Minsta kvadratmetoden

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

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

8 Minsta kvadratmetoden

. b. x + 2 y 3 z = 1 3 x y + 2 z = a x 5 y + 8 z = 1 lösning?

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

1 Linjära ekvationssystem. 2 Vektorer

29 november, 2016, Föreläsning 21. Ortonormala baser (ON-baser) Gram-Schmidt s ortogonaliseringsprocess

14. Minsta kvadratmetoden

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

15 februari 2016 Sida 1 / 32

Föreläsning 5. Approximationsteori

Fö4: Kondition och approximation. Andrea Alessandro Ruggiu

25 november, 2015, Föreläsning 20. Tillämpad linjär algebra

LYCKA TILL! kl 8 13

SF1624 Algebra och geometri Bedömningskriterier till tentamen Fredagen den 22 oktober, 2010

Minstakvadratmetoden

Vektorgeometri för gymnasister

LÖSNINGAR TILL LINJÄR ALGEBRA kl LUNDS TEKNISKA HÖGSKOLA MATEMATIK

(a) Bestäm för vilka värden på den reella konstanten c som ekvationssystemet är lösbart. (b) Lös ekvationssystemet för dessa värden på c.

Veckoblad 4, Linjär algebra IT, VT2010

Enhetsvektorer. Basvektorer i två dimensioner: 1 1 Basvektorer i tre dimensioner: Enhetsvektor i riktningen v: v v

8.5 Minstakvadratmetoden

SF1624 Algebra och geometri

Vektorgeometri för gymnasister

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

15 september, Föreläsning 5. Tillämpad linjär algebra

1.1 MATLABs kommandon för matriser

TMV166 Linjär algebra för M, vt 2016

5.7. Ortogonaliseringsmetoder

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till modelltentamen DEL A

1 Grundläggande kalkyler med vektorer och matriser

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

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

ax + y + 2z = 3 ay = b 3 (b 3) z = 0 har (a) entydig lösning, (b) oändligt många lösningar och (c) ingen lösning.

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A. (1 p) (c) Bestäm avståndet mellan A och linjen l.

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

1 De fyra fundamentala underrummen till en matris

Lösningsförslag till skrivningen i Vektorgeometri (MAA702) måndagen den 30 maj 2005

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

Ortogonal dekomposition. Minstakvadratmetoden.

1. (Dugga 1.1) (a) Bestäm v (3v 2u) om v = . (1p) and u =

8. Euklidiska rum 94 8 EUKLIDISKA RUM

= ( 1) ( 1) = 4 0.

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Svar till tentan. Del A. Prov i matematik Linj. alg. o geom

SF1624 Algebra och geometri

Modul 1: Komplexa tal och Polynomekvationer

Tentamen TMV140 Linjär algebra Z

SKRIVNING I VEKTORGEOMETRI Delkurs

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Sammanfattning av föreläsningarna

Linjär algebra och geometri I

Tentamen TAIU07 Matematiska beräkningar med MATLAB för MI

Övningar. c) Om någon vektor i R n kan skrivas som linjär kombination av v 1,..., v m på precis ett sätt så. m = n.

November 6, { b1 = k a

SF1624 Algebra och geometri

Lösningsförslag till skrivningen i Vektorgeometri (MAA702) Måndagen den 13 juni 2005

UPPSALA UNIVERSITET Matematiska institutionen Styf. Exempeltenta med lösningar Programmen EI, IT, K, X Linjär algebra juni 2004

Inför tentamen i Linjär algebra TNA002.

Minsta-kvadratmetoden

Linjär Algebra, Föreläsning 8

SKRIVNING I VEKTORGEOMETRI

Övningar. MATEMATISKA INSTITUTIONEN STOCKHOLMS UNIVERSITET Avd. Matematik. Linjär algebra 2. Senast korrigerad:

Vektorgeometri för gymnasister

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

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Thomas Erlandsson

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförsag till modelltentamen

Isometrier och ortogonala matriser

LÖSNINGAR TILL LINJÄR ALGEBRA kl 8 13 LUNDS TEKNISKA HÖGSKOLA MATEMATIK. 1. Volymen med tecken ges av determinanten.

