14. MINSTAKVADRATMETODEN

Relevanta dokument
Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Thomas Erlandsson

Matris invers, invers linjär transformation.

GEOMETRISKA VEKTORER Vektorer i rummet.

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Sammanfattning av föreläsningarna 5-7.

Tentamen 1 i Matematik 1, HF dec 2016, kl. 8:00-12:00

Analys o 3D Linjär algebra. Lektion 16.. p.1/53

Vilken rät linje passar bäst till givna datapunkter?


Kontrollskrivning 3 till Diskret Matematik SF1610, för CINTE1, vt 2019 Examinator: Armin Halilovic Datum: 2 maj

Tentamen i Analys B för KB/TB (TATA09/TEN1) kl 08 13

Trigonometri. 2 Godtyckliga trianglar och enhetscirkeln 2. 3 Triangelsatserna Areasatsen Sinussatsen Kosinussatsen...

SF1625 Envariabelanalys

Löpsedel: Integraler. Block 4: Integraler. Lärobok. Exempel (jfr lab) Exempel (jfr lab) Integrering i Matlab

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen T Erlandsson

Exponentiella förändringar

LINJÄR ALGEBRA II LEKTION 1

Enhetsvektorer. Basvektorer i två dimensioner: Basvektorer i tre dimensioner: = i. Enhetsvektor i riktningen v: v v. Definition: Vektorprodukt

GEOMETRISKA VEKTORER Vektorer i rummet.

y > 0, 0 < y <1 y växande, 0 < y < 1

Sidor i boken

Sammanfattning, Dag 9

Ï x: 0 Æ 1 Ì [ ] y > 0, 0 < y <1 y växande, 0 < y < 1

Föreläsning 7: Trigonometri

Uppgiftssamling 5B1493, lektionerna 1 6. Lektion 1

SF1625 Envariabelanalys

EGENVÄRDEN och EGENVEKTORER

Finaltävling den 20 november 2010

Associativa lagen för multiplikation: (ab)c = a(bc). Kommutativa lagen för multiplikation: ab = ba.

Bokstavsräkning. Regler och knep vid bokstavsräkning

Lösningsförslag till tentamen i SF1683 och SF1629 (del 1) 23 oktober 2017

KVADRATISKA MATRISER, DIAGONALMATRISER, MATRISENS SPÅR, TRIANGULÄRA MATRISER, ENHETSMATRISER, INVERSA MATRISER

Preliminär version 2 juni 2014, reservation för fel. Tentamen i matematik. Kurs: MA152G Matematisk Analys MA123G Matematisk analys för ingenjörer

1 e x2. lim. x ln(1 + x) lim. 1 (1 x 2 + O(x 4 )) = lim. x 0 x 2 /2 + O(x 3 ) x 2 + O(x 4 ) = lim. 1 + O(x 2 ) = lim = x = arctan x 1

Byt till den tjocka linsen och bestäm dess brännvidd.

9. Vektorrum (linjära rum)

V1. Intervallet [a,b] är ändligt, dvs gränserna a, b är reella tal och INTE ±. är begränsad i intervallet [a,b].

vara n-dimensionella vektorer. Skalärprodukten av a och b betecknas a b ) vara tvådimensionella vektorer. Skalärprodukten av a och b är

TENTAMEN. Matematik för basår I. Massimiliano Colarieti-Tosti, Niclas Hjelm & Philip Köck :00-12:00

============================================================ V1. Intervallet [a,b] är ändligt, dvs gränserna a, b är reella tal och INTE.

V1. Intervallet [a,b] är ändligt, dvs gränserna a, b är reella tal och INTE ±. är begränsad i intervallet [a,b].

