Linjär algebra förel. 10 Minsta kvadratmetoden



Relevanta dokument
14. Minsta kvadratmetoden

Vektorgeometri för gymnasister

Pre-Test 1: M0030M - Linear Algebra.

Linjär algebra på några minuter

Inför tentamen i Linjär algebra TNA002.

4 Fler deriveringsregler

Den räta linjens ekvation

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

Den räta linjens ekvation

Vektorgeometri för gymnasister

Exempel :: Spegling i godtycklig linje.

SF1624 Algebra och geometri

Vektorgeometri för gymnasister

Föreläsning 13 Linjär Algebra och Geometri I

Exempel :: Spegling i godtycklig linje.

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

Stokastiska vektorer och multivariat normalfördelning

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

DEL I. Matematiska Institutionen KTH. Lösning till tentamensskrivning på kursen Linjär algebra II, SF1604, den 17 april 2010 kl

Vectorer, spannet av vektorer, lösningsmängd av ett ekvationssystem.

TAIU07 Matematiska beräkningar med Matlab

8. Euklidiska rum 94 8 EUKLIDISKA RUM

MATEMATIK GU. LLMA60 MATEMATIK FÖR LÄRARE, GYMNASIET Analys, ht Block 5, översikt

Stora bilden av Linjära algebran. Vektorrum, linjära transformationer, matriser (sammanfattning av begrepp)

Vektorgeometri för gymnasister

Funktioner. Räta linjen

Betygsgränser: För betyg. Vem som har. Hjälpmedel: av papperet. Uppgift. 1. (4p) 0. (2p) 3 (2p) Uppgift. 2. (4p) B-2C om. vektor A (1p) b) Bestäm k så

Del I: Digitala verktyg är inte tillåtna. Endast svar krävs. Skriv dina svar direkt i provhäftet.

8 Minsta kvadratmetoden

MATEMATIK Datum: Tid: eftermiddag Hjälpmedel: inga. Mobiltelefoner är förbjudna. A.Heintz Telefonvakt: Tim Cardilin Tel.

25 november, 2015, Föreläsning 20. Tillämpad linjär algebra

Linjära ekvationer med tillämpningar

LYCKA TILL! kl 8 13

Att beräkna:: Avstånd

GeoGebra i matematikundervisningen - Inspirationsdagar för gymnasielärare. Karlstads universitet april

Lathund, samband & stora tal, åk 8

Linjära avbildningar. Låt R n vara mängden av alla vektorer med n komponenter, d.v.s. x 1 x 2. x = R n = x n

Motivet finns att beställa i följande storlekar

Föreläsning 2: Simplexmetoden. 1. Repetition av geometriska simplexmetoden. 2. Linjärprogrammeringsproblem på standardform.

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till modelltentamen DEL A

September 13, Vektorer En riktad sträcka P Q, där P Q, är en pil med foten i P och med spetsen i Q. Denna har. (i) en riktning, och

P Q = ( 2, 1, 1), P R = (0, 1, 0) och QR = (2, 2, 1). arean = 1 2 P Q P R

DN1230 Tillämpad linjär algebra Tentamen Onsdagen den 29 maj 2013

TANA17 Matematiska beräkningar med Matlab

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

TNA001- Matematisk grundkurs Tentamen Lösningsskiss

Räta linjer i 3D-rummet: Låt L vara den räta linjen genom som är parallell med

Minsta kvadratmetoden

Veckoblad 1, Linjär algebra IT, VT2010

Linjär algebra kurs TNA002

SKRIVNING I VEKTORGEOMETRI

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A. r cos t + (r cos t) 2 + (r sin t) 2) rdrdt.

STABILITET FÖR LINJÄRA HOMOGENA SYSTEM MED KONSTANTA KOEFFICIENTER

Vektorgeometri för gymnasister

Föreläsning G60 Statistiska metoder

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Thomas Erlandsson

Funktioner Exempel på uppgifter från nationella prov, Kurs A E

Numeriska metoder, grundkurs II. Dagens program. Hur skriver man en funktion? Administrativt. Hur var det man gjorde?