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

Studiehandledning till linjär algebra Avsnitt 4

Föreläsningsanteckningar Linjär Algebra II Lärarlyftet

Chalmers tekniska högskola Datum: kl Telefonvakt: Linnea Hietala MVE480 Linjär algebra S

LINJÄR ALGEBRA II LEKTION 6

Vektorgeometri för gymnasister

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

Linjär algebra och geometri 1

A = (3 p) (b) Bestäm alla lösningar till Ax = [ 5 3 ] T.. (3 p)

SKRIVNING I VEKTORGEOMETRI

Lösningar till några övningar inför lappskrivning nummer 3 på kursen Linjär algebra för D, vt 15.

Frågorna 1 till 6 ska svaras med ett kryss för varje korrekt påstående. Varje uppgift ger 1 poäng. Använd bifogat formulär för dessa 6 frågor.

16.7. Nollrum, värderum och dimensionssatsen

. (2p) 2x + 2y + z = 4 y + 2z = 2 4x + 3y = 6

LINJÄR ALGEBRA II LEKTION 3

Enkel och multipel linjär regression

Moment Viktiga exempel Övningsuppgifter

Tentamen i Linjär algebra (TATA31/TEN1) ,

Linjär algebra och geometri I

2 Matrisfaktorisering och lösning till ekvationssystem

Vektorgeometri för gymnasister

16.7. Nollrum, värderum och dimensionssatsen

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till modelltentamen DEL A

3 1 = t 2 2 = ( 1) ( 2) 1 2 = A(t) = t 1 10 t

Definition 1 Ett vektorrum M (över R) är en mängd element, vektorer, sådan att det finns en kommutativ operation + på mängden M som uppfyller

Preliminärt lösningsförslag

SF1624 Algebra och geometri

DEL I. Matematiska Institutionen KTH. Lösning till tentamensskrivning på kursen Linjär algebra II, SF1604 för D, den 5 juni 2010 kl

SF1624 Algebra och geometri Tentamen Torsdag, 9 juni 2016

1 LP-problem på standardform och Simplexmetoden

Vectorer, spannet av vektorer, lösningsmängd av ett ekvationssystem.

SF1624 Algebra och geometri

TMV166 Linjär Algebra för M. Tentamen

Transkript:

Minsta kvadratmetoden där Överbestämda ekvationssystem Det är lämpligt att uppfatta matrisen A som bestående av n kolonnvektorer: A a a a n a a a n a n a n a nn a j a j a nj a a a n j n Då kan vi skriva ekvationssystemet Ax b på formen x a + x a + + x n a n b () Systemet är lösbart för varje högerledet b då och endast då kolonnvektorerna a a a n utgör en bas i R n eller ekvivalent då kolonnvektorerna är linjärt oberoende: d a + d a + + d n a n då och endast då talen d j j n En matris A vars kolonnvektorer är linjärt oberoende är inverterbar (icke-singulär) och systemet Ax b har entydig lösning för varje högerledet b Påminn att rangen för en matris A rang(a) är antalet linjärt oberoende kolonnvektorer i A Om A är en m n matris så är rangen högst lika med min{m n} Betrakta t ex två matriser A B Vi har rang(a) (A har full rang) och rang(b) (B inte har full rang) Antag att vi har ett överbestämt ekvationssystem Ax b där A är en matris av typ m n med m > n Problemet att lösa ett överbestämt system är ekvivalent med att bestämma en linjär -kombinationen av kolonnvektorerna så att denna är lika med b Detta är i allmänhet omöjligt: vi har n kolonnvektorer: a a a n och då m > n kan de inte utgöra en bas i R m som är ett rum av dimension m Antag t ex att m och n och betrakta ett överbestämt system a x + a x b a x + a x b () a x + a x b

som skrivas på formen () där a och a är två vektorer i R a x a + x a b () a a a a Om vektorerna a och a är linjärt oberoende spänner de upp ett plan i R och man kan inte förutsätta att vektorn b ligger i detta plan Exempel Betrakta överbestämda systemet som skrivas på formen () där vektorerna a a a a x + x b x + x b (4) x + x b x a + x a b (5) a är linjärt oberoende och spänner upp planet i R Minsta kvadratproblem Eftersom vi inte kan lösa det överbestämda systemet får vi nöja oss med att bestämma en vektor s sådan att residualvektorn r b Ax (6) blir liten n r x j min (7) j så söker vi minsta kvadratlösnigen till det överbestämda systemet: x bestäms så att summan av kvadraterna av komponenterna i residualvektorn blir minimal Givet ett överbestämt ekvationssystem Ax b där A är en rektangulär matris av typ m n m > n Minsta kvadratmetoden innebär att den euklidiska normen av residualvektorn minimeras dvs x bestäms som lösnig till minimeringsproblemet min x b Ax

