Aproksymacja funkcji metod najmniejszych kwadratów

Podobne dokumenty
Interpolacja funkcjami sklejanymi

1 Metody iteracyjne rozwi zywania równania f(x)=0

ANALIZA NUMERYCZNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Informacje pomocnicze

Ekonometria. wiczenia 1 Regresja liniowa i MNK. Andrzej Torój. Instytut Ekonometrii Zakªad Ekonometrii Stosowanej

Liniowe zadania najmniejszych kwadratów

Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI Zastosowanie eliptycznych równa«ró»niczkowych

Rozdziaª 13. Przykªadowe projekty zaliczeniowe

PRZYPOMNIENIE Ka»d przestrze«wektorow V, o wymiarze dim V = n < nad ciaªem F mo»na jednoznacznie odwzorowa na przestrze«f n n-ek uporz dkowanych:

Interpolacja Lagrange'a, bazy wielomianów

Zadania z z matematyki dla studentów gospodarki przestrzennej UŠ. Marek Majewski Aktualizacja: 31 pa¹dziernika 2006

Funkcje, wielomiany. Informacje pomocnicze

Elementy geometrii w przestrzeni R 3

r = x x2 2 + x2 3.

1 0 Je»eli wybierzemy baz A = ((1, 1), (2, 1)) to M(f) A A =. 0 2 Daje to znacznie lepszy opis endomorzmu f.

det A := a 11, ( 1) 1+j a 1j det A 1j, a 11 a 12 a 21 a 22 Wn. 1 (Wyznacznik macierzy stopnia 2:). = a 11a 22 a 33 +a 12 a 23 a 31 +a 13 a 21 a 32

Metody numeryczne i statystyka dla in»ynierów

1 Przypomnienie wiadomo±ci ze szkoªy ±redniej. Rozwi zywanie prostych równa«i nierówno±ci

Wykªad 7. Ekstrema lokalne funkcji dwóch zmiennych.

Macierz A: macierz problemów liniowych (IIII); Macierz rozszerzona problemów liniowych (IIII): a 11 a 1m b 1 B = a n1 a nm b n

1 Granice funkcji wielu zmiennych.

Macierze i Wyznaczniki

Ukªady równa«liniowych

Rozwi zanie równania ró»niczkowego metod operatorow (zastosowanie transformaty Laplace'a).

Uczenie Wielowarstwowych Sieci Neuronów o

wiczenie nr 3 z przedmiotu Metody prognozowania kwiecie«2015 r. Metodyka bada«do±wiadczalnych dr hab. in». Sebastian Skoczypiec Cel wiczenia Zaªo»enia

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ALGEBR

Zagadnienia na wej±ciówki z matematyki Technologia Chemiczna

Metody dowodzenia twierdze«

Metody numeryczne i statystyka dla in»ynierów

Metody numeryczne. Wst p do metod numerycznych. Dawid Rasaªa. January 9, Dawid Rasaªa Metody numeryczne 1 / 9

Ekonometria - wykªad 8

Macierze i Wyznaczniki

AM II /2019 (gr. 2 i 3) zadania przygotowawcze do I kolokwium

Modele wielorównaniowe. Problem identykacji

2 Liczby rzeczywiste - cz. 2

Przeksztaªcenia liniowe

Przetwarzanie sygnaªów

1. Przedstaw w postaci algebraicznej liczby zespolone: 2. Narysuj zbiory punktów na pªaszczy¹nie:

Caªkowanie numeryczne - porównanie skuteczno±ci metody prostokatów, metody trapezów oraz metody Simpsona

LZNK. Rozkªad QR. Metoda Householdera

Funkcje wielu zmiennych

Wektory w przestrzeni

Estymacja wektora stanu w prostym układzie elektroenergetycznym

1 Bª dy i arytmetyka zmiennopozycyjna

Pewne algorytmy algebry liniowej Andrzej Strojnowski

Proste modele o zªo»onej dynamice

punkcie. Jej granica lewostronna i prawostronna w punkcie x = 2 wynosz odpowiednio:

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Modele wielorównaniowe. Estymacja parametrów

Opis matematyczny ukªadów liniowych

Twierdzenie Wainera. Marek Czarnecki. Warszawa, 3 lipca Wydziaª Filozoi i Socjologii Uniwersytet Warszawski

Wybrane poj cia i twierdzenia z wykªadu z teorii liczb

Arkusz 4. Elementy geometrii analitycznej w przestrzeni

Szkice rozwi za«zada«z egzaminu 1

Równania liniowe. Rozdział Przekształcenia liniowe. Niech X oraz Y będą dwiema niepustymi przestrzeniami wektorowymi nad ciałem

WST P DO TEORII INFORMACJI I KODOWANIA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2013/14

Wst p do sieci neuronowych 2010/2011 wykªad 7 Algorytm propagacji wstecznej cd.

