Jos havaitaan päivän ylin lämpötila, mittaustuloksissa voi esiintyä seuraavantyyppisiä virheitä:



Samankaltaiset tiedostot
Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I. Datan käsittely. Jyri Lehtinen. kevät Helsingin yliopisto, Fysiikan laitos

Pienimmän neliösumman menetelmä

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 8. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 8 () Numeeriset menetelmät / 35

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 6. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 6 () Numeeriset menetelmät / 33

Ei välttämättä, se voi olla esimerkiksi Reuleaux n kolmio:

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 7: Pienimmän neliösumman menetelmä ja Newtonin menetelmä.

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 7, Kevät 2018

Numeeriset menetelmät

Ominaisarvoon 4 liittyvät ominaisvektorit ovat yhtälön Ax = 4x eli yhtälöryhmän x 1 + 2x 2 + x 3 = 4x 1 3x 2 + x 3 = 4x 2 5x 2 x 3 = 4x 3.

Numeeriset menetelmät

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

2 Osittaisderivaattojen sovelluksia

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 1, Kevät 2018

Lineaarinen yhtälöryhmä

Regressioanalyysi. Kuusinen/Heliövaara 1

1 Rajoittamaton optimointi

f(x) f(y) x y f f(x) f(y) (x) = lim

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

f(x, y) = x 2 y 2 f(0, t) = t 2 < 0 < t 2 = f(t, 0) kaikilla t 0.

12. Hessen matriisi. Ääriarvoteoriaa

Kuva 1: Funktion f tasa-arvokäyriä. Ratkaisu. Suurin kasvunopeus on gradientin suuntaan. 6x 0,2

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Matematiikka B1 - avoin yliopisto

1 Komparatiivinen statiikka ja implisiittifunktiolause

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

Ratkaisu: Tutkitaan derivoituvuutta Cauchy-Riemannin yhtälöillä: f(x, y) = u(x, y) + iv(x, y) = 2x + ixy 2. 2 = 2xy xy = 1

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

Matematiikan peruskurssi (MATY020) Harjoitus 10 to

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0007 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Lineaariset yhtälöryhmät ja matriisit

Numeeriset menetelmät

Kohdeyleisö: toisen vuoden teekkari

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

2. Teoriaharjoitukset

k=0 saanto jokaisen kolmannen asteen polynomin. Tukipisteet on talloin valittu

Inversio-ongelmien laskennallinen peruskurssi Luento 2

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

Pienimmän Neliösumman Sovitus (PNS)

w + x + y + z =4, wx + wy + wz + xy + xz + yz =2, wxy + wxz + wyz + xyz = 4, wxyz = 1.

6 MATRIISIN DIAGONALISOINTI

Virhearviointi. Fysiikassa on tärkeää tietää tulosten tarkkuus.

Matematiikan tukikurssi

Talousmatematiikan perusteet: Luento 14. Rajoittamaton optimointi Hessen matriisi Ominaisarvot Ääriarvon laadun tarkastelu

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

Inversio-ongelmien laskennallinen peruskurssi Luento 4

Talousmatematiikan perusteet: Luento 13. Rajoittamaton optimointi Hessen matriisi Ominaisarvot ja vektorit Ääriarvon laadun tarkastelu

1 Matriisit ja lineaariset yhtälöryhmät

Neliömatriisi A on ortogonaalinen (eli ortogonaalimatriisi), jos sen alkiot ovat reaalisia ja

Ominaisarvo-hajoitelma ja diagonalisointi

Harjoitus 9: Excel - Tilastollinen analyysi

Gaussin ja Jordanin eliminointimenetelmä

Insinöörimatematiikka D

Pienimm"an neli"osumman sovitus

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 4: Ketjusäännöt ja lineaarinen approksimointi

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

Derivaatta: funktion approksimaatio lineaarikuvauksella.

