Inversio-ongelmien laskennallinen peruskurssi Luento 11 12

Samankaltaiset tiedostot
HY, MTL / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIb, syksy 2018 Harjoitus 3 Ratkaisuehdotuksia.

EX1 EX 2 EX =

SMG-4200 Sähkömagneettisten järjestelmien lämmönsiirto Ehdotukset harjoituksen 6 ratkaisuiksi

S Laskennallinen systeemibiologia

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

1. (Jatkoa Harjoitus 5A tehtävään 4). Monisteen esimerkin mukaan momenttimenetelmän. n ne(y i Y (n) ) = 2E(Y 1 Y (n) ).

Inversio-ongelmien laskennallinen peruskurssi Luento 7

Osa 2: Otokset, otosjakaumat ja estimointi

= true C = true) θ i2. = true C = false) Näiden arvot löydetään kuten edellä Kun verkko on opetettu, niin havainto [x 1

LIITTEET Liite A Stirlingin kaavan tarkkuudesta...2. Liite B Lagrangen kertoimet...3

8. laskuharjoituskierros, vko 11, ratkaisut

Johdatus tilastotieteeseen Otos ja otosjakaumat. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

4.3 Signaalin autokorrelaatio

Kaksiulotteinen normaalijakauma Mitta-asteikot Havaintoaineiston kuvaaminen ja otostunnusluvut

1. Valitaan tilanteeseen sopiva stokastinen malli. 2. Sovitetaan malli havaittuun dataan (estimoidaan mallin parametrit).

Johdatus tilastotieteeseen Otos ja otosjakaumat. TKK (c) Ilkka Mellin (2004) 1

1. Jatketaan luentojen esimerkkiä 8.3. Oletetaan kuten esimerkissä X Y Bin(Y, θ) Y Poi(λ) λ y. f X (x) (λθ)x

Insinöörimatematiikka IA

Otantajakauman käyttö päättelyssä

Tilastollinen päättely II, kevät 2017 Harjoitus 3B

Otantajakauma. Otantajakauman käyttö päättelyssä. Otantajakauman käyttö päättelyssä

Johda jakauman momenttiemäfunktio ja sen avulla jakauman odotusarvo ja varianssi.

Matematiikan tukikurssi

5. Lineaarisen optimoinnin perusprobleemat

Inversio-ongelmien laskennallinen peruskurssi Luento 2

Tilastolliset luottamusvälit

Osa 2: Otokset, otosjakaumat ja estimointi

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A. Otos- ja otosjakaumat Estimointi Estimointimenetelmät Väliestimointi. Avainsanat:

4 KORKEAMMAN KERTALUVUN LINEAARISET DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT. Kertaluvun n lineaarinen differentiaaliyhtälö ns. standardimuodossa on

Johdatus tilastotieteeseen Estimointimenetelmät. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Mat Tilastollisen analyysin perusteet, kevät 2007

( ) k 1 = a b. b 1) Binomikertoimen määritelmän mukaan yhtälön vasen puoli kertoo kuinka monta erilaista b-osajoukkoa on a-joukolla.

Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia. Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia. Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia: Mitä opimme?

Aineaaltodynamiikka. Aikariippuva Schrödingerin yhtälö. Stationääriset tilat. Ei-stationääriset tilat

Analyysi A. Harjoitustehtäviä lukuun 1 / kevät 2018

Parametrien oppiminen

Yhden selittäjän lineaarinen regressiomalli

5.3 Matriisin kääntäminen adjungaatilla

Tilastollinen todennäköisyys

2 avulla. Derivaatta on nolla, kun. g( 3) = ( 3) 2 ( 3) 5 ( 3) + 6 ( 3) = 72 > 0. x =

RATKAISUT x 2 3 = x 2 + 2x + 1, eli 2x 2 2x 4 = 0, joka on yhtäpitävä yhtälön x 2 x 2 = 0. Toisen asteen yhtälön ratkaisukaavalla saadaan

Seuraavat peruslauseet 1-8 voidaan helposti todistaa integraalin määritelmästä. Integroimisjoukko R oletetaan rajoitetuksi Jordanmitalliseksi

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 5 (6 sivua)