KOKBOKEN 1. Håkan Strömberg KTH STH

Lösningar kommer att läggas ut på kurshemsidan första arbetsdagen efter tentamenstillfället. Resultat meddelas via epost från LADOK.

LINJÄR ALGEBRA II LEKTION 6

TANA17 Matematiska beräkningar med MATLAB för M, DPU. Fredrik Berntsson, Linköpings Universitet. 9 november 2015 Sida 1 / 28

Veckoblad 4, Linjär algebra IT, VT2010

Kontsys F7 Skalärprodukt och normer

VEKTORRUMMET R n. 1. Introduktion

7. Max 0/1/1. Korrekt kombinerad ekvation och påstående i minst två fall med korrekt svar

3 Deriveringsregler. Vi ska nu bestämma derivatan för dessa fyra funktioner med hjälp av derivatans definition

x +y +z = 2 2x +y = 3 y +2z = 1 x = 1 + t y = 1 2t z = t 3x 2 + 3y 2 y = 0 y = x2 y 2.

Vektorgeometri för gymnasister

Moment 4.11 Viktiga exempel 4.32, 4.33 Övningsuppgifter Ö4.18-Ö4.22, Ö4.30-Ö4.34. Planet Ett plan i rummet är bestämt då

Målsättningar Proffesionell kunskap. Kunna hänvisa till lagar och definitioner. Tydlighet och enhetliga beteckningar.

tal. Mängden av alla trippel av reella tal betecknas med R 3 och x 1 x 2 En sekvens av n reella tal betecknas med (x 1, x 2,, x n ) eller

Vi ska titta närmare på några potensfunktioner och skaffa oss en idé om hur deras kurvor ser ut. Vi har tidigare sett grafen till f(x) = 1 x.

Planering för kurs A i Matematik

Laboration 5: Regressionsanalys. 1 Förberedelseuppgifter. 2 Enkel linjär regression DATORLABORATION 5 MATEMATISK STATISTIK FÖR I, FMS 012, HT-08

Omtentamen i DV & TDV

Mål Likformighet, Funktioner och Algebra år 9

SF1624 Algebra och geometri Tentamen med lösningsförslag onsdag, 11 januari 2017

SKRIVNING I VEKTORGEOMETRI

Stöd inför omtentamen i Linjär algebra TNA002.

Övningsuppgifter till Originintroduktion

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

Vektorgeometri för gymnasister

5 Blandade problem. b(t) = t. b t ln b(t) = e

6. Matriser Definition av matriser 62 6 MATRISER. En matris är ett rektangulärt schema av tal: a 11 a 12 a 13 a 1n a 21 a 22 a 23 a 2n A =

Bedömningsanvisningar

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

y y 1 = k(x x 1 ) f(x) = 3 x

1 basen B = {f 1, f 2 } där f 1 och f 2 skall uttryckas i koordinater i standardbasen.

MATEMATIK Datum: Tid: förmiddag. A.Heintz Telefonvakt: Christo er Standar, Tel.:

Planering Funktioner och algebra år 9

Vektorgeometri för gymnasister

Precis som var fallet med förra artikeln, Geogebra för de yngre i Nämnaren

Tentamen i Matematik 2: M0030M.

{ 1, om i = j, e i e j = 0, om i j.

TANA17 Matematiska beräkningar med MATLAB för M, DPU. Fredrik Berntsson, Linköpings Universitet. 8 december 2015 Sida 1 / 22

Algebraiska egenskaper hos R n i)u + v = v + U

TMV166 Linjär algebra för M, vt 2016

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

F12 Regression. Måns Thulin. Uppsala universitet Statistik för ingenjörer 28/ /24

Transkript:

Linjär algebra förel. 10 Minsta kvadratmetoden Niels Chr. Overgaard 015-09- c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 1 / 17

Data från 1 vuxna män vikt (kg) längd (m) 58 1,69 83 1,77 80 1,79 77 1,80 99 1,8 75 1,8 83 1,83 83 1,86 88 1,86 87 1,9 9 1,9 115,00 c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly / 17