Funkcje wielu zmiennych

Elementy geometrii analitycznej w przestrzeni

Modele liniowe i mieszane na przykªadzie analizy danych biologicznych - Wykªad 6

Algorytmy zwiazane z gramatykami bezkontekstowymi

Podstawowe działania w rachunku macierzowym

istnienie elementu neutralnego dodawania (zera): 0 K a K a + 0 = a, istnienie elementu neutralnego mno»enia (jedynki): 1 K a K a 1 = a,

1 Ró»niczka drugiego rz du i ekstrema

Lab. 02: Algorytm Schrage

Funkcja kwadratowa, wielomiany oraz funkcje wymierne

Pakiety Matematyczne MAP1351W,P

WST P DO TEORII INFORMACJI I KODOWANIA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2013/14

Granular Computing 9999 pages 15 METODY SZTUCZNEJ INTELIGENCJI - PROJEKTY

Zadania z analizy matematycznej - sem. II Rachunek ró»niczkowy funkcji wielu zmiennych

Legalna ±ci ga z RRI 2015/2016

gdzie wektory α i tworz baz ortonormaln przestrzeni E n

i, lub, nie Cegieªki buduj ce wspóªczesne procesory. Piotr Fulma«ski 5 kwietnia 2017

Materiaªy do Repetytorium z matematyki

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

x y x y x y x + y x y

Matematyka wykªad 1. Macierze (1) Andrzej Torój. 17 wrze±nia Wy»sza Szkoªa Zarz dzania i Prawa im. H. Chodkowskiej

A = n. 2. Ka»dy podzbiór zbioru sko«czonego jest zbiorem sko«czonym. Dowody tych twierdze«(elementarne, lecz nieco nu» ce) pominiemy.

Rachunek caªkowy funkcji wielu zmiennych

Bash i algorytmy. Elwira Wachowicz. 20 lutego

Elementarna statystyka Wnioskowanie o regresji (Inference 2 czerwca for regression) / 13

Numeryczne zadanie wªasne

Metody Numeryczne Wykład 4 Wykład 5. Interpolacja wielomianowa

Ukªady równa«liniowych - rozkªady typu LU i LL'

2. L(a u) = al( u) dla dowolnych u U i a R. Uwaga 1. Warunki 1., 2. mo»na zast pi jednym warunkiem: L(a u + b v) = al( u) + bl( v)

Metody bioinformatyki (MBI)

WYKŠAD 3. di dt. Ġ = d (r v) = r P. (1.53) dt. (1.55) Przyrównuj c stronami (1.54) i (1.55) otrzymujemy wektorowe równanie

X WARMI SKO-MAZURSKIE ZAWODY MATEMATYCZNE 18 maja 2012 (szkoªy ponadgimnazjalne)

Optymalizacja R dlaczego warto przesi ± si na Linuxa?

Liniowe równania ró»niczkowe n tego rz du o staªych wspóªczynnikach

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

P 0max. P max. = P max = 0; 9 20 = 18 W. U 2 0max. U 0max = q P 0max = p 18 2 = 6 V. D = T = U 0 = D E ; = 6

Ekstremalnie fajne równania

Metoda Rónic Skoczonych

Kolokwium Zadanie 1. Dla jakich warto±ci parametrów a i b funkcja sklejona

a) f : R R R: f(x, y) = x 2 y 2 ; f(x, y) = 3xy; f(x, y) = max(xy, xy); b) g : R 2 R 2 R: g((x 1, y 1 ), (x 2, y 2 )) = 2x 1 y 1 x 2 y 2 ;

PAKIET MathCad - Część III

Vincent Van GOGH: M»czyzna pij cy li»ank kawy. Radosªaw Klimek. J zyk programowania Java

Zadanie 1. Zadanie 2. Niech µ A i µ B oznaczaj stopy zwrotu odpowiednio z aktywa A i B, ªatwo obliczy,»e ,

Transkrypt:

