Fö4: Kondition och approximation. Andrea Alessandro Ruggiu

Relevanta dokument
TANA09 Föreläsning 5. Matrisnormer. Störningsteori för Linjära ekvationssystem. Linjära ekvationssystem

Föreläsning 5. Approximationsteori

Minsta kvadratmetoden

2 Matrisfaktorisering och lösning till ekvationssystem

x 2 x 1 W 24 november, 2016, Föreläsning 20 Tillämpad linjär algebra Innehåll: Projektionssatsen Minsta-kvadratmetoden

TANA17 Matematiska beräkningar med MATLAB för M, DPU. Fredrik Berntsson, Linköpings Universitet. 26 november 2015 Sida 1 / 28

1.1 MATLABs kommandon för matriser

Fel- och störningsanalys

TMV166 Linjär Algebra för M. Tentamen

NUMPROG, 2D1212, vt Föreläsning 1, Numme-delen. Linjära ekvationssystem Interpolation, Minstakvadratmetoden

Linjära ekvationssystem

Fel- och störningsanalys

2D1240 Numeriska metoder gk II för T2, VT Störningsanalys

Linjära ekvationssystem

Numerisk Analys, MMG410. Exercises 2. 1/33

November 6, { b1 = k a

Interpolation Modellfunktioner som satisfierar givna punkter

2D1250 Tillämpade numeriska metoder II Läsanvisningar och repetitionsfrågor:

Kurvanpassning. Kurvanpassning jfr lab. Kurvanpassning jfr lab

TANA19 NUMERISKA METODER

Vektorgeometri för gymnasister

Denna föreläsning. DN1212 Numeriska metoder och grundläggande programmering FN Standardform för randvärdesproblem

Normer och Kondition

Del I: Lösningsförslag till Numerisk analys,

Institutionen för Matematiska Vetenskaper TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA

8. Euklidiska rum 94 8 EUKLIDISKA RUM

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

Stokastiska vektorer

Teorifrågor. 6. Beräkna konditionstalet för en diagonalmatris med diagonalelementen 2/k, k = 1,2,...,20.

a = a a a a a a ± ± ± ±500

Minsta-kvadratmetoden

DN1230 Tillämpad linjär algebra Tentamen Onsdagen den 29 maj 2013

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

Denna föreläsning. DN1212 Numeriska metoder och grundläggande programmering FN Felfortplantning och kondition

25 november, 2015, Föreläsning 20. Tillämpad linjär algebra

14. Minsta kvadratmetoden

SKRIVNING I VEKTORGEOMETRI Delkurs

KTH 2D1240 OPEN vt 06 p. 1 (5) J.Oppelstrup

Interpolation. 8 december 2014 Sida 1 / 20

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen Lördagen den 5 juni, 2010 DEL A

Varning!!! Varning!!!

Lösningar till SF1852 Optimeringslära för E, 16/1 08

8.5 Minstakvadratmetoden

LAB 3. INTERPOLATION. 1 Inledning. 2 Interpolation med polynom. 3 Splineinterpolation. 1.1 Innehåll. 3.1 Problembeskrivning

% Föreläsning 3 10/2. clear hold off. % Vi börjar med att titta på kommandot A\Y som löser AX=Y

LINJÄR ALGEBRA II LEKTION 6

Föreläsningsanteckningar Linjär Algebra II Lärarlyftet

TENTAMEN I GRUNDKURS I NUMERISKA METODER - DEL 20

Numerisk Analys, MMG410. Lecture 12. 1/24

Tentamen i Beräkningsvetenskap I (nya versionen), 5.0 hp, Del A

Lösningar tentamen i kurs 2D1210,

Moment Viktiga exempel Övningsuppgifter

Minstakvadratmetoden

November 17, 2015 (1) en enda lsg. Obs det A = 1 0. (2) k-parameter lsg. Obs det A = 0. k-kolonner efter sista ledande ettan

Komplettering till kursboken i Numeriska beräkningar. 1 Beräkningsfelsanalys. 1.1 Uttryck med kancellation

Mer om texter i MATLAB och om iterativ lösning av linjära ekvationssystem

Tentamen i Teknisk-Vetenskapliga Beräkningar

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförsag till modelltentamen

Tentamen TANA17 Matematiska beräkningar Provkod: DAT1 Godkänd: 9p av totalt 20p Hjälpmedel: MATLAB

SF1624 Algebra och geometri

Institutionen för Matematik TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA DAG: Fredag 16 januari 2009 TID:

TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA671

TANA09 Föreläsning 8. Kubiska splines. B-Splines. Approximerande Splines. B-splines. Minsta kvadrat anpassning. Design av kurvor och ytor.