Ryhmän osajoukon generoima aliryhmä ja vapaat ryhmät

Luento 7 Luotettavuus Koherentit järjestelmät

Luento 6 Luotettavuus Koherentit järjestelmät

j = I A = 108 A m 2. (1) u kg m m 3, (2) v =

T Datasta tietoon, syksy 2005 Laskuharjoitus 8.12., ratkaisuja Jouni Seppänen

Ortogonaalisuus ja projektiot

Tilastollinen päättömyys, kevät 2017 Harjoitus 5b

Matriisi on suorakulmainen lukukaavio. Matriiseja ovat esimerkiksi: ,, x1 x. Matriiseihin perehtyminen voidaan perustella useilla järkisyillä.

9.7 Matriisinormit. Vaasan yliopiston julkaisuja 225. Ei siis lainkaan ongelmia defektiivisyydestä.

( θa,n ;Y n (ˆθn θ 0 ), a=1,...,d, J n

Ehdollinen todennäköisyys

Tehtävä 1. Voidaanko seuraavat luvut esittää kahden neliön summina? Jos voidaan, niin kuinka monella eri tavalla? (i) n = 145 (ii) n = 770.

Laaja matematiikka 2 Kertaustehtäviä Viikko 17/ 2005

Markov-ketjun hetkittäinen käyttäytyminen

2.1. Parametrien estimointi 2.2. Regressiokertoimien estimointi kovariansseista ja korrelaatioista

MS-A0502 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi Luennot, osa II

Mat Tilastollisen analyysin perusteet, kevät 2007

Tilastolliset menetelmät: Tilastolliset testit

Testit suhdeasteikollisille muuttujille. Testit suhdeasteikollisille muuttujille. Testit suhdeasteikollisille muuttujille: Esitiedot

Kompleksilukujen alkeet

Matematiikan tukikurssi

Tilastolliset menetelmät

P (X B) = f X (x)dx. xf X (x)dx. g(x)f X (x)dx.

1 Eksponenttifunktion määritelmä

HEIJASTUMINEN JA TAITTUMINEN

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku 9. harjoitukset/ratkaisut. Luottamusvälit

DEE Sähkömagneettisten järjestelmien lämmönsiirto

4.0.2 Kuinka hyvä ennuste on?

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A. Diskreetit jakaumat Jatkuvat jakaumat. Avainsanat:

Tilastollinen päättömyys, kevät 2017 Harjoitus 6A

Mat Sovellettu todennäköisyyslaskenta B 9. harjoitukset / Ratkaisut Aiheet: Estimointi Estimointimenetelmät Väliestimointi Avainsanat:

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A

8.3. Yleinen lineaarinen malli ja yleistetty pienimmän neliösumman menetelmä

2 u = 0. j=1. x 2 j=1. Siis funktio v saavuttaa suurimman arvonsa jossakin alueen Ω pisteessä x. Pisteessä x = x on 2 v. (x ) 0.

Harjoitukset 1 : Tilastokertaus

4.3.6 Eräitä diskreettejä Markov-kenttiä

Johdatus tilastotieteeseen Yhden selittäjän lineaarinen regressiomalli. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat. Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 1, ratkaisut Maanantai

1. Tilastollinen malli??

2.5. Eksponenttifunktio ja eksponenttiyhtälöt

Inversio-ongelmien laskennallinen peruskurssi Luento 3

Luku 7. Parametrien estimointi. 7.1 Parametriset jakaumat. Lasse Leskelä Aalto-yliopisto 29. marraskuuta 2017

Diskreetin Matematiikan Paja Ratkaisuja viikolle 4. ( ) Jeremias Berg. n(n + 1) 2. k =

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

Insinöörimatematiikka D

y = 3x2 y 2 + sin(2x). x = ex y + e y2 y = ex y + 2xye y2

0 3 y4 dy = 3 y. 15x 2 ydx = 15. f Y (y) = 5y 4 1{0 y 1}.

9. Tila-avaruusmallit

HY, MTO / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Tilastollinen päättely II, kevät 2018 Harjoitus 6A Ratkaisuehdotuksia.