Lyhyt yhteenvetokertaus nodaalimallista SÄTEILYTURVAKESKUS STRÅLSÄKERHETSCENTRALEN RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY

Regressioanalyysi. Vilkkumaa / Kuusinen 1

Juuri 7 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty c) sin 50 = sin ( ) = sin 130 = 0,77

Optimaalisuusehdot. Yleinen minimointitehtävä (NLP): min f(x) kun g i (x) 0 h j (x) = 0

Matematiikan tukikurssi

Mittaustekniikka (3 op)

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio

, on säännöllinen 2-ulotteinen pinta. Määrää T x0 pisteessä x 0 = (0, 1, 1).

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 7. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 7 () Numeeriset menetelmät / 43

Reaalifunktioista 1 / 17. Reaalifunktioista

Vastaus: 10. Kertausharjoituksia. 1. Lukujonot lim = lim n + = = n n. Vastaus: suppenee raja-arvona Vastaus:

Dierentiaaliyhtälöistä

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I

Luento 9: Yhtälörajoitukset optimoinnissa

1. Normi ja sisätulo

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto, osa I

Yhtälön oikealla puolella on säteen neliö, joten r. = 5 eli r = ± 5. Koska säde on positiivinen, niin r = 5.

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

3 = Lisäksi z(4, 9) = = 21, joten kysytty lineaarinen approksimaatio on. L(x,y) =

y=-3x+2 y=2x-3 y=3x+2 x = = 6

. Kun p = 1, jono suppenee raja-arvoon 1. Jos p = 2, jono hajaantuu. Jono suppenee siis lineaarisesti. Vastaavasti jonolle r k+1 = r k, suhde on r k+1

Matematiikan tukikurssi

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle

Numeeriset menetelmät

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Insinöörimatematiikka D

Pisteessä (1,2,0) osittaisderivaatoilla on arvot 4,1 ja 1. Täten f(1, 2, 0) = 4i + j + k. b) Mihin suuntaan pallo lähtee vierimään kohdasta

Matriisit ja vektorit Matriisin käsite Matriisialgebra. Olkoon A = , B = Laske A + B, , 1 3 3

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Käänteismatriisin ominaisuuksia

Esimerkki 19. Esimerkissä 16 miniminormiratkaisu on (ˆx 1, ˆx 2 ) = (1, 0).

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

Vapaus. Määritelmä. jos c 1 v 1 + c 2 v c k v k = 0 joillakin c 1,..., c k R, niin c 1 = 0, c 2 = 0,..., c k = 0.

Transkriptio:

Mittausten virheet Jos havaitaan päivän ylin lämpötila, mittaustuloksissa voi esiintyä seuraavantyyppisiä virheitä: 1. Luemme lämpömittarin vain asteen tarkkuudella. Ehkä kyseessä on digitaalimittari, joka näyttää lämpötilan vain asteen tarkkuudella. Todellinen lämpötila voi tietenkin olla mikä tahansa reaaliluku, mutta laatimassamme taulukossa se on pyöristetty kokonaisluvuksi. 2. Lämpömittarin asteikossa on vain astejaotus, mutta arvioimme kymmenesosat silmämääräisesti. 3. Käyttämämme lämpömittari on viallinen ja antaa aina liian korkean lämpötilan. 4. Mittari on sijoitettu niin, että johonkin vuodenaikaan Aurinko pääsee paistamaan siihen. 5. Lämpötila on niin korkea, ettei mittarin asteikko riitä.