Aproksymacja funkcji metod najmniejszych kwadratów Teoria Interpolacja polega na znajdowaniu krzywej przechodz cej przez wszystkie w zªy. Zdarzaj si jednak sytuacje, w których dane te mog by obarczone bª dem, np. gdy s one odczytywane z pomiarów. W takim wypadku bardziej interesuj ce jest zachowanie ogólnego charakteru krzywej, która te punkty przybli»a ni» przeprowadzanie jej przez wszystkie w zªy. Do tego zadania wykorzystywana jest aproksymacja metod najmniejszych kwadratów. W aproksymacji metod najmniejszych kwadratów mamy z góry zadan baz funkcji za pomoc których chcemy przybli»y funkcj poszukiwan postaci: F (x) c 1 f 1 (x) + c 2 f 2 (x) +... + c n f n (x) (1) dla zadanego zbioru punktów (x j, y j ), j 1,..., m. Jak wynika z tego wzoru, poszukiwana funkcja F (x) jest liniow kombinacj funkcji bazowych f i (x), i 1,..., n. Funkcje bazowe mog by dowolne, dopóki s liniowo niezale»ne. Niewiadomymi w tak postawionym zadaniu s wspóªczynniki c i. Poniewa», w ogólnym przypadku, tak zadana funkcja poszukiwana nie b dzie pokrywaªa si ze wszystkimi w zªami. W zale»no±ci od doboru wspóªczynników c i mo»e lepiej przybli-»a pewne w zªy a gorzej inne. Nale»y zatem dobra odpowiednie kryterium porównawcze. Mo»emy obliczy pionow odlegªo± funkcji od ka»dego z w zªów: r j y j F (x j ) (2) Ale poniewa» tak zapisane r j mo»e by zarówno dodatnie jak i ujemne, to proste zsumowanie tych warto±ci nie nadaje si do porównywania róznych krzywych. Lepszym wyborem jest u»ycie r 2 j, wtedy: ρ rj 2 (3) jest warto±ci, której minimum b dzie okre±laªo krzyw najlepiej dopasowan do w zªów. Dopasowanie prostej do zbioru punktów Zacznijmy od najprostszego przypadku polegaj cego na przybli»eniu zbioru punktów krzyw. Poszukiwana funkcja ma zatem posta : a jej baz s funkcje: F (x) c 1 x + c 2 (4) f 1 (x) x f 2 (x) 1 Wyprowadzone wcze±niej warto±ci r j i ρ mo»emy zatem wyrazi jako: r j y j F (x j ) y j (c 1 x j + c 2 ) ρ rj 2 [y j (c 1 x j + c 2 )] 2 Naszym celem jest zminimalizowanie fukcji ρ. Jedynymi niewiadoamymi w tym wypadku s warto±ci c 1 i c 2. Mo»emy zapisa zatem: ρ ρ(c 1, c 2 ). Warunkiem koniecznym minimum jest zerowanie si pierwszych pochodnych, zatem: 0 i 0 Wykonuj c ró»niczkowanie i podstawiaj c warunek na minimum otrzymujemy:

[y j (c 1 x j + c 2 )] 2 [y j (c 1 x j + c 2 )] 2 2( x j )[y j (c 1 x j + c 2 )] 0 2( 1)[y j (c 1 x j + c 2 )] 0 Po uporz dkowaniu mo»emy to zapisa w postaci macierzowej: [ ] [ ] [ ] x 2 j xj c1 xj y j xj m c 2 yj (5) Dla dwóch wektorów x [x 1, x 2,..., x m ] i y [y 1, y 2,..., y m ] mo»emy zdeniowa iloczyn wektorowy jako: x, y mx j y j (6) Korzystaj c z tej denicji mo»emy zapisa ukªad (5) nast puj co: [ ] [ ] [ ] x, x 1, x c1 x, y 1, x 1, 1 c 2 1, y (7) 1 [1, 1,..., 1] Z tej postaci ªatwo ju» wyliczy nieznane wspóªczynniki c i. Algorytm ten mo»na rozszerzy na wi ksz liczb funcji bazowych lub zastosowa inne podej±cie. Metoda przedeniowanego ukªadu równa«rozwa»aj c ponownie problem znalezienia prostej przybli»aj cej m w zªów mo»emy zapisa zbiór równa«: lub w postaci macierzowej: c 1 x 1 + c 2 y 1 c 1 x 2 + c 2 y 2... c 1 x m + c 2 y m x 1 1 x 2 1 A.. x m 1 Ac y (8) c [ c1 c 2 ] y 1 y 2 y. y m

