Harjoitusten 5 vastaukset

Samankaltaiset tiedostot
Harjoitusten 4 vastaukset

Lineaarialgebra, kertausta aiheita

Ortogonaalisen kannan etsiminen

Matemaattinen Analyysi / kertaus

Ratkaisuehdotukset LH 7 / vko 47

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

Ominaisvektoreiden lineaarinen riippumattomuus

1 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

5 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

Lineaariset mollit, kl 2017, Harjoitus 1

1.1. Määritelmiä ja nimityksiä

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

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

Kohdeyleisö: toisen vuoden teekkari

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset

6 MATRIISIN DIAGONALISOINTI

Ortogonaalinen ja ortonormaali kanta

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

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

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.

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

Yhteenlaskun ja skalaarilla kertomisen ominaisuuksia

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

Kertausta: avaruuden R n vektoreiden pistetulo

(1.1) Ae j = a k,j e k.

Matematiikka B2 - Avoin yliopisto

3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. Olkoot A 2 := AA =

Johdatus lineaarialgebraan

b 1. b m ) + ( 2b Ax) + (b b)

Vektoreiden A = (A1, A 2, A 3 ) ja B = (B1, B 2, B 3 ) pistetulo on. Edellisestä seuraa

BM20A0700, Matematiikka KoTiB2

Lineaarikuvauksen R n R m matriisi

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

7 Vapaus. 7.1 Vapauden määritelmä

Ratkaisuehdotukset LH 3 / alkuvko 45

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

9 Matriisit. 9.1 Matriisien laskutoimituksia

Regressioanalyysi. Vilkkumaa / Kuusinen 1

3.1 Lineaarikuvaukset. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 3.1 Lineaarikuvaukset. 3.1 Lineaarikuvaukset

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.

Ortogonaaliset matriisit, määritelmä 1

Ominaisarvo ja ominaisvektori

2.8. Kannanvaihto R n :ssä

Regressioanalyysi. Kuusinen/Heliövaara 1

2 / :03

Insinöörimatematiikka D

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?

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

2.5. Matriisin avaruudet ja tunnusluvut

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.

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

Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 3 /

Määritelmä 1. Olkoot V ja W lineaariavaruuksia kunnan K yli. Kuvaus L : V. Termejä: Lineaarikuvaus, Lineaarinen kuvaus.

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

1 Singulaariarvohajoitelma

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

MS-A0003/A Matriisilaskenta Laskuharjoitus 6

Likimääräisratkaisut ja regularisaatio

Matematiikan tukikurssi

Paikannuksen matematiikka MAT

Matriisit. Määritelmä 1 Reaaliluvuista a ij, missä i = 1,..., k ja j = 1,..., n, muodostettua kaaviota a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n A =

Ominaisarvot ja ominaisvektorit 140 / 170

Ominaisarvo ja ominaisvektori

5 OMINAISARVOT JA OMINAISVEKTORIT

OMINAISARVOISTA JA OMINAISVEKTOREISTA

Neliömatriisin adjungaatti, L24

Insinöörimatematiikka D

sitä vastaava Cliffordin algebran kannan alkio. Merkitään I = e 1 e 2 e n

ominaisvektorit. Nyt 2 3 6

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I. LM1, Kesä /218

802320A LINEAARIALGEBRA OSA III

Inversio-ongelmien laskennallinen peruskurssi Luento 7 8

Matriisilaskenta, LH4, 2004, ratkaisut 1. Hae seuraavien R 4 :n aliavaruuksien dimensiot, jotka sisältävät vain

2. Teoriaharjoitukset

Matriisialgebra harjoitukset, syksy 2016

Sisätuloavaruudet. 4. lokakuuta 2006

6. OMINAISARVOT JA DIAGONALISOINTI

Vektorilaskenta, tentti

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

Havainnollistuksia: Merkitään w = ( 4, 3) ja v = ( 3, 2). Tällöin. w w = ( 4) 2 + ( 3) 2 = 25 = 5. v = ( 3) = 13. v = v.