1) Satunnainen virhe, kohina. Vaikutus pienenee, kun otetaan usean mittauksen keskiarvo. Mitattavan suureen ja kohinan suhde (signaalin ja kohinan suhde, signal to noise ratio) n. 2) Systemaattinen virhe, esimerkiksi asteikko luiskahtanut pois oikealta paikaltaan. Ei useinkaan selviä itse havainnoista. Tarvitaan mittalaitteen kalibrointia. 3) Yhdellä mittalaitteella suoritetut mittaukset voivat olla systemaattisesti vääriä, mutta silti vertailukelpoisia keskenään. Verrattaessa eri mittareilla saatuja tuloksia, on jokainen mittari kalibroitava erikseen, esimerkiksi mittaamalla niillä samaa kohdetta. Tähtihavainnoissa oltava standarditähtiä. 4) Olosuhteiden muuttuminen. Esimerkiksi havaittaessa muuttuvaa tähteä eri korkeuksilla horisontista ilmakehä aiheuttaa eri havaintoihin erisuuruisia virheitä. 5) Saturaatio tai kynnysarvon alittuminen. Mittalaitteen herkkyys on valittava niin, että mitatut arvot ovat mahdollisimman suuria, mutta kuitenkin selvästi saturaatiorajaa pienempiä. 6) Poikkeavat arvot (outliers). Mittausvirheitä, ulkopuolisia häiriöitä. Joskus myös todellinen, poikkeava ilmiö.

Datan puhdistaminen Poikkeavat arvot Jos aineistoon on sovitettu jokin funktio f hajontaa kuvaa sovituksen rms-virhe (root-mean-square) R = 1 n n (y i f(x i )) 2, missä alkuperäiset havaintopisteet ovat (x i, y i ), i = 1,... n. Yleisesti käytetty kriteeri on eliminoida sellaiset pisteet, joiden poikkeama sovitetun funktion kuvaamasta arvosta on suurempi kuin 3 R eli y i f(x i ) > 3 R. Jo virheet noudattavat normaaliakaumaa, näin suuri poikkeama esiintyy pelkästään sattumalta vain noin todennäköisyydellä 0.003. Kun vialliset arvot on poistettu, funktion sovitus on syytä tehdä uudestaan käyttämällä puhdistettua aineistoa. Uusi sovitus antaa todennäköisesti aikaisempaa pienemmän rms-virheen. Kysymyksessä on todellakin vain muutaman yksittäisen havainnon poistaminen. Jos poistettavia arvoja alkaa olla kovin paljon, on syytä selvittää, mistä ne johtuvat, ja onko aineisto lainkaan käyttökelpoinen. Poikkeavien arvojen siivoamiseen hyvä apuväline on mediaanisuodin. Se korvaa kunkin datapisteen arvon kyseisen pisteen pienen ympäristön mediaanilla. Esimerkiksi kolmen pisteen mediaanisuodin on g(x i ) = med(f(x i 1 ), f(x i ), f(x i1 )), missä med(x, y, z) tarkoittaa suuruudeltaan keskimmäistä luvuista x, y ja z. Monotonisesti kasvavilla tai vähenevillä osilla mediaanisuodin ei lainkaan muuta havaintoarvoja. Sen sijaan jokaisen aidon paikallisen maksimin ja minimin suodin korvaa sitä lähinnä olevalla naapurinsa arvolla. Suotimella on siten lievästi kohinaa vähentävä vaikutus.

Pienimmän neliösumman sovitus Sovituksen kriteerit Havaintopisteet (x i, y, ), i = 1,..., n. Halutaan esittää pistejoukko käyränä y = f(x). Pisteessä x i käyrän pystysuora poikkeama havaitusta arvosta on y i f(x i ). Koko sovituksen virhe R voidaan määritellä monella tavalla: 1) Virheiden itseisarvojen summa: R 0 = n y i f(x i ) Riippuu lineaarisesti yksittäisistä virheistä; ei ole niille kovin herkkä. 2) Virheiden neliöiden summa: R 2 2 = n y i f(x i ) 2 Edellistä herkempi suurille virheille. 3) Virheiden maksimiarvo: R = max{ y i f(x i ) } Estää suuret poikkeamat datapisteistä. Ei minimoi lainkaan pienempiä virheitä, ja yksittäinenkin kovin virheellinen piste voi vääristää sovitusta tuntuvasti. Etäisyydet tunnetaan L 0 -, L 2 - ja L -normeina, jotka ovat erikoistapauksia L p -normista: R p = n p y i f(x i ) p Periaatteessa sovitus voidaan tehdä minimoimalla mitä tahansa normia. Usein pienimmän neliösumman menetelmä antaa parhaan tuloksen.