Enligt definitionen och formulering av minsta kvadratproblemet ska vi bestämma en linjär kombination av vektorerna a och a så att residualvektorn blir så kort som möjligt Eftersom alla linjärkombinationer av vektorerna ligger i planet i figuren blir längen av residualvektorn r minimal om r är normal till planet Villkoret att r ska vara normal till planet är detsamma att r är ortogonal till vektorerna som spänner upp planet dvs skalarprodukterna I det allmänna fallet ges lösningen analogt a T r a T r Om kolonnvektorerna i A är linjärt oberoende är matrisen A T A positivt definit och minsta kvadratproblemet har en entydig lösning som fås ur normalekvationerna min x b Ax (8) A T Ax A T b och Vi har Exempel Vi ska lösa minsta kvadratproblemet (8) för systemet (4) där A T A A A T b a a a b A T blir 6 6 4 + + + + a + + + + + + + + A T Ax A T b x 6 6 4

som har lösningen x / / Den här vektorn som bäst approximerar lösningen i minsta kvadratmetodem mening illustreras i figur Antag också att vi vill anpassa en rät linje till följande data: t f(t) Om vi ansätter den räta linjen f(t) på formen f c + c t får vi minsta kvadratproblemet (8) med systemet som skrivas på formen () Lösningen är c c och den räta linjen f(t) / + t/ Exempel c + c c + c c + c / / Vi ska lösa minsta kvadratproblemet (8) för överbestämda systemet x + x b x + x b x + x b (9) x + 4x b x + 5x b som skrivas på formen () där matrisen A a a a 4 5 och högerledet b 8 4 6 4 a 4 5

Vi har A T b 4 5 8 4 6 A T A A T 4 5 8 + + 4 + 6 + 8 + + 4 + 4 6 + 5 4 5 4 5 + + + + + + + 4 + 5 + + + 4 + 5 + + + 4 4 + 5 5 blir 5 5 5 55 som har lösningen A T Ax A T b x x 46 696 4 5 5 5 55 696 4 Den räta linje F (t) x + x t 46 + t som bäst approximerar mätvärdena i minsta kvadratmetodem mening illustreras i figur Vi har t F (t) 748 8 7 exakt data 9 4 4 74 6 5 6 Exempel 4 Antag att vi ska anpassa en rät linje till följande data: t f(t) 998 765 999 498 5 5888 684 5

Om vi ansätter den räta linjen på formen f c + c t får vi minsta kvadratproblemet (8) med som skrivas på formen () där matrisen och högerledet Vi har A T A A A T b 998 999 x + 998x b x + 999x b x + x b () x + x b x + x b a a a b 765 498 5 5888 684 a A T 998 999 765 498 998 999 5 5888 684 998 999 A T Ax A T b 998 999 998 999 558 565 5 5 5 5 blir som har lösningen 5 5 5 5 x x 647769 65 558 565 6

Om man istället väljer framställningen f b + b (t ) får vi minsta kvadratproblemet (8) med matrisen A och samma högerledet b A T b A T A 5 765 498 5 5888 684 A T Ax A T b 558 658 blir 5 som har lösningen x x 5 65 558 658 Minsta kvadratmetoden med MATLAB I MATLAB löser man minsta kvadratproblem direkt med \ Om det överbestämda ekvationssystemet inte har en entydig lösning i minstakvadratmening vilket inträffar då systemsmatrisen A inte har full rang sätts öbestämda x-värden till och en varning skrivs utt Exempel: A B MATLABsatsen >> fullrang A\b ejfullrang B\b ger kolonnvektorerna fullrang -5 Warning: Rank deficient rank sol 46e-5 ejfullrang b 7