Matriisilaskenta Luento 12: Vektoriavaruuden kannan olemassaolo

tyyppi metalli puu lasi työ I II III metalli puu lasi työ

Tehtäväsarja I Seuraavat tehtävät liittyvät kurssimateriaalin lukuun 7 eli vapauden käsitteeseen ja homogeenisiin

Pienimmän neliösumman menetelmä (PNS)

Ominaisarvo-hajoitelma ja diagonalisointi

3.2.2 Tikhonovin regularisaatio

Talousmatematiikan perusteet: Luento 9

Pienimmän neliösumman menetelmä (PNS)

Insinöörimatematiikka D

Insinöörimatematiikka D

Matriisien tulo. Matriisit ja lineaarinen yhtälöryhmä

Kuvaus. Määritelmä. LM2, Kesä /160

Ennakkotehtävän ratkaisu

Transkriptio:

Harjoitusten 5 vastaukset 1. a) Regressiossa (1 ) selitettävänä on y jaselittäjinävakiojax matriisin muuttujat. Regressiossa (1*) selitettävänä on y:n poikkeamat keskiarvostaan ja selittäjinä X matriisin muuttujienpoikkeamatkeskiarvoistaan. Tässäregressiossa ei ole vakiota. (M 1 0 (kirjan s. 63), joten esim. M y y _ y.) Jos S(X) sisältäisi vakiovektorin regressiossa (1 ), niin :sta ja X:stä muodostettava selittäjämatriisi olisi vajaa asteinen matriisi: Yksi sen sarakkeista ( ) olisi lineaarikombinaatio X:n sarakkeista. Jos S(X) sisältäisi vakiovektorin regressiossa (1*), niin selittäjämatriisi M X olisi vajaa asteinen. Esimerkiksi jos jokin X:n sarake olisi vakiovektori, niin M X:n vastaava sarake olisi nollavektori. Vaikka jokin X:n sarake ei olisi vakiovektori, niin selittäjämatriisi on silti vajaa asteinen: Regressio (1*) on yhtä pitävä regression M y M XAA 1 u 1 kanssa, kun A on ei singulaarinen matriisi (kirjan s. 61). A voidaan aina valita siten, että yksi XA:n sarakkeista on vakiovektori. Tällöin M XA:n yksi sarake on nollavektori ja M XA on vajaa asteinen ja siten myös M X. b) Lasketaan FWL lauseen avulla :n PNS estimaatti regressiosta (1 ). Sijoitetaan kirjan kaavaan (2.41) X 1 :n paikalle ja X 2 :n paikalle X : ^ (X 0 M X) 1 X 0 M y Lasketaan :n PNS estimaatti regressiosta (1*) tavallisella kaavalla: ^ f(m X) 0 M X)g 1 (M X) 0 M y (X 0 M X) 1 X 0 M y Estimaatit ovat samat. c) FWL lauseen mukaan residuaalit ovat samat regressioissa (1 ) ja (1*). (Regressio (1 ) vastaa kirjan kaavaa (2.33) ja regressio (1*) kirjan kaavaa (2.40).) d) Residuaalit ja siten niiden neliösumma ovat samoja kohdan c) mukaan. Selitettävät eivät ole regressioissa samoja, mutta keskistetyt selitettävät ovat: Regression (1 ) keskistetty y vektori on M y, ja regression (1*) keskistetty y vektori on M (M y)m y. Regressioiden keskistetyt selitettävät ja siten niiden neliösummat ovat samoja. Näin ollen selitysosuudet R 2 c :t(1 km Xyk 2 km yk 2 ) ovat regressioissa (1 ) ja (1*) samat.