Sovitettava funktio f sisältää muuttujan lisäksi joukon vakioita (parametreja) a k, k = 1,..., K. Residuaali R on sovitettavan funktion parametrien funktio: R = R(a 1,..., a K ). Etsitään sellaiset parametrien arvot, joilla R tulee mahdollisimman pieneksi. Oletetaan, että f on derivoituva parametrien suhteen. Residuaalin R minimissä on R R = 0,..., = 0. a 1 a K Tästä saadaan yhtälöryhmä sovitettavassa funktiossa esiintyville parametreille. Jos funktio f voidaan esittää joidenkin kantafunktioiden f i lineaarikombinaationa n f(x) = a i f i (x), saadaan lineaarinen yhtälöryhmä riippumatta siitä, mitä muotoa kantafunktiot f i ovat. Esimerkiksi f(x) = a 0 a 1 x a 2 x 2, f(x) = a 1 sin x a 2 cos x, f(x) = a 0 a 1 e x a 2 e 3x.

Suoran sovitus Johdetaan esimerkin vuoksi ratkaisu, kun sovitettava funktio on muotoa f(x) = a bx, eli kantafunktiot ovat 1 ja x. Minimoitava suure on R = (y i a bx i ) 2. Osittaisderivaatat ovat R N a = 2 (y i a bx i ), R N b = 2 (y i a bx i )x i. Saadaan normaaliyhtälöt: an b x i = y i, a x i b x 2 i = x i y i. eli missä an bs x = S y, as x bs xx = S xy, S x = S y = S xx = S xy = x i, y i, x 2 i, x i y i.

Datapisteiden koordinaatit ovat yleensä mittaustuloksia, joilla kullakin on oma virheensä. Kirjoitetaan minimoitavan suure muotoon n ( ) 2 R 2 yi f(x i ) =, missä σ i on havainnon y i virhe. Jos kaikki virheett σ i ovat samoja, tämä poikkeaa aikaisemmasta versiosta vain vakiokertoimella, jolloin normaaliyhtälöiden ratkaisut eivät muutu. Kun y:n virheet otetaan huomioon, pienimmän neliösumman suoran normaaliyhtälöt ovat: missä σ i as bs x = S y, as x bs xx = S xy, S = S x = S y = S xx = S xy = Normaaliyhtälöiden ratkaisu on 1 σ 2 i x i σ 2 i y i σ 2 i x 2 i σ 2 i,,,, x i y i σi 2. missä a = S xxs y S x S xy, D b = SS xy S x S y, D D = SS xx (S x ) 2. Yleisessä tapauksessa normaaliyhtälöt ovat y i f(x i ) σ i f(x i ) a k = 0, k = 1,..., K.

Parametrien virhearviot Virheen kasaantumislain mukaisesti on σ 2 a k = σ 2 i ( ) 2 ak. y i Sovelletaan tätä suoran tapaukseen: a = S xx S x x i y i σi 2D, b = Sx i S x y i σi 2D, josta ( Sx x S x x i ) 2 σa 2 = σi 2 σi 2D = 1 [ S 2 xx D 2 σi 2 Sxx 2 2 i σi 2 2 ] SxS xx x i σi 2 = 1 [ SS 2 D 2 xx SxS 2 xx 2SxS 2 ] xx = 1 D 2 [ Sxx (SS xx S 2 x) ] = S xx D σ 2 b = σ 2 i ( ) 2 Sxi S x σi 2D = 1 D 2 [ S 2 x 2 i σ 2 i S 2 x σ 2 i = 1 [ S 2 D 2 S xx SSx 2 2SSx 2 ] = 1 D 2 [ S(SSxx S 2 x) ] = S D. 2 ] Sx i S x σ 2 i Suoran parametrien hajonnat ovat Sxx σ a = D, S σ b = D.