Avsnitt 3. Determinanter. Vad är en determinant? Snabbformler för små determinanter

Kan det vara möjligt att med endast

Kvalificeringstävling den 2 oktober 2007

Rationella uttryck. Förlängning och förkortning

x = x = x = x=3 x=5 x=6 42 = 10x x + 10 = 15 x = = 20 x = 65 x + 36 = 46

ORTONORMERAT KOORDINAT SYSTEM. LÄNGDEN AV EN VEKTOR. AVSTÅND MELLEN TVÅ PUNKTER. MITTPUNKT. TYNGDPUNKT. SFÄR OCH KLOT.

12. SINGULÄRA VÄRDEN. (u Av) u v

Algebraiska uttryck: Introduktionskurs i matematik. Räknelagar: a = b a. a b. Potenser: 1. = ( n gånger )

PASS 1. RÄKNEOPERATIONER MED DECIMALTAL OCH BRÅKTAL

SLING MONTERINGS- OCH BRUKSANVISNING

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen 8 juni 2011, Svar och lösningsförslag

Tillämpning - Ray Tracing och Bézier Ytor. TANA09 Föreläsning 3. Icke-Linjära Ekvationer. Ekvationslösning. Tillämpning.

Tyngdkraftfältet runt en (stor) massa i origo är. F(x, y, z) =C (x 2 + y 2 + z 2 ) 3 2

FORMELLA SPRÅK, AUTOMATER OCH BERÄKNINGSTEORI ÖVNINGSUPPGIFTER PÅ REGULJÄRA SPRÅK

Mat Grundkurs i matematik 1, del III

Volum av rotationskroppar. Båglängd, rotationsytor. Adams 7.1, 7.2, 7.3

Dagens ämnen. Repetition: kvadratiska former och andragradskurvor Andragradsytor System av differentialekvationer

AUBER 95 9 jan LÖSNINGAR STEG 1:

Listor = generaliserade strängar. Introduktion till programmering SMD180. Föreläsning 8: Listor. Fler listor. Listindexering.

definitioner och begrepp

Studieplanering till Kurs 3b Grön lärobok

============================================================ V1. Intervallet [a,b] är ändligt, dvs gränserna a, b är reella tal och INTE ±.

Programmeringsguide ipfg 1.6

Repetitionsuppgifter i matematik

Matematiska uppgifter

Rektangulär kanal, K. Produktbeteckning. Beteckningsexempel. Sida A (se storlekstabell) Sida B (se storlekstabell)

= y(0) 3. e t =Ce t, y = =±C 1. 4 e t.

Uttryck höjden mot c påtvåolikasätt:

24 Integraler av masstyp

Induktion LCB 2000/2001

TMV151/TMV181. Fredrik Lindgren. 19 november 2013

Tentamen Programmeringsteknik II Skrivtid: Skriv läsligt! Använd inte rödpenna! Skriv bara på framsidan av varje papper.

1. (6p) (a) Använd delmängdskonstruktionen för att tillverka en DFA ekvivalent med nedanstående NFA. (b) Är den resulterande DFA:n minimal? A a b.

Lösningar och kommentarer till uppgifter i 1.2

Generaliserade integraler

Tentamen 1 i Matematik 1, HF1903 Tor 25 sep 2014, kl 13:15-17:15

a sin 150 sin 15 BC = BC AB 1.93 D C 39º 9.0

FÖRSÄTTSBLAD TILL TENTAMEN. ELLER (fyll bara i om du saknar tentamenskod): Datum: 21 december Bordsnummer:

FEM2: Randvärdesproblem och finita elementmetoden i flera variabler

UPPTÄCK OCH DEFINIERA SAMBANDET MELLAN TVÅ OMRÅDEN SOM DELAS AV GRAFEN TILL EN POTENSFUNKTION

XIV. Elektriska strömmar

f(x)dx definieras som arean av ytan som begränsas av y = f(t), y = 0, t = a och t = b, se figur.