2. a) Perustelu vihjeen väitteelle 0: Posiitivisesti de niitin (pos. def.) matriisin ominaisarvot ovat positiivisia. (Kirjan s. 547; Timo Patovaaran opetusmoniste Matriisilaskentaa tilastotieteilijöille s. 25.) Selvästikin pätee 1 2 1 2, l k jossa 1 2 1 2 1 1 2. Vihjeestä, yo. yhtäsuuruudesta ja matriisin S sarakkeiden ortogonaalisuudesta seuraa, että Määrittelemällä A S S 0. S 1 2 1 2 S 0 S 1 2 S 0 S 1 2 S 0. R S 1 2 S 0 toteutuu kysytty matriisien yhtäsuuruus A RR R 2. (1) b) Perustellaan vihje1:n kohdat: R 1 (S 1 2 S 0 ) 1 (S 0 ) 1 ( 1 2 ) 1 (S) 1. Ortogonaalisen matriisin käänteismatriisi on sen transpoosi (esim. l Davidsonin k ja MacKinnonin (2004) kirjan s. 548). Selvästikin ( 1 2 ) 1 1 2 1 1 2 1 2. Näin ollen R 1 (S 0 ) 1 ( 1 2 ) 1 (S) 1 S 1 2 S 0. Selvästikin R 1 on symmetrinen matriisi eli (R 1 ) 0 R 1. Kertomalla yhtälö (1) molemmilta puolilta R 1 :llä saadaan vihje1:n viimeinen yhtäsuuruus R 1 AR 1. (2) Perustellaan vihje2:n väite x R 1 z : Matriisi R 1 on täysiasteinen matriisi, joten mikä tahansa 1 vektori mukaan lukien tehtävän x vektori voidaan esittää matriisin R 1 sarakkeiden lineaarikombinaationa. Näinollenvalitsemalla z vektorin komponentit (koordinaatit) sopivasti saadaan yhtäsuuruus x R 1 z. Esitetään neliömuoto x 0 ( A)x yhtäsuuruuden x R 1 z avulla (vihje2):

x 0 ( A)x R 1 :n symm. z 0 R 1 ( A)R 1 z z 0 (R 2 R 1 AR 1 )z (1)&(2) z 0 (A 1 )z. Yhtälöstä nähdään, että jos matriisi A on pos. def., niin myös matriisi A 1 on pos. def. c) Koska erotus A B on pos. def. matriisi, niin vihjeen perusteella myös matriisi R 1 (A B)R 1 R 1 AR 1 R 1 BR 1 (2) R 1 BR 1 on pos. def. Kohdasta b) seuraa, että myös matriisi RB 1 R on pos. def. Kerrotaan yllä oleva matriisi molemmilta puolilta R 1 :llä: R 1 (RB 1 R )R 1 R 1 RB 1 RR 1 2 (1) R B 1 A 1. Vihjeen ja R 1 :n symmetrisyyden perusteella kertominen R 1 :llä molemmilta puolilta ei muuta matriisin de niittisyyden lajia. Näin ollen matriisin B 1 A 1 de niittisyyden laji on sama kuin matriisin RB 1 R eli molemmat ovat pos. def:ejä. Näin ollen jos matriisi A B on pos. def, niin myös matriisi B 1 A 1 on pos. def. Tehtävä on oleellisesti Davidsonin ja MacKinnonin (2004) kirjan HT 3.8.

3. a) Yhtälö pätee, jos µ A B B 0 A 1 0 C 0 0 A 1 B (C B 0 A 1 B) 1 B 0 A 1. Osoitetaan, että yo. yhtälö pätee: A B B 0 C µ A 1 0 0 0 0 B 0 A 1 0 0 B 0 A 1 0 0 B 0 A 1 0. 0 0 0 A 1 B B B B 0 A 1 B C [ B 0 A 1 ] 0 0 B 0 A 1 (C B 0 A 1 B) 1 B 0 A 1 (*) (C B 0 A 1 B) 1 [ B 0 A 1 ] b) Valitaan a) kohdan kaavassa (1) A X 0 1 X 1, B X 0 1 X 2 ja C X 0 2 X 2. Nähdään heti, että kaava pätee, jos (C B 0 A 1 B) 1 (X 0 2M 1 X 2 ) 1. Osoitetaan, että niin on: (C B 0 A 1 B) 1 [X 0 2 X 2 X 0 2 X 1(X 0 1 X 1) 1 X 0 1 X 2] 1 fx 0 2[ X 1 (X 0 1X 1 ) 1 X 0 1]X 2 g 1 (X 0 2M 1 X 2 ) 1.