8 Minsta kvadratmetoden

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

1 De fyra fundamentala underrummen till en matris

Institutionen för Matematik. F1 - Linjär algebra och numerisk analys, TMA671 Svar till övningar i Heath s bok och extraövningar

Linjär algebra F1 Ekvationssystem och matriser

Lösningar till utvalda uppgifter i kapitel 8

Moment 5.5 Övningsuppgifter I 5.60a. 5.60b, 5.60.c, 61

Approximerande Splines. B-splines. Minsta kvadrat anpassning. Design av kurvor och ytor.

Linjär Algebra och Numerisk Analys TMA 671, Extraexempel

TAIU07 Matematiska beräkningar med Matlab

Omtentamen i DV & TDV

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

För teknologer inskrivna H06 eller tidigare. Skriv GAMMAL på omslaget till din anomyna tentamen så att jag kan sortera ut de gamla teknologerna.

2. (a) Skissa grafen till funktionen f(x) = e x 2 x. Ange eventuella extremvärden, inflektionspunkter

Egenvärden och egenvektorer

15 februari 2016 Sida 1 / 32

TMV142/186 Linjär algebra Z/TD

Tentamen i Beräkningsvetenskap I, DV, 5.0 hp, OBS: Kurskod 1TD394

Vektorrum. EX. Plan och linjer i rummet genom origo. Allmänt; mängden av lösningar till AX = 0.

1 Linjära ekvationssystem. 2 Vektorer

Numerisk Analys, MMG410. Lecture 13. 1/58

TMV166 Linjär algebra för M, vt 2016

Veckoblad 4, Linjär algebra IT, VT2010

1 Duala problem vid linjär optimering

Institutionen för Matematik TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA DAG: Fredag 30 augusti 2002 TID:

Här är ett antal uppgifter, en del tagna från gamla tentamina, som handlar om basbyte. respektive B = uttryckta i basen A

Konvergens för iterativa metoder

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A. t 2

OH till Föreläsning 5, Numme K2, GNM Kap 4-4.4A / GKN Kap 4.1A,(D),E Interpolation. Läsa mellan raderna. Allmän polynom-interpolation

DN1212 Numeriska Metoder och Grundläggande Programmering DN1214 Numeriska Metoder för S Lördag , kl 9-12

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

SF1624 Algebra och geometri Tentamen Onsdag, 13 januari 2016

Tentamen i Linjär algebra (TATA31/TEN1) ,

t Möjliga lösningar? b

SKRIVNING I VEKTORGEOMETRI

Vektorgeometri för gymnasister

1 Konvexa optimeringsproblem grundläggande egenskaper

Transkript:

TANA21/22 HT2018 Fö4: Kondition och approximation Andrea Alessandro Ruggiu

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 1 Konditionstal

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 2 Kondionstal Konditionstal är ett mått på hur väl ett visst problem lämpar sig för numeriska beräkningar. Skiss på tavlan: Ax = b, A är 2 2, störning i b.

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 3 För att analysera ett ekvationssystems kondition behövs vektor- och matris-normer. Vanliga vektornormer: n x 2 = i=1 x i 2, två-norm (längden) x 1 = n i=1 x i, ett-norm x = max i=1,...,n x i, max-norm Exempel: låt x = (1, 2, 1, 3) T, x 2 = (1) 2 + (2) 2 + ( 1) 2 + (3) 2 3.87, x 1 = 1 + 2 + 1 + 3 = 7, x = 3.

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 4 Matrisnorm Låt A R m n. Matrisnorm definieras från vektornorm Ax p A p = sup, p {1, 2,..., } x 0 x p Matrisnormen sägs vara inducerad ur vektornormen. Den uppfyller A B A B och Ax A x.

