选数据,绘制折线图。标记峰位:在 “分析” > “峰值及基线” > “多峰拟合” 中选择峰函数(如 Lorentz)。执行拟合:双击标记各峰位置后拟合至收敛。附加说明数据格式检查: 确保数据列设置为“数值”类型。置信区间与预测带: 可通过拟合对话框的选项卡开启。拟合优度: 以 值判断模型与数据的吻合度。

上文图片来自于《Origin科研绘图与学术图表绘制:从入门到精通》一书。这些数学模型是科学研究中数据分析的基础工具,覆盖了从线性回归到复杂非线性拟合的广泛应用场景。而origin作为科研利器可以大大简化实现过程。

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