BMI BMI (Body Mass Index) beräknas enligt formeln: BMI = vikt längd längd [ kg m ] För personer med normal vikt gäller: 18, 5 BMI < 5 BMI är alltså relativt konstant. Vi vill undersöka om vi kan hitta en konstant k sådan att vikt = k (längd) Då kommer k vara en skattning av försökspopulationens BMI. c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 3 / 17

BMI BMI (Body Mass Index) beräknas enligt formeln: BMI = vikt längd längd [ kg m ] För personer med normal vikt gäller: 18, 5 BMI < 5 BMI är alltså relativt konstant. Vi vill undersöka om vi kan hitta en konstant k sådan att vikt = k (längd) Då kommer k vara en skattning av försökspopulationens BMI. c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 3 / 17

BMI BMI (Body Mass Index) beräknas enligt formeln: BMI = vikt längd längd [ kg m ] För personer med normal vikt gäller: 18, 5 BMI < 5 BMI är alltså relativt konstant. Vi vill undersöka om vi kan hitta en konstant k sådan att vikt = k (längd) Då kommer k vara en skattning av försökspopulationens BMI. c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 3 / 17

Transformation av data y = vikt (kg) x = längd (m ) 58,86 83 3,13 80 3,0 77 3,4 99 3,31 75 3,31 83 3,35 83 3,46 88 3,46 87 3,69 9 3,69 115 4,00 c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 4 / 17

Vilken är den bästa räta linjen (genom origo)? c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 5 / 17

Problemformulering (principskiss) y y = kx y 5 y 4 y y 1 y 3 x 1 x x 3 x 4 x 5 x Hur väljar man lutningen k så att den räta linjen bäst beskriver mätdata? c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 6 / 17

Problemformulering (principskiss) y y = kx y 5 y 4 y y 1 y 3 x 1 x x 3 x 4 x 5 x Hur väljar man lutningen k så att den räta linjen bäst beskriver mätdata? c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 6 / 17

Modell och residualer För ett givet val av k kommer modellen att göra följande prediktioner: y y = kx y 1 ŷ 1 x 1 x x 3 x 4 x 5 x Fel = (y 1 ŷ 1 ) c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 7 / 17

Modell och residualer För ett givet val av k kommer modellen att göra följande prediktioner: y y = kx y 1 ŷ 1 x 1 x x 3 x 4 x 5 x Fel = (y 1 ŷ 1 ) c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 7 / 17

Modell och residualer För ett givet val av k kommer modellen att göra följande prediktioner: y y = kx y 1 ŷ 1 x 1 x x 3 x 4 x 5 x Fel = (y 1 ŷ 1 ) c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 7 / 17

Modell och residualer För ett givet val av k kommer modellen att göra följande prediktioner: y y = kx y 1 ŷ 1 x 1 x x 3 x 4 x 5 x Fel = (y 1 ŷ 1 ) + (y ŷ ) c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 8 / 17

Modell och residualer För ett givet val av k kommer modellen att göra följande prediktioner: y y = kx y 1 ŷ 1 x 1 x x 3 x 4 x 5 x Fel = (y 1 ŷ 1 ) + (y ŷ ) c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 8 / 17

Modell och residualer För ett givet val av k kommer modellen att göra följande prediktioner: y y = kx y 1 ŷ 1 x 1 x x 3 x 4 x 5 x Fel = (y 1 ŷ 1 ) + (y ŷ ) + (y 3 ŷ 3 ) + (y 4 ŷ 4 ) + (y 5 ŷ 5 ) = (y 1 kx 1 ) + (y kx ) + (y 3 kx 3 ) + (y 4 kx 4 ) + (y 5 kx 5 ) c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 9 / 17

Modell och residualer För ett givet val av k kommer modellen att göra följande prediktioner: y y = kx y 1 ŷ 1 x 1 x x 3 x 4 x 5 x Fel = (y 1 ŷ 1 ) + (y ŷ ) + (y 3 ŷ 3 ) + (y 4 ŷ 4 ) + (y 5 ŷ 5 ) = (y 1 kx 1 ) + (y kx ) + (y 3 kx 3 ) + (y 4 kx 4 ) + (y 5 kx 5 ) c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 9 / 17