Tarkastellaan ympyräsylinterin käyttäytymistä eri muotoisilla tukipinnoilla. Oletetaan sylinterin vierintävastus merkityksettömäksi.

811312A Tietorakenteet ja algoritmit , Harjoitus 1 ratkaisu

1. (Jatkoa Harjoitus 5A tehtävään 4). Monisteen esimerkin mukaan momenttimenetelmän. n ne(y i Y (n) ) = 2E(Y 1 Y (n) ).

10 Kertolaskusääntö. Kahta tapahtumaa tai satunnaisilmiötä sanotaan riippumattomiksi, jos toisen tulos ei millään tavalla vaikuta toiseen.

Tehtäviä neliöiden ei-negatiivisuudesta

Mat Lineaarinen ohjelmointi

Transkriptio:

Iversio-ogelmie laskeallie eruskurssi Lueto 11 12 Kevät 2011 1 Lieaarie tilastollie iversio-ogelma Tarkastellaa lieaarista ogelmaa Y = AX + E, missä Y R m, X R ja E R m ovat satuaismuuttujia ja A R m o aettu matriisi. Oletetaa, että kaikki satuaismuuttujat ovat absoluuttisesti jatkuvia, eli iide jakaumat voidaa ilmaista todeäköisyystiheyksie avulla. Satuaismuuttujaa Y kutsutaa mittaukseski ja se realisaatiota Y = y obs dataksi. Satuaismuuttuja X o tutemato. Niitä muuttujia, joita ei kyetä mittaamaa tai joista ei varsiaisesti olla kiiostueita, kutsutaa joko arametreiksi tai kohiaksi, taauksesta riiue. Oletetaa, että ee kui mitää mittaustas Y o suoritettu, meillä o jotaki eakkotietoa muuttujasta X. Bayesilaise teoria mukaa oletetaa, että tämä iformaatio voidaa koodata todeäköisyystiheytee x π r (x), jota kutsutaa rioritiheydeksi. Toisi saoe se ilmasisee, mitä tutemattomasta tiedetää a riori ee mittaukse suorittamista. Oletetaa, että meillä o myös olemassa tieto X: ja Y : yhteistodeäköisyystiheydestä, jota merkitää π(x, y). Tällöi tutemattoma X margiaalitiheyde täytyy olla R m π(x, y)dy = π r (x). Toisaalta, jos tietäisimme tutemattoma arvo X = x, ii mittaukse Y ehdollie todeäköisyystiheys ehdolla x olisi π(y x) = π(x, y) π r (x), jos π r(x) 0. 1

Y : ehdollista tiheyttä kutsutaa uskottavuusfuktioksi (likelihood fuctio), koska se ataa todeäköisyyde eri mittaustuloksille, ku X = x o kiiitetty. Oletetaa louksi, että data Y = y obs o aettu. Ehdollista todeäköisyystiheyttä π(x y obs ) = π(x, y obs) π(y obs ), jos π(y obs) = R π(x, y obs )dx 0, kutsutaa tutemattoma X a osteriori -tiheydeksi. Tämä tiheys kertoo, mitä tiedetää tutemattomasta, ku mittausdata Y = y obs o aettu. Bayesilaisessa viitekehyksessä tilastollie iversio-ogelma ilmaistaa seuraavasti: ku data Y = y obs o aettu, etsi tutemattoma X ehdollie todeäköisyystiheys π(x y obs ). Lause 1.1 (Bayes theorem of iverse roblems). Oletetaa, että satuaismuuttujalla X R o tuettu rioritodeäköisyystiheys π r (x) ja että data koostuu havaituista arvoista y obs mitattavissa olevasta satuaismuuttujasta Y R m site, että π(y obs ) > 0. Tällöi tutemattoma X a osteriori -tiheys aetulla datalla y obs o π ost (x) = 1 π(y obs ) π r(x)π(y obs x). Huomautus 1.2. Jatkossa kirjoitetaa y = y obs aia, ku sekaaukse mahdollisuutta ei ole. Edellä olevassa Bayesi kaavassa termi π(y) = π(x, y)dx = R π(y x)π r (x)dx R o ormitusvakio, eikä sillä yleesä ole suuremaa merkitystä. Huomaa, että eriaatteessa o mahdollista, että π(y) = 0, toisi saoe saadaa mittausdata, joka todeäköisyystiheys (löyhästi uhue) o olla. Käytäössä tämä harvoi muodostuu todelliseksi ogelmaksi. Tilastollise iversio-ogelma ratkaisemie koostuus siis kolmesta erillisestä osatehtävästä: 1. Käyttäe kaikke olemassa olevaa tietoa tutemattomasta X, etsi/kostruoi a riori -tiheys π r (x), joka kuvaa tätä tietoa. 2. Etsi/kostruoi uskottavuusfuktio π(y x), joka kuvaa havaitu mittausdata ja tutemattoma suhdetta. 3. Kehitä meetelmä a osteriori -tiheyde aalysoimiseksi. Tarkastellaa seuraavassa yo. osatehtäviä eriksee. 2