Matriisiformalismi Olkoot kantafunktiot φ 1,..., φ K, jolloin sovitettava funktio on y(x) = a 1 φ 1 (x) a K φ K (x). Selitettävän muuttujan y arvoista muodostetaan pystyvektori y = y 1 y 2. y n. Muuttujan x arvojen x i avulla lasketaan matriisi A = φ 1 (x 1 ) φ 2 (x 1 ) φ K (x 1 ) φ 1 (x 2 ) φ 2 (x 2 ) φ K (x 2 )... φ 1 (x n ) φ 2 (x n ) φ K (x n ). Ratkaistavat kertoimet muodostavat pystyvektorin a = a 1 a 2. a K. Jotta sovitettava funktio kuvaisi dataa, täytyy olla Aa = y. Tämä yhtälö voidaan ratkaista täsmällisesti vain, jos A on neliömatriisi, eli havaintoja on yhtä monta kuin kantafunktioita. Yleisessä tapauksessa voidaan etsiä vektori a, joka antaa minimiarvon normille Aa y.

Residuaalin neliö on R 2 = ( 2 K y i a k φ k (x i )). k=1 Residuaalin minimissä on R 2 = 2 ( φ l (x i ) y i a l i k a k φ k (x i ) ) = 0, l = 1,..., K, eli φ l (x i ) i k a k φ k (x i ) = i josta summausjärjestystä vaihtamalla ( ) φ k (x i )φ l (x i ) a k = i i k y i φ l (x i ), l = 1,..., K, φ l (x i )y i. Vasemman puolen sulkulauseke on matriisin A T A alkio kl ja oikea puoli on matriisin A T y alkio l: (A T A) kl a k = (A T y) l k eli [(A T A)a] l = (A T y) l, l = 1,..., K. Tämä vastaa yhtälöä eli (A T A)a = A T y Ca = d, missä C = A T A ja d = A T y. Tämä K:n yhtälön ryhmä on normaaliyhtälöiden matriisimuoto.

Edellä ei otettu huomioon mittausten hajontoja. Yleisessä tapauksessa niitä kuvaa kovarianssimatriisi σ 11 σ 12 σ 1n σ Σ = 21 σ 22 σ 2n......, σ n1 σ n2 σ nn missä σ ii = σi 2. Normaaliyhtälöt ovat missä Ca = d, C = A T Σ 1 A, d = A T Σ 1 y, ja Σ 1 on kovarianssimatriisin käänteismatriisi. Jos mittaukset ovat riippumattomia, kovarianssimatriisi on σ1 2 0 0 0 σ2 2 0 Σ =.......... 0 0 σn 2 Tämän käänteismatriisi on 1/σ1 2 0 0 0 1/σ Σ 1 2 2 0 =....... 0 0 1/σn 2 Oletetaan jatkossa, että mittaukset ovat riippumattomia. Matriisi C on symmetrinen. Jos mittaukset ovat riippumattomia, on C ij = d i = n l=1 n l=1 φ i (x l )φ j (x l ) σl 2. φ i (x l )y l σl 2. Käänteismatriisi C 1 on kovarianssimatriisi, jonka lävistäjältä löytyvät kertoimien varianssit: σ ai = C 1 ii. Jos C 1 on lävistäjämatriisi, parametrit ovat riippumattomia.

Esimerkki: Alkuperäinen aineisto (x, y, σ): 1 1 0.5 3 1 1.0 4 3 0.5 6 4 0.5 Sovitetaan tähtän suora, jolloin φ 1 (x) = 1, φ 2 (x) = x. Σ = 1 1 1 1 3 1 A =, b = 1 4 3 1 6 4 0.25 0 0 0 0 1 0 0, Σ 1 = 0 0 0.25 0 0 0 0 0.25 C = A T Σ 1 A = d = A T Σ 1 y = ( 13 ) 47 47 221 ( ) 33 151 4 0 0 0 0 1 0 0, 0 0 4 0 0 0 0 4

Saadaan yhtälöryhmä ( 13 47 47 221 jonka ratkaisu on a = 0.295, b = 0.620 ) ( ) ( ) a 33 =, b 151 Kerroinmatriisin käänteismatriisi on C 1 = ( 0.333 0.071 0.071 0.020 ), josta σ a = 0.333 = 0.577, σ b = 0.020 = 0.140.