Sfärisk trigonometri

Kompletterande teori för Envariabelanalys del A på I

Några integraler. Kjell Elfström. x = f 1 (y) = arcsin y. . 1 y 2 Vi låter x och y byta roller och formulerar detta resultat som en sats: cos x = 1

ORTONORMERADE BASER I PLAN (2D) OCH RUMMET (3D) ORTONORMERAT KOORDINAT SYSTEM

Integralen. f(x) dx exakt utan man får nöja sig med att beräkna

TMV206: Linjär algebra

TATA42: Föreläsning 4 Generaliserade integraler

MEDIA PRO. Introduktion BYGG DIN EGEN PC

Area([a; b] [c; d])) = (b a)(d c)

TATA42: Föreläsning 4 Generaliserade integraler

Nya regler för plåtbalkar-eurokod 3-1-5

Samling av bevis som krävs på tentan MVE465, 2018

Föreläsning 10, Numme K2, GNM Kap 6 Integraler & GNM 8:3C Richardsonextrapolation

Läsanvisningar för MATEMATIK I, ANALYS

INLEDNING: Funktioner (=avbildningar). Beteckningar och grundbegrepp

9. Bestämda integraler

Definition. En cirkel är mängden av de punkter i planet vars avstånd till en given punkt är

Matematik för sjöingenjörsprogrammet

Transkript:

4 MINTAKADRATMETODEN Nu sk vi gå igenom någr olik sätt tt lös ekvtionssystemet Ax Om A är m n mtris med m n så sägs systemet vr överestämt och det sknr då i llmänhet lösningr Istället söker mn en pproximtiv lösning till ekvtionen genom tt sök det x som minimerr Ax Ett sådnt x klls minstkvdrtlösningen till Ax ger en nnn lösning x i Froeniusnorm En nnn norm Ax Ax Ax Ax (A) Oserver tt x är en exkt lösning till systemet Ax precis då minimum är i sk gå igenom tre olik metoder tt finn minstkvdrtlösningen och vi låter i fortsättningen A eteckn Froeniusnormen A och (A B) tr A B vr motsvrnde sklärprodukt Låt f (x) Ax NORMALEKATIONER och låt x vr en minstkvdrtlösning i sk nu finn ett sätt tt estämm x genom tt utnyttj tt f (x ) är är det minst värdet funktionen f kn nt Det etyder tt f (x ty) f (x ) för ll vektorer y och ll reell tl t Men f (x ty) f (x ) A(x ty) Ax (Ax tay Ax tay) (Ax Ax ) (Ax tay) (tay Ax ) (tay tay) t Re(Ax Ay) t Ay För små t är t mycket mindre än t och då vi kn välj vlfritt tecken på t så måste (Ax Ay) för ll y Dett etyder geometriskt tt vektorn Ax måste vr vinkelrät mot (A), värderummet till A Men dett kn också skrivs (A (Ax ) y) för ll y vilket r är möjligt om A (Ax ) Alltså är x en minstkvdrtlösning precis då x löser systemet A Ax A som klls normlekvtionern till ekvtionssystemet Ax lltid lösrt eftersom högerledet ligger i (A ) och det gäller tt (A A) är självklrt tt (A A) Dett ekvtionssystem är (A ) och åd värderummen hr smm dimension) (A ) (Det Om A A är inverterr, det vill säg om A hr mximl rng, så ges minstkvdrtlösningen v x (A A) A Då A A inte är inverterr så finns det fler lösningr 7

8 Om x är en lösning så ges ll v x N(A A) x N(A) där de åd nollrummen är lik eftersom de hr smm dimension och det är lätt tt se tt N(A) N(A A) Härledningen ovn är inget mystiskt, mn kn lterntivt säg tt vi hr eräknt de sttionär punktern genom tt sätt de prtiell derivtorn f (x) x j och lös Fördelen med metoden ovn är tt vi också direkt ser tt det är minpunktern vi får eftersom om x löser normlekvtionern så är för ll t och y f (x ty) f (x ) t Ay Exempel 4 Finn en pproximtiv lösning till systemet Då är och A A A vrför normlekvtionern lir x x x x vilk hr lösningen x 4 och x Exempel 4 Det är smm pproximtion som ligger kom linjär regression Målet är tt finn en linje x y som nsluter så r som möjligt till n stycken givn punkter (x y ) (x n y n ) (x y ) x y (x n y n ) Det etyder tt mn vill lös systemet x y x n y n