Modell och residualer För ett givet val av k kommer modellen att göra följande prediktioner: y y = kx y 1 ŷ 1 x 1 x x 3 x 4 x 5 x Fel = (y 1 ŷ 1 ) + (y ŷ ) + (y 3 ŷ 3 ) + (y 4 ŷ 4 ) + (y 5 ŷ 5 ) = (y 1 kx 1 ) + (y kx ) + (y 3 kx 3 ) + (y 4 kx 4 ) + (y 5 kx 5 ) c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 9 / 17

Minsta kvadratmetoden: Problemformulring Problem: Bestäm det värde på lutningen k som gör att Fel = (y 1 kx 1 ) + (y kx ) + (y 3 kx 3 ) + (y 4 kx 4 ) + (y 5 kx 5 ) blir så liten som möjligt. Introducerar vektorerna x = (x 1, x, x 3, x 4, x 5 ) R 5 och y = (y 1, y, y 3, y 4, y 5 ) R 5 och observera att kx = (kx 1, kx, kx 3, kx 4, kx 5 ). Problemet ovan blir: Problem : Bestäm k R som löser y k x = min y kx k R c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 10 / 17

Minsta kvadratmetoden: Problemformulring Problem: Bestäm det värde på lutningen k som gör att Fel = (y 1 kx 1 ) + (y kx ) + (y 3 kx 3 ) + (y 4 kx 4 ) + (y 5 kx 5 ) blir så liten som möjligt. Introducerar vektorerna x = (x 1, x, x 3, x 4, x 5 ) R 5 och y = (y 1, y, y 3, y 4, y 5 ) R 5 och observera att kx = (kx 1, kx, kx 3, kx 4, kx 5 ). Problemet ovan blir: Problem : Bestäm k R som löser y k x = min y kx k R c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 10 / 17

Minsta kvadratmetoden: Problemformulring Problem: Bestäm det värde på lutningen k som gör att Fel = (y 1 kx 1 ) + (y kx ) + (y 3 kx 3 ) + (y 4 kx 4 ) + (y 5 kx 5 ) blir så liten som möjligt. Introducerar vektorerna x = (x 1, x, x 3, x 4, x 5 ) R 5 och y = (y 1, y, y 3, y 4, y 5 ) R 5 och observera att kx = (kx 1, kx, kx 3, kx 4, kx 5 ). Problemet ovan blir: Problem : Bestäm k R som löser y k x = min y kx k R c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 10 / 17

Allmänna problemet och dess lösning Problem: Givet vektorer x och y i R n. Bestäm det tal k R som uppfyller y k x = min y kx, k R d.v.s. det tal k som minimerar funktionen k y kx. Kom ihåg att skalärprodukt och längd definieras för vektorer x = (x 1, x,..., x n ) och y = (y 1, y,..., y n ) i R n som x y = x 1 y 1 + x y + + x n y n och = x x = x 1 + x + + x n c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 11 / 17

Det allmänna problemet och dess lösning II Lösningen beror på vårt hemliga vapen : kvadratkomplettering! kx y = (kx y) (kx y) = kx kx kx y + y y = k x kx y + y = k x k x x y + y ( = k x y ) ( x y ) + y c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 1 / 17

Det allmänna problemet och dess lösning II Lösningen beror på vårt hemliga vapen : kvadratkomplettering! kx y = (kx y) (kx y) = kx kx kx y + y y = k x kx y + y = k x k x x y + y ( = k x y ) ( x y ) + y c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 1 / 17

Det allmänna problemet och dess lösning II Lösningen beror på vårt hemliga vapen : kvadratkomplettering! kx y = (kx y) (kx y) = kx kx kx y + y y = k x kx y + y = k x k x x y + y ( = k x y ) ( x y ) + y c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 1 / 17

Det allmänna problemet och dess lösning II Lösningen beror på vårt hemliga vapen : kvadratkomplettering! kx y = (kx y) (kx y) = kx kx kx y + y y = k x kx y + y = k x k x x y + y ( = k x y ) ( x y ) + y c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 1 / 17

Det allmänna problemet och dess lösning II Lösningen beror på vårt hemliga vapen : kvadratkomplettering! kx y = (kx y) (kx y) = kx kx kx y + y y = k x kx y + y = k x k x x y + y ( = k x y ) ( x y ) + y c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 1 / 17