2 A osteriori -tiheyde estimaattoreita Nii saotut iste-estimaattorit vastaavat kysymyksee: Ku data ja a riori -tieto o aettu, mikä o todeäköisi arvo tutemattomalle X?, ku taas ii saotut leveys- ja väliestimaattorit vastaavat kysymyksee, esimerkiksi Millä välillä tutemattoma arvot ovat 95% todeäköisyydellä, ku data ja riori o aettu?. Piste-estimaattoreita Maximum A Posteriori (MAP) x MAP = arg mi x R π(x y) x MAP o siis se iste, missä a osteriori -tiheys saavuttaa maksimisa (jos maksimi o olemassa). Huomaa, että MAP-estimaatti ei ole välttämättä yksikäsitteie, ja se laskemie umeerisesti vaatii yleesä otimoitiogelma ratkaisu. Ehdollie keskiarvo (Coditioal mea) x CM = E{x y} = xπ(x y)dx R Ehdollie keskiarvo o siis a osteriori -jakauma odotusarvo. Se laskemie umeerisesti vaatii itegroititehtävä ratkaisemise. Väli- ja leveysestimaattoreita Ehdollie kovariassi cov(x y) = (x x CM )(x x CM ) T π(x y)dx R. R Bayesia credibility set Joukko D, 0 100 valittu: µ(d y) π(x y)dm = /100, D π(x y) x D = vakio. Toisi saoe joukko (tai väli) D sisältää rosettia a osteriori -jakauma todeäköisyysmassasta. 3

3 Uskottavuusfuktio kostruoiti Takastellaa lieaarista mallia, jossa kohia o additiivita, eli Y = AX + E, missä Y R m, X R ja E R m, ja X ja E ovat toisistaa riiumattomia. Oletetaa, että E: todeäköisyysjakauma o tuettu, eli µ E (B) = P {E B} = π oise (e)de. Jos X = x o kiiitetty, seuraa X: ja E: riiumattomuudesta, että E: todeäköisyystiheys ei muutu, vaikka se ehdollistettaisii ehdolla X = x. Täte voidaa äätellä, että π(y x) = π oise (e x) = π oise (e) = π oise (y Ax). Täte, jos X: riotitiheys o π r (x), saadaa Bayesi kaavasta 3.1 Gaussiset tiheydet π(x y) π r (x)π oise (y Ax). Määritelmä 3.1. Olkoo x 0 R ja Γ R symmetrie ositiividefiiitti matriisi. -ulotteie gaussie satuaismuuttuja, joka odotusarvo o x 0 ja kovariassi Γ, o satuaismuuttuja, joka todeäköisyystiheys o ( ) /2 ( 1 π(x) = ex 1 ) 2π Γ 2 (x x 0) T Γ 1 (x x 0 ), missä Γ = det(γ). Tällöi merkitää Tarkastellaa iversio-ogelmaa B X N (x 0, Γ). Y = AX + E, missä X ja Y ovat riiumattomia, kohia E o gaussie, eli E N (e 0, Γ oise ), ja tutemattoma X riori o gaussie, X N (x 0, Γ r ). 4