Tasojen ja pintojen sovitus Samalla menetelmällä voidaan sovittaa useamman muuttujan funktioita. Mitään oleellisia muutoksia tästä ei aiheudu; ainoa ero on, että kantafunktiot voivat riippua useammista muuttujista. Esimerkki: kolmiulotteinen pistejoukko, johon sovitetaan taso. Olkoot pisteiden koordinaatit (x i, y i, z i ), i = 1,..., n. Tason yhtälö voidaan esittää esimerkiksi muodossa jolloin minimoitava residuaali on z = a bx cy, R = n (z i a bx i cy i ) 2. Kyseessä on tavallinen lineaarinen pienimmän neliösumman ongelma, jossa etsitään vakiot a, b ja c.

Kantafunktiot Jos kyseessä on aineiston empiirinen kuvailu, kantafunktiot voidaan valita aineistoon mahdollisimman hyvin sopivalla tavalla. Usein kantafunktiot kuitenkin ovat peräisin jostakin teoriasta, jolloin niitä ei tietenkään voi muuttaa. Matriisi C on tavallisesti täysi. Ihanteellinen tapaus olisi, jos C olisi diagonaalimatriisi, jolloin kukin parametreista a i voidaan ratkaista täysin muista riippumatta. Näin käy, jos kantafunktiot φ j ovat ortogonaalisia. Funktiot f ja g ovat ortogonaalisia, jos niiden skalaaritulo L f(x)g(x) dx on nolla. Integrointiväli L riippuu käytetystä funktioluokasta. Esimerkiksi sini ja kosini ovat ortogonaalisia välillä [0, 2π]. Kun tarkastellaan funktioita vain tietyissä pisteissä x i, i = 1,..., n, funktioiden f ja g skalaaritulo korvataan summalla n f(x i )g(x i ). Kertoimen C ij lauseke on juuri kantafunktioiden φ i ja φ j skalaaritulo, joten se häviää, jos nämä funktiot ovat ortogonaalisia. Diskreetissä tapauksessa skalaaritulon arvo riippuu paitsi funktioista myös käytetystä pistejoukosta. Esimerkiksi sini ja kosini ovat ortogonaalisia äärellisessä pistejoukossa edellyttäen, että pisteet ovat tasavälisiä. Sen sijaan mielivaltaiselle pistejoukolle summa sin x i cos x i ei yleensä häviä.

Polynomit Kantafunktioina muuttujan x potenssien joukko, jolloin sovitettava funktio kokonaisuudessaan on polynomi f(x) = a 0 a 1 x a 2 x 2... a n x n. Polynomi voi käyttäytyä huonosti havaintopisteiden ulkopuolella. Kun astelukua lisätään, polynomi saadaan kulkemaan kaikkien haluttujen pisteiden kautta, mutta niiden välillä se voi heilahdella voimakkaasti. Usein korkein järkevä asteluku on noin 4 5. Jos aineistossa on pitkiä aukkoja, sovitettuun käyrään saattaa ilmaantua asiaankuulumattomia mutkia. Polynomisovituksen kerroinmatriisi 1 x 1 x 2 1 x K 1 1 x 2 x 2 2 x K 2. 1 x n x 2 n x K n on ns. Vandermonden matriisi. Suurilla K:n arvoilla sen häiriöalttius tulee hyvin suureksi. Regularisointimenetelmät jäykistävät sovitettavaa funktiota ja estävät sen liialliset heilahtelut. Esimerkiksi voidaan rajoittaa korkeimmanasteisten termien kertoimia, mikä merkitsee korkeampien derivaattojen pitämistä pieninä. Regularisointi voidaan toteuttaa esimerkiksi korvaamalla minimoitava residuaali lausekkeella (y i P (x i )) 2 λ i i P (x i ) 2, missä λ on jokin vakio. Tämän lausekkeen minimointi johtaa ratkaisuun, jossa polynomien toiset derivaatat ovat pieniä, joten käyrässä ei esiinny jyrkkiä mutkia.

