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相對而言，非線性迴歸（Nonlinear Regression）是一個比較困難的問題，原因如下：

無法一次找到最佳解。

無法保證能夠找到最佳解。

須引用各種非線性最佳化的方法。

各種相關數學性質並不明顯。

以數學來描述，假設所用的數學模型是 $y=f(\mathbf{x}, \mathbf{\theta})$ ，其中 $f(\mathbf{x}$ 是輸入向量， $\mathbf{\theta})$ 是可變非線性函數， $y$ 是輸出變數，則總平方誤差為 $E(\mathbf{\theta}) = \sum_{i=1}^n (y_i - f(\mathbf{x}_i, \mathbf{\theta}))^2$
其中 $(\mathbf{x}_i, y_i)$ 是第 $i$ 個已知資料點。由於 $\mathbf{\theta}$ 是 $f$ 的非線性參數，所以 $E(\mathbf{\theta})$ 並不是 $\mathbf{\theta}$ 的二次式，因此我們並無法由 $\mathbf{\theta}$ 對 $\mathbf{\theta}$ 的導式為零來解出最佳的 $\mathbf{\theta}$ 值。退而求其次，我們必須用一般最佳化（Optimization）的方法，來找出 $E(\mathbf{\theta})$ 的最小值，例如梯度下降法（Gradient Descent），或是 Simplex 下坡式搜尋（Simplex Downhill search）等。
舉例來說，假設所用的數學模型為
$y= a_1 e^{\lambda_1 x} + a_2 e^{\lambda_2 x}$
其中， $a_1$ 、 $a_2$ 為線性參數，但 $\lambda_1$ 、 $\lambda_2$ 為非線性參數，則此模型為非線性，總平方誤差可表示如下： $E(a_1, a_2, \lambda_1, \lambda_2) = \sum_{i=1}^{m} (y_i - a_1 e^{\lambda_1 x_i} - a_2 e^{\lambda_2 x_i})^2$
欲找出使 $E(a_1, a_2, \lambda_1, \lambda_2)$ 為最小的 $a_1$ 、 $a_2$ 、 $\lambda_1$ 及 $\lambda_2$ ，我們需將 $E$ 寫成一個 MATLAB 函式，並由其它最佳化的方法來求出此函式的最小值。假設此函式為 errorMeasure1.m，其內容可顯示如下：
Example 1: 10-曲線擬合與迴歸分析/errorMeasure1.m

其中 theta 是參數向量，包含了 $a_1$ 、 $a_2$ 、 $\lambda_1$ 及 $\lambda_2$ ，data 則是觀察到的資料點，傳回的值則是總平方誤差。欲求出此函式的最小值，我們可使用 fminsearch 指令，請見下列範例：
Example 2: 10-曲線擬合與迴歸分析/nonlinearFit01.m

上圖的曲線即為 fminsearch 指令所產生的迴歸曲線。在上述程式中，data 矩陣包含自變數（即data(:,1)）和因變數（即 data(:,2)），以方便將之傳入函式 errorMeasure1.m。Theta0 則是可變參數 theta 的起始值。fminsearch 指令則是一個使用 Simplex 下坡式搜尋法（Downhill Simplex Search）的最佳化方法，用來找出 errorMeasure1 的極小值，並傳回 theta 的最佳值。欲詳知此方法的細節，可詳閱筆者的另一著作「Neural-Fuzzy and Soft Computing – A Computational Approach to Learning and Machine Intelligence」，Prentice Hall ，1997。

MATLAB程式設計：進階篇