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 5 Matrisnorm Låt A R m n. Matrisnorm definieras från vektornorm Ax p A p = sup x 0 x p = sup Ax p x =1 OBS: Två ekvivalenta uttryck, eftersom y = x/ x p leder till ( ) p A x p y Ax p sup x 0 x p = sup x 0 = sup x 0 x p x p Ay p = sup Ay x p p y p =1

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 6 Matrisnorm Låt A R m n. Matrisnorm definieras från vektornorm Ax p A p = sup x 0 x p = sup Ax p x =1 A 1 = max j=1,...,n m i=1 a ij, max(kol.-beloppssumma) A = max i=1,...,m n j=1 a ij, max(rad-beloppssumma) Exempel: A = 1 2 4 1 1 2 5 2 3 7 5 9 A 1 = 9

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 6 Matrisnorm Låt A R m n. Matrisnorm definieras från vektornorm Ax p A p = sup x 0 x p = sup Ax p x =1 A 1 = max j=1,...,n m i=1 a ij, max(kol.-beloppssumma) A = max i=1,...,m n j=1 a ij, max(rad-beloppssumma) Exempel: 1 2 4 A = 1 1 2 5 2 3 7 4 10 A = 10

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 7 Konditionstalet i p-normen för en matris A definieras som κ p (A) = A p A 1 p κ p (A) 1 eftersom 1 = I p = A A 1 p A p A 1 p = κ p (A). Om κ p (A) är stort är A illa-konditionerad. Vad betyder det?

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 8 Sats (Störningsanalys för Ax = b) Antag att vi vill lösa Ax = b, där A är exakt, och b = b b. Då gäller x p x p κ p (A) b p b p Om κ p (A) är stort är A illa-konditionerad. Det betyder att relativt fel för x blir ganska stort, även om relativt fel för b är litet!

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 9 Bevis. Vi löser Ax = b där x = x x. Vi vet att Ax = b. A (x + x) = }{{}} b + {{ b } x b A x = b x = A 1 b b p = Ax p A p x p x p = A 1 b p A 1 p b p Multiplicera (alla är positiva) b p x p A p x p A 1 p b p. Dividera nu med x p b p, så är beviset klart.

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 10 Exempel: [ ] 1 1 A = 1 1.01 b = [ ] 2.00 2.01 ( b) i 0.5 10 2 Uppskatta relativt fel för x i max-norm x / x. Vi behöver [ ] A 1 101 100 = 100 100 och κ (A) = A }{{ A 1 } = 404.01. }{{} =1+1.01 =101+100 x x κ (A) b b 0.5 10 2 404.01 2.01 1.005

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 11 Exempel: [ ] 1 1 A = 1 1.01 b = [ ] 2.00 2.01 ( b) i 0.5 10 2 x x 1.005. Vi vet b leder till x = (1, 1) T och x 1.005 x 1.005 x }{{ = 1.005. } =1 [ ] 1 ± 1.005 x = 1 ± 1.005 Felet kan vara större än närmevärdet!

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 12 Exempel: A = [ ] 1 1 1 1.01 b = [ ] 2.00 2.01 ( b) i 0.5 10 2 x 1.005 x [ ] 1 x = 1 OBS: b = [ ] 2.005 2.005 leder till x = [ ] 2.005 0

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 13 Approximation

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 14 1.4 1.35 x 10 5 Linköpings befolkning, årliga avläsningar 1982 1991 avlästa data Hur kan vi få en framtidsprognos mha givna data 1.3 1.25 1.2 1.15 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 Figur: Givna data.

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 15 1.4 x 10 5 rät linje givna data fler data Linköpings befolkning 1.35 1.3 1.25 1.2 1.15 1985 1990 1995 2000 Figur: Framtidprognos med rät linje.

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 16 1.4 x 10 5 andragradspolynom givna data fler data Linköpings befolkning 1.35 1.3 1.25 1.2 1.15 1985 1990 1995 2000 Figur: Framtidprognos med andragradspolynom.

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 17 1.4 x 10 5 femtegradspolynom givna data fler data Linköpings befolkning 1.35 1.3 1.25 1.2 1.15 1985 1990 1995 2000 Figur: Framtidprognos med femtegradspolynom.

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 18 Approximation Idé: Anpassa f (x) = c 0 + c 1 x +... + c n x n 1 till data (x, y) R m 2, där typiskt n << m. min f (x) y 1 : avvikande datapunkter påverkar lite. min f (x) y : min f (x) y 2 : avvikande datapunkter påverkar mycket. anpassar sig bra till alla datapunkterna. Minsta kvadratmetoden utjämnar mätfel!