9 vilket på mtrisform lir x x n y y n Då lir A A x x n x x n n x j x j x j och A x x n y y n y j x j y j och normlekvtionern är n x j x j x j y j x j y j med lösningen n x j ( x j ) y j x j x j x j y j n x j y j x j y j End gången A A inte är inverterr är om rng A det vill säg om x x n c Då ligger de givn punktern förvisso på linjen x y x c men denn är inte på formen i illustrerr också med ett exempel med siffror Finn den linje som nsluter äst till punktern ( ), ( ) och ( ) Dett inneär tt vi vill lös som hr normlekvtionern 5 4 5 med lösningen 6 5 ilket ger redvidstående figur Fst normlekvtionern ser trevlig ut så nvänds de inte vid numerisk eräkningr eftersom det kn li för stor vrundningsfel för A A vilket följnde exempel illustrerr

Exempel 4 Betrkt det illkonditionerde systemet Ax med A med litet Då lir normlekvtionern A Ax A x 7 7 Men om är mycket litet (till exempel tt vi istället får systemet x 7 7 Mn ser här tt det är stor skillnd på lösningrn med lösningen x 5 ) sätter en dtor med lösningen x vilket medför m LÖNING MED QR-FAKTORIERING En metod som är ättre numeriskt är tt qr-fktoriser mtrisen A, A n skriver vi R tt Ax R UR och om Gör vi smm uppdelning v mtrisen U ( d c ) så får vi URx Rx U Rx c d och mn ser tt minimum nts då R x c Hr nu mtrisen A mximl rng så får vi minstkvdrtlösningen x R c Om A inte hr mximl rng så får mn istället t till singulärvärdesfktorisering som är teoretiskt mer tillfredsställnde då den fungerr för ll mtriser LÖNING MED -FAKTORIERING Om A U är en singulärvärdesfktorisering v A så är Ax U x x U Nu skriver vi r där r är en digonlmtris med de positiv singulär värden i digonlen och övrig element är nollmtriser v lämplig ordning kriver vi nu x mtris och gör motsvrnde uppdelning v U x r z z ( c d ) så lir r z z z där z är en r och vi får Ax U x x U r z c d

i ser nu lätt tt minst värdet nts då z r Eftersom z x så etyder dett tt x z r normen x r c z c och tt z kn väljs godtycklig r c c z För dess lösningr är z minst om z mmnfttningsvis, om A U är en singulärvärdesfktorisering v A så ges den minstkvdrtlösning som hr minst norm v och vi skriver x r c r c d x A där A r r U U Mtrisen A klls Moore-Penrosepseudoinversen efter E Moore som eskrev den 9 och efter R Penrose som upptäckte den 955 Den minst, minstkvdrtlösningen ges v x A och smtlig lösningr ges v A N(A) Om A U är inverterr så är A (U ) ( ) U U A För en icke-inverterr mtris A är A är en nturlig skpelse där mn inverterr så mycket v A som går tt inverter och lämnr övrig nollmtriser oförändrde i hr tidigre sett tt om A hr mximl rng så finns ntingen höger eller vänsterinvers X eroende på om m n eller m n Gemensmt för dess är tt de uppfyller AXA A XAX X och vi kllr mtriser X som uppfyller dess ekvtioner för pseudoinverser Det följer v konstruktionen v Moore-Penrosepseudoinversen tt ll mtriser hr minst en pseudoinvers Övning 44 Kontroller tt inverser, höger och vänsterinverser smt tt A är pseudoinverser Exempel 45 Nollmtrisen A hr pseudoinversen X idre hr mtrisen lnd ndr pseudoinversern, och Blnd ll pseudoinverser så utmärker sej Moore-Penrosepseudoinversen genom tt den också uppfyller ortogonlitetsekvtionern (AX ) AX (XA) XA Övning 46 Kontroller tt Moore-Penrosepseudoinversen A uppfyller dess ekvtioner is också genom tt nsätt X YU, tt A är den end pseudoinvers som uppfyller ortogonlitetsekvtionern