Kuvataan Rungen funktiota 9 pisteellä ja sovitetaan niihin eri asteisia polynomeja: K= 2 K= 4 K= 10 1 0-2 -1 0 1 2

Fourier n sarjat Mikäli havaittu ilmiö on jaksollinen, tulokset on usein kätevää esittää Fourier n sarjana: f(x) = A 0 k=1 A k cos 2πkx P k=1 B k sin 2πkx P, missä P on jakson pituus. Jos aineisto ei ole tasavälistä, kertoimien laskeminen on hankalaa. Helpoin tapa on ratkaista ongelma pienimmän neliösumman sovituksena. Kantafunktiona ovat sin kx ja cos kx. Mahdollisia ongelmia: 1) Lineaarisessa sovituksessa jakso on tunnettava etukäteen. Mikäli sekin halutaan sovittaa samanaikaisesti, joudutaan ratkaisemaan epälineaarinen tehtävä. 2) Jos aineisto ei ole tasavälinen, kantafunktiot eivät ole ortogonaalisia. Myös sarjan alkupään kertoimet muuttuvat, jos sarjaan lisätään uusia termejä. Jos sarjalle käytetään aineistosta riippuvaa katkaisukriteeriä (esimerkiksi lisätään termejä, kunnes R ei enää oleellisesti pienene), eri aineistoja ei enää voi luotettavasti vertailla keskenään. Mikäli eri aineistoja halutaan verrata, on jokainen aineisto esitettävä yhtä monella termillä. 3) Aineiston tulisi kattaa ainakin yksi kokonainen jakso, eikä siinä saisi olla pitkiä katkoja. Muuten kertoimien virheet voivat tulla hyvin suuriksi. 4) Jos mitattavassa suureessa esiintyy Nyquistin taajuutta korkeampia taajuuksia, ne voivat aiheuttaa mitattuihin arvoihin matalia taajuuksia, joita todellisuudessa ei ole olemassakaan. 5) Jos aineistossa esiintyy jyrkkiä hyppäyksiä, sarja suppenee niiden lähellä varsin hitaasti.

Epälineaariset sovitukset Joissakin erikoistapauksissa tehtävä voidaan muuntaa lineaariseen muotoon. f(x) = ae bx, Sovitetaankin funktion f logaritmi ln f(x) = a bx, missä a = ln a. Tuloksena on lineaarinen tehtävä. Mikäli sovitettavan funktion derivaatat parametrien suhteen pystytään laskemaan, voidaan parametreille johtaa yhtälöryhmä, kuten lineaarisessakin tapauksessa. Yhtälöryhmä on kuitenkin epälineaarinen. Jos derivaattoja ei pystytä laskemaan analyyttisesti, tai jos tuloksena on kovin mutkikas yhtälöryhmä, on helpompaa käyttää jotakin minimointiohjelmaa.

Julkaistaviksi tarkoitetuissa kuvissa oltava - sovitettu funktio ja alkuperäiset datapisteet - havaintojen virheet

Valitse asteikot niin, että kuva on luettava. Ohjelmien automaattiset skaalaukset eivät sovi lopulliseen julkaisuun. Jos useita kuvia samasta aiheesta, pyri käyttämään samoja asteikkoja, jotta kuvat vertailukelpoisia. Tähtitieteessä usein logaritmisia tai log-log -asteikkoja, jolloin monet kuvaajat (lähes) suoria; saattavat vähätellä sovituksen virheitä. 0.35 0.29 0.23 0.17 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3.0

Ohjelmat usein mustia laatikoita: saadaan kyllä sovitus, mutta onko se mielekäs?

Yksikin hyvin poikkeava havainto voi vääristää sovitusta. Standardipoikkeama iso, joten yli 3σ poikkeavien havaintojen poistaminen ei muuta tulosta. - Onko poikkeava havainto luotettava? Löytyykö sen tueksi muita havaintoja? - Onko sovitettavan funktion muoto järkevä?