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 19 Minsta kvadratmetoden Anpassa ett andragradspolynom till x 101 102 104 105 y 2 2 3.3 6 Ansätt p(x) = c 0 + c 1 (x 103) + c 2 (x 103) 2, där 103 är medelvärdet av x. Stoppa in data: p(101) : c 0 2c 1 + 4c 2 = 2 p(102) : c 0 1c 1 + 1c 2 = 2 p(104) : c 0 + c 1 + c 2 = 3.3 p(105) : c 0 + 2c 1 + 4c 2 = 6 Ac = y

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 20 Ac = y saknar lösning (överbestämt) så vi minimera y Ac 2. Lösningen ges av normalekvationerna: A T Ac = A T y Bevis: y Ac 2 2 = (y Ac)T (y Ac) = y 2 2 2yT Ac + c T A T Ac. c y Ac 2 2 = 2yT A1 + 1 T A T Ac + c T A T A1 = 2 ( 1, A T y ) 2 + 2 ( 1, A T Ac ) 2 c y Ac 2 = 0 A T Ac = A T y

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 21 Ac = y saknar lösning (överbestämt) så vi minimera y Ac 2. Lösningen ges av normalekvationerna: A T Ac = A T y 1 2 4 1 1 1 1 A T A = 2 1 1 2 1 1 1 4 0 10 1 1 1 = 0 10 0 4 1 1 4 10 0 34 1 2 4 ( där κ A T A ) 54 och 1 1 1 1 A T y = 2 1 1 2 4 1 1 4 2 2 3.3 6 13.3 = 9.3 37.3

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 22 Lös [ A T A A T y ] = 4 0 10 13.3 0 10 0 9.3 10 0 34 37.3 OBS: pivotering behövs ej ty A T A är symmetrisk och positivt definit! Gauss-elimination ger 4 0 10 13.3 0 10 0 9.3 2.5 0 9 4.05 c 0 = 2.2 c 1 = 0.93 c 2 = 0.45

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 23 Krav på ansatsens form Allmänt f (x) = c 0 ϕ 0 (x) + c 1 ϕ 1 (x) +... + c n ϕ n (x), där c i är sökta konstanter; ϕ i (x) är givna linjärt oberoende funktioner. Till exempel: 1, x, x 2,... sin(x), cos(x), sin(2x),...

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 24 Fördel med ansatsen Alternativt: ansätt p(x) = k 0 + k 1 x + k 2 x 2. Stoppa in data: p(101) : k 0 + 101k 1 + 101 2 k 2 = 2 p(102) : k 0 + 102k 1 + 102 2 k 2 = 2 p(104) : k 0 + 104k 1 + 104 2 k 2 = 3.3 p(105) : k 0 + 105k 1 + 105 2 k 2 = 6 Bk = y 4 412 42446 B T ( B = 412 42446 4373998, κ B T B ) 5.8 10 15 42446 4373998 450840098

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 25 Stort konditionstal medför risk för sämre noggrannhet i lösningen k = (k 0, k 1, k 2 ) T. Matrisen A T A har κ ( A T A ) 54 och är mycket bättre konditionerad.

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 26 OBS: pivotering behövs ej i minsta kvadratmetoden, för att A T A (och B T B...) är symmetrisk och positivt definit. ( A T A ) T = A T ( A T ) T = A T A; x T A T Ax = (Ax) T (Ax) = y T y = y 2 1 +... + y 2 n > 0 om A har linjärt oberoende kolumner och x 0.

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 27 Minsta kvadratmetoden i MATLAB Vi har vektorer x, y och vi vill anpassa polynom av grad n. Figur: Alternativ 1. OBS: polyfit använder (x x) /σ för att beräkna minsta kvadratmetodens lösningen. Koefficienterna räknas ändå för 1, x, x 2,... basen.

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 28 Minsta kvadratmetoden i MATLAB Vi har vektorer x, y och vi vill anpassa polynom av grad n. Figur: Alternativ 2. OBS: c = A\y går också bra, A överbestämd konstateras.

Kondition och approximation A.A.Ruggiu 13:e September 2018 29 Övning Jämför i MATLAB alternativ 1 och 2. Ger dem samma polynom?

Andrea Alessandro Ruggiu www.liu.se