Voidaa osoittaa, että tällöi X: osterioritiheys o gaussie, ( π ost (x) = π(x y) ex 1 ) 2 /x x)t Γ 1 ost(x x), missä ja x = x 0 + Γ r A T (AΓ r A T + Γ oise ) 1 (y Ax 0 e 0 ) Γ ost = Γ r Γ r A T (AΓ r A T + Γ oise ) 1 AΓ r. Huomautus 3.2. Toisaalta voidaa myös osoittaa, että Γ ost = (Γ 1 r + A T Γ oise A) 1 ja x = Γ ost (A T Γ 1 oise (y e 0) + Γ r x 0 ). Molemmat yllä olevat ratkaisukaavat atavat sama ratkaisu. Se, kumia kaavoja kaattaa käyttää, riiuu taauksesta. Huomaa, että vaikka jälkimmäiset kaavat vaikuttavat yksikertaisemmilla, vaativat e kuiteki useide matriisie käätämistä, mikä o umeerisesti raskasta, jos matriisit ovat isoja. Huomautus 3.3. Puhtaasti gaussiessa taauksessa x = x CM = x MAP ja osteriorikovariassi Γ ost o ehdollie kovariassi. Jälkimmäiset ratkaisukaavat voidaa alauttaa ieimmä eliösumma ogelmaksi. Tätä varte tarvitaa Lause 3.4 (Cholesky-hajotelma). Olkoo A R symmetrie ositiividefiiitti matriisi. Tällöi se voidaa esittää yksikäsitteisesti muodossa A = LL T, missä L R o alakolmiomatriisi, joka diagoaalielemetit ovat ositiivisia. Tätä hajotelmaa kutsutaa matriisi A Cholesky-hajotelmaksi. Tarkastellaa gaussista ogelmaa Y = AX + E, 5

missä E N (0, Γ ) ja X N (x 0, Γ ). Olkoo Γ = L L T ja Γ = L L T kovariassimatriisie Cholesky-hajotelmat. Tarkastellaa toisaalta ylidetermioitua ieimmä eliösumma ogelmaa [ ] [ ] L 1 y L 1 L 1 A = x 0 L 1 x, Tämä ogelma ieimmä eliösumma ratkaisu o ˆx = { [ A T L T = ( A T L T = (A T Γ 1 L 1 L T A + Γ 1 A + L T ] [ L 1 A L 1 ]} 1 [ A T L T L 1 ) 1 ( A T L T y + Γ 1 x 0 ). ) 1 (A T Γ 1 L 1 L T y + L T ] [ L 1 y L 1 x 0 ) L 1 x 0 Toisi saoe yllä oleva ogelma ieimmä eliösumma ratkaisu o tilastollise iversio-ogelma ratkaisu ˆx = x. ] 4 Gaussiset rorit Esimerkki 4.1 (Valkoie kohia). Tarkastellaa ogelmaa Y = AX + E, missä kohia E N (0, σ 2 I) ja riori X N (0, γ 2 I). Tällaista rioria kutsutaa valkoie kohia -rioriksi (white oise rior). Nyt käyttämällä esimmäisiä ratkaisukaavoja saadaa x = γ 2 A T (γ 2 AA T + σ 2 I) 1 y = A T (AA T + αi) 1 y, missä α = σ 2 /γ 2. Tätä kaavaa kutsutaa huoosti asetetu ogelma y = Ax + e Wieer-filtteröidyksi ratkaisuksi. Toisaalta käyttämällä jälkimmäisiä ratkaisukaavoja saadaa x = (σ 2 A T A + γ 2 I) 1 σ 2 A T y = (A T A + αi) 1 A T y, eli yllä oleva ogelma a osteriori -tiheyde keskikohta (x CM = x MAP = x) ob ogelma y = Ax Tikhoov-regularisoitu ratkaisu regularisaatioarametrilla α. Tikhoovi regularisaatioarametri α voidaa siis tulkita kohia ja 6