Exempel 47 i sk nu eräkn A om A är mtrisen i exempel 4, det vill säg A Då är A A som hr egenvärden och Till egenvärdet finns den normerde egenvektorn v välj och till egenvärdet en normerde egenvektorn v i kn därför ätt sedn u Av 6 och u Av Det återstår tt tt kompletter u och u till en ortonormerd s i Lättst gör mn dett genom tt oserver tt u sk ligg i N(A ) och mn ser tt u duger vilket ger U 6 i hr lltså singulärvärdesfktoriseringen A 6 U

Då får vi A om en kontroll eräknr vi och AA A A 6 6 i ser lltså tt A är en vänsterinvers och då A A I så följer direkt tt AA A A och A AA A Alltså uppfyller A definitionen v pseudoinvers i ser också genst tt åde A A och AA är hermitesk så A uppfyller även ortogonlitetsekvtionern och är därmed Moore-Penrosepseudoinversen Med hjälp v A kn vi också lös minstkvdrtprolemet i exempel 4 genom Mn kn eräkn A x A 4 utn tt först h gjort singulärvärdesfktorisering ingulärvärdesfktoriseringen v A r U är mycket lik fktoriseringen v A End skillnden är tt det är r för A och r för A Dett inneär tt (A ) (A ) (med s v v r ) och tt N(A ) N(A ) (med s u r u m ) Eftersom u u r är en s för (A) och A u k v k Av k u k för k r, så är A en invers till A på (A) Å ndr sidn, då (A) N(A ) N(A ) så är A u om u är vinkelrät mot (A) äljer vi en s för m med r (A) och r m (A) så kn vi eräkn vrt A tr ll svektorern och därmed kn vi finn mtrisen för A Metoden kn då eskrivs som följer Först välj s c c r i (A ) och eräkn Ac r Ac r Därefter välj en s r m i N(A ) Ingen v sern ehöver vr ortonormerd men tillsmmns ildr de en s i m och eftersom vi känner verkn v A på ll svektorern, A k c k om k r och om k r, så kn vi eräkn mtrisen för A

4 Exempel 48 i nvänder metoden för tt eräkn A om A är mtrisen i exempel 4 Då är A och som s för (A ) kn vi välj c och c och vi får Ac och Ac idre väljs som svektor i N (A ) t ex Eftersom A är invers till A på (A) så gäller tt A A Ac c och A A Ac c och då ligger i N (A ) så är A Nu vet mn hur A verkr på vektorern k enligt A A Ac c, A A Ac c och A På mtrisform kn dess ekvtioner skrivs A B C där B och C Enligt konstruktionen är B inverterr eftersom kolonnern är en s vrför A eräkns som A CB Mindre rete vid hndräkning lir det om mn skriver B A C och eräknr A med Gusselimintion enligt Alltså lir A En nnn metod som ilnd nvänds i numerisk tillämpningr ygger på följnde likhet A lim (A A I) A Om A inte hr mximl rng så är A A inte inverterr men genom tt lägg till I så lir A A I inverterr och efter multipliktion med A så kn mn låt kn Mer

5 precist, om A U är en singulärvärdesfktorisering v A så gäller (A A I) A ( U U I) U ( I ) U ( ( I) ) U ( I) U ( r I) I r r U A då r I I U r U ( r I) r eftersom mtrisen ( r I) r hr digonlelementen k ( k ) som går mot, U k