Pienimmän neliösumman menetelmä (PNS)

Samankaltaiset tiedostot
Pienimmän neliösumman menetelmä (PNS)

Pienimmän neliösumman menetelmä (PNS)

Pienimmän Neliösumman menetelmä (PNS)

Lineaarialgebra, kertausta aiheita

Inversio-ongelmien laskennallinen peruskurssi Luento 2

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Lineaarialgebra II, MATH.1240 Matti laaksonen, Lassi Lilleberg

Ratkaisuehdotukset LH 8 / vko 47

Aiheet. Kvadraattinen yhtälöryhmä. Kvadraattinen homogeeninen YR. Vapaa tai sidottu matriisi. Vapauden tutkiminen. Yhteenvetoa.

Ominaisvektoreiden lineaarinen riippumattomuus

Kohdeyleisö: toisen vuoden teekkari

Determinantti 1 / 30

Determinantit. Kaksirivinen determinantti. Aiheet. Kaksirivinen determinantti. Kaksirivinen determinantti. Kolmirivinen determinantti

Paikannuksen matematiikka MAT

Ominaisarvo ja ominaisvektori

Neliömatriisin adjungaatti, L24

Käänteismatriisi 1 / 14

Kanta ja Kannan-vaihto

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

1.1. Määritelmiä ja nimityksiä

Aiheet. Kvadraattinen yhtälöryhmä. Kvadraattinen homogeeninen YR. Vapaa tai sidottu matriisi. Vapauden tutkiminen. Yhteenvetoa.

8 KANNAT JA ORTOGONAALISUUS. 8.1 Lineaarinen riippumattomuus. Vaasan yliopiston julkaisuja 151

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.

Ennakkotehtävän ratkaisu

Ominaisarvo ja ominaisvektori

Matriisien tulo. Matriisit ja lineaarinen yhtälöryhmä

Kannan vektorit siis virittävät aliavaruuden, ja lisäksi kanta on vapaa. Lauseesta 7.6 saadaan seuraava hyvin käyttökelpoinen tulos:

Matemaattinen Analyysi, k2012, L1

Ratkaisuehdotukset LH 7 / vko 47

1 Matriisit ja lineaariset yhtälöryhmät

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.

Matemaattinen Analyysi / kertaus

Antti Rasila. Kevät Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto. Antti Rasila (Aalto-yliopisto) MS-A0204 Kevät / 16

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

Lineaarikuvausten. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksia. Ydin. Matriisin ydin. aiheita. Aiheet. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksen matriisi

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I, HY Kurssikoe Ratkaisuehdotus. 1. (35 pistettä)

6 MATRIISIN DIAGONALISOINTI

A = a b B = c d. d e f. g h i determinantti on det(c) = a(ei fh) b(di fg) + c(dh eg). Matriisin determinanttia voi merkitä myös pystyviivojen avulla:

Inversio-ongelmien laskennallinen peruskurssi Luento 3

Käänteismatriisin. Aiheet. Käänteismatriisin ominaisuuksia. Rivioperaatiot matriisitulona. Matriisin kääntäminen rivioperaatioiden avulla

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

Likimääräisratkaisut ja regularisaatio

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

Lineaarikuvauksen R n R m matriisi

Lineaariavaruudet. Span. Sisätulo. Normi. Matriisinormit. Matriisinormit. aiheita. Aiheet. Reaalinen lineaariavaruus. Span. Sisätulo.

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

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

Yhden selittäjän lineaarinen regressiomalli (jatkoa) Ensi viikolla ei pidetä luentoa eikä harjoituksia. Heliövaara 1

10 Matriisit ja yhtälöryhmät

Matikkapaja keskiviikkoisin klo Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/81

Ominaisarvo-hajoitelma ja diagonalisointi

Tekijä Pitkä matematiikka Suoran pisteitä ovat esimerkiksi ( 5, 2), ( 2,1), (1, 0), (4, 1) ja ( 11, 4).

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 3 /

Pistetulo eli skalaaritulo

Oppimistavoitematriisi

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

2. Teoriaharjoitukset

2.5. Matriisin avaruudet ja tunnusluvut

Monissa käytännön ongelmissa ei matriisiyhtälölle Ax = b saada ratkaisua, mutta approksimaatio on silti käyttökelpoinen.

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 5: Gradientti ja suunnattu derivaatta. Vektoriarvoiset funktiot. Taylor-approksimaatio.