riori variassie suhteeksi. Huomaa myös, että gaussisessa taauksessa π(x y) π r (x)π(y x) ex( 1/(2γ 2 )x T x) ex( 1/(2σ 2 )(y Ax) T (y Ax)) ( ( 1 = ex 2γ 2 x 2 + 1 )) y Ax 2 2σ2 = ex( V (x y)), missä yt V (x y) = CT α (x), eli osterioritiheyde ehdollie otetiaali V o vakiota vaille Tikhoov-fuktioaali T α. Ku Tikhoov-fuktioaali miimoidaa, maksimoidaa tällöi osterioritiheys ex( V (x y)). 4.1 Gaussiset sileysriorit Esimerkki 4.2. Tarkastellaa ogelmaa y = Ax + e klassisessa mielessä. Oletetaa, että x R kuvaa joki fuktio f : D R R diskretisoituja arvoja, ja oletetaa vielä, että tiedämme a riori, että fuktio f o kahdesti differetioituva alueessa D. Tällöi yritetää miimoida Tikhoov-fuktioaali T alha (x) = Ax y 2 + α Lx 2, missä L : R R k o Laålace-oeraattori diskreetti aroksimaatio R :ssä. Kute aiemmi, voidaa odottaa, että o olemassa joki gaussie riorijakauma site, että T α o (vakiota vaille) osterioriotetiaali V (x y). Jos oletetaa, että datassa o valkoista kohiaa variassilla σ 2, ja asetetaa V (x y) = 1 2σ 2 y Ax 2 + α 2σ 2 Lx 2 = 1 2σ 2 T α(x), ii tällöi T α : miimoiti maksimoi ehdollise jakauma x ex( V (x y)). Täte luoollie ehdolas riorijakaumaksi o ( π r (x) ex 1 ) 2γ 2 Lx 2, γ 2 = σ2 α. Olkoo yt L R aettu matriisi. Tarkastellaa riorijakaumaa π r (x) ex ( 12 ) L(x x 0) 2 ( = ex 1 ) 2 (x x 0) T L T L(x x 0 ). 7

Ogelmaa tässä esityksessä o, että matriisi L saattaa yleisessä taauksessa olla degeeroituut, eli rak(l) <, jolloi matriisi L T L R ei ole käätyvä, eikä siis voi määrätä gaussista kovariassimatriisia. Tällöi tulkita tehdää rajarosessi kautta. Seuraavassa asetetaa aia x 0 = 0. Määritelmä 4.3. 1. Satuaismuuttujaa W R k kutsutaa uhtaaksi (tai ortoormaaliksi) valkoiseksi kohiaksi, jos W N (0, I), missä I R k k o yksikkömatriisi. 2. Olkoo X R gasussie satuaismuuttuja, joka odotusarvo o olla. Matriisia L R k kutsutaa X: valkaisumatriisiksi (whiteig matrix), jos LX = W R k. Oletetaa,että x R o gaussie satuaismuuttuja, joka kovariassimatriisi o Γ R. Olkkoo se Cholesky-hajotelma Γ = CC T. Tällöi X: valkaisumatriisi o C 1 : olkoo Y = C 1 X. Nyt Y : kovariassi o E{Y Y T } = E{C 1 XX T C 1 } = C 1 E{XX T }C T = C 1 ΓC T = C 1 CC T C T = I. Käätäe oletetaa, että matriisi L R k o aettu, ja tarkoituksea o kostruoida satuaismuuttuja X R site, että L o mahdollisimma lähellä X: valkaisumatriisia. Olkoo L: sigulaariarvohajotelma L = UDV T, missä D = diag(d 1, d 2,..., d m ), m = mi(k, ), ja ja d 1 d 2 d d +1 = = d m = 0, V = [v 1, v 2,..., v m ]. Tällöi ker(l) = s{v +1,..., v m } ja olkoo Q = [v +1,..., v m ] R (m ). Lemma 4.4. Olkoo W R k ja W R m kaksi keskeää riiumatota valkoista kohiaa, ja olkoo X = L + W + aqw, 8

