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计算两个vector的误差和

对两个值进行计算的时候,计算机的计算结果与我们期望的结果有一定的差别。比如,测量由多个数据点组成的信号之间的差异,通常会涉及相应数据点的循环和减法等计算。

我们给出一个简单的计算信号a与信号b之间的误差公式:

对于每一个i,都会计算一次a[i] - b[i],对差值求平方(负值和正值就能进行比较),最后计算平方差的和。通常我们会使用循环来做这件事,但是为了让事情更加好玩,我们决定使用STL算法来完成。使用STL的好处是,无需耦合特定的数据结果。我们的算法能够适应vector和类似链表的数据结构,不用直接进行索引。

How to do it...

本节,我们将创建两个信号,并计算这两个信号之间的误差:

  1. 依旧是包含必要的头文件和声明所使用的命名空间。

    #include <iostream>
    #include <cmath>
    #include <algorithm>
    #include <numeric>
    #include <vector>
    #include <iterator>
    
    using namespace std; 
  2. 我们将对两个信号的误差和进行计算。这两个信号一个是sine,另一个信号也是sine,不过其中之一的使用double类型进行保存,另一个使用int类型进行保存。因为doubleint类型表示数值的范围有差异,就像是模拟信号as转换成数字信号ds

int main()
{
    const size_t sig_len {100};
    vector<double> as (sig_len); // a for analog
    vector<int> ds (sig_len); // d for digital
  1. 为了生成一个sin波形,我们事先了一个简单的Lambda表达式,并可以传入一个可变的计数变量n。我们可以经常在需要的时候调用表达式,其将返回下一个时间点的sine波形。std::generate可以使用信号值来填充数组,并且使用std::copy将数组中的double类型的变量,转换成int类型变量:

    	auto sin_gen ([n{0}] () mutable {
        	return 5.0 * sin(n++ * 2.0 * M_PI / 100);
        });
        generate(begin(as), end(as), sin_gen);
        copy(begin(as), end(as), begin(ds));
  2. 我们可以对信号进行打印,也可以使用绘图进行显示:

    	copy(begin(as), end(as),
        	ostream_iterator<double>{cout, " "});
        cout << '\n';
        copy(begin(ds), end(ds),
        	ostream_iterator<double>{cout, " "});
        cout << '\n'; 
  3. 现在来计算误差和,我们使用std::inner_product,因为这个函数能帮助我们计算两个信号矢量的差异。该函数能在指定范围内进行迭代,然后选择相应位置上进行差值计算,然后在进行平方,再进行相加:

        cout << inner_product(begin(as), end(as), begin(ds),
        					0.0, std::plus<double>{},
        					[](double a, double b) {
       							return pow(a - b, 2);
        					})
        	<< '\n';
    }
  4. 编译并运行程序,我们就能得到两条曲线,还有一条曲线代表的是两个信号的误差和。最终这两个信号的误差为40.889。当我们使用连续的方式对误差进行统计,要对值进行逐对匹配,然后得到无法曲线,其就像我们在下图中看到的一样:

How it works...

本节,我们需要将两个向量放入循环中,然后对不同位置的值计算差值,然后差值进行平方,最后使用std::inner_product将差的平方进行加和。这样,我们可以使用Lambda表达式来完成求差值平方的操作——[](double a, double b){return pow(a - b), 2},这样就可以通过传入不同的参数来计算差值平方。

这里我们可以看下std::inner_product是如何工作的:

template<class InIt1, class InIt2, class T, class F, class G>
T inner_product(InIt1 it1, InIt1 end1, InIt2 it2, T val,
			   F bin_op1, G bin_op2)
{
    while(it1!= end1){
        val = bin_op1(val, bin_op2(*it1, *it2));
        ++it1;
        ++it2;
    }
    return value;
}

算法会接受一对begin/end迭代器作为第一个输入范围,另一个begin迭代器代表第二个输入范围。我们的例子中,这些迭代器所指向的是vector,并对这两个vector进行误差和的计算。val是一个初始化值。我们这里将其设置为0.0。然后,算法可以接受两个二元函数,分别为bin_op1bin_op2

我们会发现,这个算法与std::accumulate很相似。不过std::accumulate只对一个范围进行操作。当将bin_op2(*it1, *it2)看做一个迭代器,那么我们可以简单的是用accumulate算法进行计算了。所以,我们可以将std::inner_product看成是带有打包输入范围的std::accumulate

例子中,打包函数就是pow(a - b, 2)。因为我们需要将所有元素的差平方进行加和,所以我们选择std::plus<double>作为bin_op1