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

7 Vapaus. 7.1 Vapauden määritelmä

Liittomatriisi. Liittomatriisi. Määritelmä 16 Olkoon A 2 M(n, n). Matriisin A liittomatriisi on cof A 2 M(n, n), missä. 1) i+j det A ij.

Lineaarialgebra MATH.1040 / voima

Matriisiteoria Harjoitus 1, kevät Olkoon. cos α sin α A(α) = . sin α cos α. Osoita, että A(α + β) = A(α)A(β). Mikä matriisi A(α)A( α) on?

3.2.2 Tikhonovin regularisaatio

Ortogonaalisen kannan etsiminen

Matriisit, kertausta. Laskutoimitukset. Matriisikaavoja. Aiheet. Määritelmiä ja merkintöjä. Laskutoimitukset. Matriisikaavoja. Matriisin transpoosi

Insinöörimatematiikka D

Harjoitusten 5 vastaukset

Likimääräisratkaisut ja regularisaatio

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Talousmatematiikan perusteet: Luento 10. Lineaarikuvaus Matriisin aste Determinantti Käänteismatriisi

Talousmatematiikan perusteet: Luento 9

JAKSO 2 KANTA JA KOORDINAATIT

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 5 / vko 48

= 2 L L. f (x)dx. coshx dx = 1 L. sinhx nπ. sin. sin L + 2 L. a n. L 2 + n 2 cos. tehdään approksimoinnissa virhe, jota voidaan arvioida integraalin

Osittaistuenta Gaussin algoritmissa: Etsitään 1. sarakkeen itseisarvoltaan suurin alkio ja vaihdetaan tämä tukialkioiksi (eli ko. rivi 1. riviksi).

Talousmatematiikan perusteet: Luento 8. Vektoreista ja matriiseista Vektorien peruslaskutoimitukset Lineaarinen riippumattomuus Vektorien sisätulo

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

Vastaavasti, jos vektori kerrotaan positiivisella reaaliluvulla λ, niin

Oppimistavoitematriisi

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

Osoita, että täsmälleen yksi vektoriavaruuden ehto ei ole voimassa.

Insinöörimatematiikka D

Matriisialgebra harjoitukset, syksy x 1 + x 2 = a 0

MS-A0004/MS-A0006 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 6 / vko 42

LU-hajotelma. Esimerkki 1 Matriisi on yläkolmiomatriisi ja matriisi. on alakolmiomatriisi. 3 / 24

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

Numeeriset menetelmät

Ortogonaalinen ja ortonormaali kanta

1 Singulaariarvohajoitelma

MS-A0003/A Matriisilaskenta Laskuharjoitus 6

Ortogonaaliset matriisit, määritelmä 1

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

Vektorit, suorat ja tasot

s = 11 7 t = = 2 7 Sijoittamalla keskimmäiseen yhtälöön saadaan: k ( 2) = 0 2k = 8 k = 4

5 OMINAISARVOT JA OMINAISVEKTORIT

1. Olkoot vektorit a, b ja c seuraavasti määritelty: a) Määritä vektori. sekä laske sen pituus.

Transkriptio:

neliösumman

Perusongelman kuvaus 1 Tarkastellaan neljää pitkää aikasarjaa q 1 = (q 11,q 21,...,q 10,1 ) T, q 2 = (q 12,q 22,...,q 10,2 ) T, q 3 = (q 13,q 23,...,q 10,3 ) T, ja p 1 = (p 11,p 21,...,p 10,1 ) T. q-aikasarjat ovat kolmen osittain toisiaan korvaavien raaka-aineiden 1, 2 ja 3 myydyt määrät päivittäin kymmenen päivän aikana ja p-aikasarja on raaka-aineen 1 hinta päivittäin kymmenen päivän aikana. Etsimme sellaista kysyntäfunktiota p 1 = c 4 + c 1 q 1 + c 2 q 2 + c 3 q 3, että mallin antamat arvot hinnalle ovat mahdollisimman lähellä havaittuja arvoja

Perusongelman kuvaus 2 Siis c 1 q 11 + c 2 q 12 + c 3 q 13 + c 4 1 = ˆp 11 p 11 c 1 q 21 + c 2 q 22 + c 3 q 23 + c 4 1 = ˆp 21 p 21..... c 1 q 10,1 + c 2 q 10,2 + c 3 q 10,3 + c 4 1 = ˆp 10,1 p 10,1 Kertoimet onnistuvat sitä paremmin, mitä pienempi on neliösumma NS = 10 j=1 (ˆp j1 p j,1 ) 2. Tästä tulee menetelmän nimi: NeliöSumman. (englaniksi Ordinary Least Square (OLS).)