missä L + o L: seudoiverssi ja a > 0 o mielivaltaie vakio. Tällöi satuaismuutuja X kovariassi o ja se kääteismatriisi o ii Nyt siis jos Γ = L + (L + ) T + a 2 QQT, Γ 1 = L T L + 1 a 2 QQT. X = L + W + aqw, LX = LL + W = UU T W = P W, missä P o ortogoaalie rojektio avaruutee Ra(L), ja muuttuja X = P W kovariassi o tässä avaruudessa yksikkömatriisi. Toisi saoe vaikka L ei ole aiemma määritelmä mukaie valkaisumatriisi, o se mahdollisimma hyvä aroksimaatio sellaisesta. Edellä oleva lemma kaavasta kovariassi kääteismatriisille ähdää, että suurella a satuaismuuttujalla X o miltei haluttu jakauma.kuiteki tällöi aliavaruude ker(l) suutaa X: variassi o silloi valtava, eikä sileysriori siis aa mitää iformaatiota siiä suuassa. Itse asiassa, jos ker(l) {0}, ii L ei edes määritä oikeata todeäköisyystiheyttä: olkoo ( π r (x) ex 1 ) 2γ 2 Lx 2 ( ) = ex 1 d 2 2γ j(v T 2 j x) 2, jote asettamalla H = s{v 1,..., v } saadaa ( ex 1 ) 2γ Lx dx = (2π) /2 γ 2 2 j=1 d <, j H mutta jos >, ii R π r (x)dx =. Tällaisia rioreita kutsutaa eäaidoiksi (imroer) rioreiksi. j=1 9

4.2 1. kertaluvu differessiriori Jos tiedetää, että tutemato X o kerra differetioituvam, voidaa käyttää 1. kertasluvu differessirioria. Tällöi oletetaa, että eräkkäiste isteide erotus o ormaalijakautuut odotusarvolla olla ja variassilla σ 2, toisi saoe x i x i 1 N (0, σ 2 ), i = 1, 2,...,. Tämä riori-iformaatio voidaa esittää matriisia 1 1 1 1 L =... R( 1), 1 1 ja koko riori stokastisea mallia Toisi saoe riori olisi 0 = LX + E, E N (0, σ 2 I). X N (0, σ(l T L) 1 ), mutta yt L T L ei ole käätyvä, eli L määrittelee eäaido riori! Se voidaa kuiteki laajetaa aidoksi rioriksi lisäämällä siihe reuaehto: olkoo x 1 N (0, σ), jolloi siis saadaa matriisi L = 1 1 1 1 1... 1 1 R, joka ataa aido riori. Huomaa, että tämä reuaehtovalita akottaa istee x 1 ollaksi, mikä ei välttämättä ole toivottavaa. Huomaa myös, että o mahdollista kiiittää myös joki muu iste, esimerkiksi ääteiste x. Toie vaihtoehto o ataa reuaisteelle eemmä vaautta asettamalla se variassi suureksi. Tällöi tämä lisäiformaatio voidaa tulkita ii, että meillä ei ole kovi tarkkaa tietoa istee x 1 arvosta. 10

4.3 2. kertaluvu differessiriori Jos tiedetää, että X o kahdesti differetioituva, voidaa käyttää rioria 2. kertaluvu differessi eli diskretisoitua Lalace-oeraattoria: 1 2 1 1 2 1 L =... R( 2). 1 2 1 Jällee L määrittelee eäaido riori, jota joudutaa laajetamaa reuaehdoilla. Mahdollisia laajeuksia ovat esimerkiksi x 1 N (0, σ), 2x 1 + x 2 N (0, σ), joka jällee aiaa istee x 1 ollaksi, tai symmetrie lisäiformaatio 2x 1 + x 2 N (0, σ), x 1 2x N (0, σ). Kulloiki soivat reuaehdot riiuvat tilateesta. 5 Priori sämläys Usei o hyödyllistä tietää, millaisia ratkaisuja eri riorit tuottavat. Niitä voidaa tutkia kostruoimalla realisaatioita aetusta riorijakaumasta tai riorimallista. Olkoo X gaussie satuaismuuttuja, X N (x 0, Γ), ja olkoo Γ = CC T kovariassimatriisi Cholesky-hajotelma. Tällöi ja C 1 X N (x 0, I) C 1 X x 0 N (0, I), jote realisaatio jakaumasta N (x 0, Γ) voidaa kostruoida ratkaisemalla yhtälö C 1 (W + x 0 ), W N (0, I), 11

eli x = C(w + x 0 ), missä W = w o valkoise kohia realisaatio. Vastaavasti riorimalli x 0 = LX + E, E N (0, Γ), taauksessa tulee ratkaista yhtälö Lx = C(w + x 0 ). 12