4. a) Todistus on suoraviivainen HT 5.3 b):n kaavan (3) avulla: P x X(X 0 X) 1 X 0 ½ (X X 1 X 0 1X 1 ) 1 0 2 0 0 (X 0 1 X 1 ) 1 X 0 1 X 2 (X 0 2M 1 X 2 ) ¾ 1 X 0 2X 1 (X 0 1X 1 ) 1 X 0 1 X 0 2 X 1 (X 0 1X 1 ) 1 X 0 1( X 1 (X 0 1X 1 ) 1 X 0 1X 2 X 2 )(X 0 2M 1 X 2 ) 1 h X 0 2X 1 (X 0 1X 1 ) 1 X 0 1X 0 2 P 1 ( P 1 )X 2 (X 0 2 M 1X 2 ) 1 X 0 2 ( P 1) P 1 ( P 1 )X 2 (X 0 2 M 1X 2 ) 1 [( P 1 )X 2 ] 0 P 1 M 1 X 2 [(M 1 X 2 ) 0 M 1 X 2 )] 1 [M 1 X 2 ] 0 P 1 P M1X 2. Kaava P X P 2 P M2X 1 seuraa, kun X 1 :n ja X 2 :n sarakkeet tai sarakkeiden merkinnät vaihdetaan keskenään edellisissä todistuksissa. Davidson ja MacKinnon esittävät vaihtoehtoisen todistuksen (kirjan HT 2.19). b) Hajotelman P X P 1 P M1X 2 tulkinta: P X y on PNS sovite y:lle, kun selittäjämatriisi on X (kaikki selittäjät). Hajotelman mukaan P X y voidaan esittää summana kahdesta muusta PNS sovitteesta y:lle. Toisessa onollut selittäjämatriisina X 1 ja toisessa M 1 X 2. Jälkimmäisen sarakkeet ovat residuaalit regressioista, joissa on selitetty X 2 :n sarakkeita X 1 :llä. Summa on ortogonaalinen: P X y eli y:n projektio X:lle on summa y:n projektiosta X 1 :lle ja M 1 X 2 :lle Näiden matriisien sarakkeiden virittämät avaruudet ovat ortogonaalisia, joten projektio P X y esitetään hajotelmassa kahden ortogonaalisen projektion summana. Tulkinta HT 2.2:n kuvion geometrian puitteissa: Kuvioon on piirretty vektorit P X y ja P 1 y. Hajotelman mukaan P M1X 2 y on vektori CB Selvästikin kuviossa pätee, että P X y P 1 ycb, joten kuvion mukaan P M1X 2 y on CB. Formaalisti: Koska P 1 P X y P 1 y, niin P 1 y on on P X y:n projektio (kuviossa) vektorille X 1. Näin ollen CB on M 1 P X y kuten kuvioon 1.7 c) on merkitty. Laskemalla nähdään edelleen, että P M1 X 2 y M 1 P X y M 1 X 2 ^ 2. Lasku alkaa huomaamalla, että matriisitulon P M1X 2 ensimmäinen matriisi on i

M 1 : P M1X 2 y M1M1M1 M 1 P M1X 2 y M 1 P 1 0 M 1 (P 1 P M1X 2 )y a) eli (4.36) M 1 P X y M 1 (X 1^ 1 X 2^ 2) M 1X 10 M 1 X 2^ 2. Tulkinta kuvion 1.7 b) avulla: P M1X 2 y on y:n projektio M 1 X 2 :lle. M 1 X 2 :n ja X 1 :n virittämät avaruudet ovat kohtisuorassa, joten M 1 X 2 (ei piirretty kuvioon) on yhdensuuntainen vektorin CB kanssa ja P M1X 2 y M 1 X 2 ^ 2.