Perusongelman kuvaus 3 Muotoillaan edellinen yhtälöryhmä matriisikielellä. Sitä varten muodostamme vektoreista q 11, q 11 ja q 11 sekä ykösvektorista 1 = (1,1,...,1) T. matriisit V = q 11 q 12 q 13 q 21 q 22 q 23... q 10,1 q 10,2 q 10,3 Näillä merkinnöillä etsimme vektoria c q 11 q 12 q 13 1 ja W = q 21 q 22 q 23 1.... q 10,1 q 10,2 q 10,3 1 W c = ˆ p 1 p 1, NS = ˆ p 1 p 1 2 = W c p 1 2 niin, että NS on niin pieni kuin mahdollista.

4 Kahden vektorin u = (u 1,u 2,...,u n ) T ja v = (v 1,v 2,...,v n ) T pistetulo on u v = u 1 v 1 + u 2 v 2 + + u n v n ja vektorin u pituus on u = u1 2 + u2 2 + + u2 n = u u. Kaksi vektoria ovat kohtisuorassa, jos niiden pistetulo on nolla u v u v = 0.

5 Pistetulonmääritelmästä seuraa välittömästi, että a ( b + c) = a 1 (b 1 + c 1 ) + a 2 (b 2 + c 2 ) + + a n (b n + c n ) = a 1 b 1 + a 1 c 1 + a 2 b 2 + a 2 c 2 + + a n b n + a n c n ) = a b + a c. Edellisen seurauksena saamme klassisen lauseen ( I.) Jos vektorit u ja v ovat kohtisuorassa, niin u + v 2 = u 2 + v 2 u + v v Perustelu on suora lasku u + v 2 = ( u + v) ( u + v) = u }{{} u + u }{{} v = u 2 =0 u + v }{{} u =0 + v v }{{} = v 2

Pseudoinverssi 6 (Moore-Penrose) Tarkastellaan uudelleen alkuperäisen ongelman kaltaista mutta yksinkertaisempaa ongelmaa 2 4 ( ) 2 1 2 x = 5 y 3 1 }{{} 10 }{{} = x }{{} =A Jos olemme varmoja siitä, että yhtälöryhmällä on yksikäsitteinen ratkaisu, ja A T A on säännöllinen, niin yhtälöryhmän ratkaisu saadaan laskettua kaavalla = b x = (A T A) 1 A T b Perustelu: (A T A) 1 A T b }{{} =A x = (A T A) 1 (A T A) x = x

Pseudoinverssi 6 (Moore-Penrose) Jos matriisi A T A on säännöllinen, niin sanomme, että matriisin A (Moore-Penrosen ) on A = (A T A) 1 A T Jos A on säännöllinen neliömatriisi, niin A = A 1. Jos A on olemassa, niin A A = I.

Pseudoinverssi 7 (Moore-Penrose) Esimerkki 1. Ratkaistaan n avulla edellä esiintynyt yhtälöryhmä 2 4 ( ) 2 1 2 x = 5 y 3 1 }{{} 10 }{{} = x }{{} =A o c t a v e :2> A=[2 4 ; 1 2 ; 3, 1]; o c t a v e :3> b =[2; 5; 1 0 ] ; o c t a v e :4> x=(a A)ˆ( 1) A b x = 3.0000 1.0000 = b

Pseudoinverssi 8 (Moore-Penrose) Esimerkki 2. Jos yritämme ratkaista yhtälöryhmää 2 4 ( ) 2 1 2 x = 5, y 3 1 }{{} 5 }{{} = x }{{} =A niin osoittautuu, ettei täsmällistä ratkaisua ole olemassa! Seuraavaksi pyrimme löytämään sellaisen vektorin x, että = b A x b 2 tulee niin pieneksi kuin mahdollista. Ratkaisu on x = A b. Perustelemme asian seuraavassa.