Poniewa» w ogólnym przypadku wszystkie w zªy nie b d le»aly na jednej prostej, to równania te nie b d speªnione, zatem wektor residuów r y Ac (9) b dzie niezerowy. W tej metodzie minimalizacji podlega kwadrat normy wektora residuów: Przeksztaªcaj c otrzymujemy: ρ r 2 2 r T r (10) ρ r 2 2 r T r (y Ac) T (y Ac) y T y y T A c T A T y + c T A T Ac y T y 2y T Ac + c T A T Ac Warunkiem koniecznym minimum jest zerowanie si pierwszych pochodnych, zatem: Wykonuj c ró»niczkowanie otrzymujemy: c 0 c 2AT y + 2A T Ac Korzystaj c z warunku na minimum otrzymujemy: lub inaczej 0 2A T y + 2A T Ac (A T A)c A T y (11) S to tzw. równania normalne aproksymacji metod najmniejszych kwadratów. Dopasowanie metod najmniejszych kwadratów dla dowolnej bazy funkcji W ogólnym przypadku doboru bazy funkcji f i (x), i 1,..., n b dziemy mieli: y F (x) c 1 f 1 (x) + c 2 f 2 (x) +... + c n f n (x) Niewiadomymi b d tu wspóªczynniki c i. Celem jest znalezienie takich wspóªczynnikóe c 1,..., c n, które minimalizuj kwadraty pionowych odlegªo±ci funkcji F (x) od w zªów (x j, y j ), j 1,..., m. Dla tak postawionego zadania mo»emy zapisa ukªad równa«: c 1 f 1 (x 1 ) + c 2 f 2 (x 1 ) +... + c n f n (x 1 ) y 1 c 1 f 1 (x 2 ) + c 2 f 2 (x 2 ) +... + c n f n (x 2 ) y 2... c 1 f 1 (x m ) + c 2 f 2 (x m ) +... + c n f n (x m ) y m lub w postaci macierzowej: Ac y f 1 (x 1 ) f 2 (x 1 )... f n (x 1 ) c 1 f 1 (x 2 ) f 2 (x 2 )... f n (x 2 ) c 2 A c.... f 1 (x m ) f 2 (x m )... f n (x m ) c n y 1 y 2 y. y m

Dochodzimy do podobnej postaci ukªadu jak w poprzednim podrozdziale ró»ni cym si tylko denicj macierzy A. Naszym zadaniem jest zminimalizowanie warto±ci ρ y Ac 2 2. Post puj c w przedstawiony wcze±niej sposób otrzymujem równania normalne postaci: (A T A)c A T y Wyznaczaj c wektor c z tego równania otrzymujemy nieznane wspóªczynniki. Skrypt: function [c,r2,rout] fitnorm(x,y,basefun) % Funkcja aproksymuje grupe wezlow (x_i,y_i), i1,...,m metoda % najmniejszych kwadratow % % Dane wejsciowe: x,y wektory zawierajace wspolrzedne wezlow % basefun (string) nazwa pliku ktory wylicza wartosci % macierzy A. Kolumny A sa wartosciami funkcji % bazowych dla wspolrzednych x wezlow. % % Dane wyjsciowe: c wektor wspolczynnikow poszukiwanej funkcji % R2 (opcjonalnie) wspolczynnik korelacji % r (opcjonalnie) wektor residuów if length(y)~ length(x); error('x i y maja rozne wymiary'); end A feval(basefun,x(:)); % Macierz wspolczynnikow ukladu przedefiniowanego c (A'*A)\(A'*y(:)); % Rozwiazuje rownania normalne, y(:) jest kolumna if nargout>1 r y(:) - A*c; % Residua w wezlach [m,n] size(a); R2 1 - (m-1)/(m-n-1)*(norm(r)/norm(y-mean(y)))^2; if nargout>2, rout r; end end Zadanie: Wyznacz aproksymacj punktów: (0.955, 5.722), (1.38 4.812), (1.854, 4.727), (2.093, 4.850), (2.674, 5.011), (3.006, 5.253), (3.255, 5.617), (3.940, 6.282), (4.060, 6.255) U»ywaj c jako funkcji bazowych: 1, x, x2 x Rozwizanie w programie MATLAB: clc; x [0.955 1.38 1.854 2.093 2.674 3.006 3.255 3.940 4.060]; y [5.722 4.812 4.727 4.850 5.011 5.253 5.617 6.282 6.255]; fun1 inline('[1./x x]'); c fitnorm(x,y,fun1); xf linspace(min(x),max(x))'; Af feval(fun3,xf); yf Af*c; plot (x,y,'*',xf,yf,'-');

Spis uywanych komend: inline(expr) Tworzy funkcj zawart w expr