Det allmänna problemet och dess lösning II Lösningen beror på vårt hemliga vapen : kvadratkomplettering! kx y = (kx y) (kx y) = kx kx kx y + y y = k x kx y + y = k x k x x y + y ( = k x y ) ( x y ) + y c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 1 / 17

Det allmänna problemet och dess lösning II Lösningen beror på vårt hemliga vapen : kvadratkomplettering! kx y = (kx y) (kx y) = kx kx kx y + y y = k x kx y + y = k x k x x y + y ( = k x y ) ( x y ) + y c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 1 / 17

Det allmänna problemet och dess lösning III Vi har alltså uttrycket: ( kx y = k x y ) ( x y ) + y Felet blir minst möjligt om vi väljer k = k = x y, ty då blir första (icke-negativa) parentesen noll. Tolkning: Den vektor på formen kx som ligger närmast y är: Vi känner igen projektionsformeln! y := k x = x y x c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 13 / 17

Det allmänna problemet och dess lösning III Vi har alltså uttrycket: ( kx y = k x y ) ( x y ) + y Felet blir minst möjligt om vi väljer k = k = x y, ty då blir första (icke-negativa) parentesen noll. Tolkning: Den vektor på formen kx som ligger närmast y är: Vi känner igen projektionsformeln! y := k x = x y x c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 13 / 17

Det allmänna problemet och dess lösning III Vi har alltså uttrycket: ( kx y = k x y ) ( x y ) + y Felet blir minst möjligt om vi väljer k = k = x y, ty då blir första (icke-negativa) parentesen noll. Tolkning: Den vektor på formen kx som ligger närmast y är: Vi känner igen projektionsformeln! y := k x = x y x c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 13 / 17

Allmänna problemet och dess lösning IV Resultatet ovan ger oss följande bonus: 0 k x y = ( y x y ) alltså (x y) x y Cauchy-Schwarz olikhet För alla vektorer x och y i R n gäller olikheten x y x y. c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 14 / 17

Allmänna problemet och dess lösning IV Resultatet ovan ger oss följande bonus: 0 k x y = ( y x y ) alltså (x y) x y Cauchy-Schwarz olikhet För alla vektorer x och y i R n gäller olikheten x y x y. c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 14 / 17

Det allmänna problemet och dess lösning V Vi har redan definierat: där vi har y x. y = k x = x y x Sätter vi ser man att y = y k x = y y ( x y = x y x y ) x = x y x y = 0, så y x. Komposantuppdelning i R n : y = y + y där y x och y x. c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 15 / 17

Det allmänna problemet och dess lösning V Vi har redan definierat: där vi har y x. y = k x = x y x Sätter vi ser man att y = y k x = y y ( x y = x y x y ) x = x y x y = 0, så y x. Komposantuppdelning i R n : y = y + y där y x och y x. c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 15 / 17

Det allmänna problemet och dess lösning V Vi har redan definierat: där vi har y x. y = k x = x y x Sätter vi ser man att y = y k x = y y ( x y = x y x y ) x = x y x y = 0, så y x. Komposantuppdelning i R n : y = y + y där y x och y x. c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 15 / 17

Resultat för populationen Beräkning av bästa räta linjen (genom origo) ger: k = x y = 5.16 Vilket resulterar grafen: c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 16 / 17

En känd matematikprofessor (numerisk analytiker) har sagt: BMI divides the weight by too large a number for short people and too small a number for tall people. So short people are misled into thinking that they are thinner than they are, and tall people are misled into thinking they are fatter. Nick Trefethen Tack till de personer från KCE och Matematikinstitutionen (+ 3 till) som bidragit med real world data. c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 17 / 17

En känd matematikprofessor (numerisk analytiker) har sagt: BMI divides the weight by too large a number for short people and too small a number for tall people. So short people are misled into thinking that they are thinner than they are, and tall people are misled into thinking they are fatter. Nick Trefethen Tack till de personer från KCE och Matematikinstitutionen (+ 3 till) som bidragit med real world data. c N. Chr. Overgaard Förel. 9 015-09- logoonly 17 / 17