Pseudoinverssi 9 (Moore-Penrose) Väite: Lauseke A x b 2 saa pienimmän arvonsa, kun x = A b. Perustelu: Olkoon w x jokin toinen ratkaisuehdokas. Nyt A w b 2 = (A w A x) +(A x b) }{{}}{{} = u = v Suora lasku osoittaa, että vektorit u ja v ovat kohtisuorassa u T v = (A( w x)) T (A(A T A) 1 A T b b) = ( w x) T {A T A(A T A) 1 A T b A T b} = 0 2 en mukaan siis A w b 2 = u 2 + v 2 = u 2 + A x b 2 x = A b on kaikista ehdokkaista NeliöSumman kannalta paras.

10 Haetaan esimerkin 2 yhtälöryhmälle pienimmän neliösumman ratkaisu o c t a v e :2> A = [ 2 4 ; 1 2 ; 3 1]; o c t a v e :3> b = [ 2 ; 5; 5 ] ; o c t a v e :4> x = (A A)ˆ( 1) A b x = 1.84211 0.59649 o c t a v e :5> A x ans = 1.2982 3.0351 6.1228

n estimointi. 11 Tarkastellaan uudelleen kolmen tuotteen myynti- ja hinta-aikasarjoja q 1 = (q 11,q 21,...,q 10,1 ) T, q 2 = (q 12,q 22,...,q 10,2 ) T, q 3 = (q 13,q 23,...,q 10,3 ) T, ja p 1 = (p 11,p 21,...,p 10,1 ) T, p 2 = (p 12,p 22,...,p 10,2 ) T, p 3 = (p 13,p 23,...,p 10,3 ) T. Muodostetaan vastaavat matriisit q 11 q 12 q 13 q 21 q 22 q 23 Q =..., P = q 10,1 q 10,2 q 10,3 p 11 p 12 p 13 p 21 p 22 p 23... p 10,1 p 10,2 p 10,3

n estimointi. 12 W = q 11 q 12 q 13 1 q 21 q 22 q 23 1.... q 10,1 q 10,2 q 10,3 1 Etsimme sellaista kysyntäfunktiota q k1 c 1j + q k2 c 2j + q k3 c 3j + 1 c 4j = p kj, että mallin antamat arvot hinnalle ovat mahdollisimman lähellä havaittuja arvoja eli q 11 q 12 q 13 1 q 21 q 22 q 23 1.... q 10,1 q 10,2 q 10,3 1 c 11 c 12 c 13 c 21 c 22 c 23 c 31 c 32 c 33 c 41 c 42 c 43 p 11 p 12 p 13 p 21 p 22 p 23... p 10,1 p 10,2 p 10,3

n estimointi. 13 q 11 q 12 q 13 1 q 21 q 22 q 23 1.... q 10,1 q 10,2 q 10,3 1 c 11 c 12 c 13 c 21 c 22 c 23 c 31 c 32 c 33 c 41 c 42 c 43 PNS-mielessä parhaat kertoimet malliin saadaan kaavalla C = W P Nyt on odotettavissa, että päivänä t pätee relaatio ( qt,1 q t,2 q t,3 1 ) C ( p t,1 p t,2 p t,3 ) p 11 p 12 p 13 p 21 p 22 p 23... p 10,1 p 10,2 p 10,3

n estimointi. 14 ( qt,1 q t,2 q t,3 1 ) c 11 c 21 c 31 c 41 c 12 c 22 c 32 c 42 c 13 c 23 c 33 c 43 c 11 c 21 c 31 c 12 c 22 c 32 c 13 c 23 c 33 q t,1 q t,2 q t,3 c 11 c 12 c 13 c 21 c 22 c 23 c 31 c 32 c 33 c 41 c 42 c 43 q t,1 q t,2 q t,3 1 + c 41 c 42 c 43 ( ) p t,1 p t,2 p t,3 p t,1 p t,2 p t,3 p t,1 p t,2 p t,3

n estimointi. 15 c 11 c 21 c 31 c 12 c 22 c 32 c 13 c 23 c 33 Myyntitulo päivänä t on q t,1 q t,2 q t,3 q t1 p t1 + q t2 p t2 + q t3 p t3 = ( ) q t1 q t2 q t3 = ( q t1 q t2 ) q t3 + p t,1 p t,2 p t,3 c 41 c 42 c 43 c 11 c 21 c 31 c 12 c 22 c 32 c 13 c 23 c 33 + q t1 c 41 + q t2 c 42 + q t3 c 43 p t,1 p t,2 p t,3 q t,1 q t,2 q t,3 +...