Ekstrapolasjon. Minste kvadraters metode

Like dokumenter
Ekstrapolasjon. Minste kvadraters metode. Minste kvadraters metode på matriseform. Implementering

x 1, x 2,..., x n. En lineær funksjon i n variable er en funksjon f(x 1, x 2,..., x n ) = a 1 x 1 + a 2 x a n x n,

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 10 1 LØSNING ØVING 10

Numerisk kvadratur. PROBLEM STILLING: Approksimér. f(x)dx. I(f) = hvor f : R R. Numerisk sett, integralet I(f) = b. f(x)dx approksimeres med en summe

UNIVERSITETET I OSLO

1 Mandag 25. januar 2010

S1 kapittel 6 Derivasjon Løsninger til oppgavene i boka

Kvadratur. I(f) = f(x)dx.

Integralregning. Mål. for opplæringen er at eleven skal kunne

Eksamen høsten 2015 Løsninger

R1 kapittel 1 Algebra

Mer øving til kapittel 3

5: Algebra. Oppgaver Innhold Dato

Løsningsforslag Kollokvium 6

Oppfriskningskurs i matematikk 2007

Faktorisering. 1 Hva er faktorisering? 2 Hvorfor skal vi faktorisere? Per G. Østerlie Senter for IKT i utdanningen 11.

Eksamen våren 2018 Løsninger

M2, vår 2008 Funksjonslære Integrasjon

75045 Dynamiske systemer 3. juni 1997 Løsningsforslag

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 8 Numerisk integrasjon

E K S A M E N. Matematikk 3MX. Elevar/Elever Privatistar/Privatister. AA6524/AA desember 2004 UTDANNINGSDIREKTORATET

Sammendrag kapittel 1 - Aritmetikk og algebra

Fag: Matematikk 1T-Y for yrkesfag for elever og privatisterr. Eksamensdato: 16. januar 2012

Formelsamling i matematikk

Numerisk derivasjon og integrasjon utledning av feilestimater

Løsningsforslag Kollokvium 1

Løsningsforslag til obligatorisk oppgave i ECON 2130

Eksamen høsten 2015 Løsninger

Chebyshev interpolasjon

Chebyshev interpolasjon

Forkunnskaper i matematikk for fysikkstudenter. Integrasjon.

Eksempeloppgaver 2014 Løsninger

DEL 1 Uten hjelpemidler

Numerisk kvadratur. Newton-Cotes kvadratur. PROBLEM STILLING: Approksimér. I(f) = f(x)dx. hvor f : R R kan Riemann-integreres.

1 k 2 + 1, k= 5. i=1. i = k + 6 eller k = i 6. m+6. (i 6) i=1

1 Mandag 18. januar 2010

a 2πf(x) 1 + (f (x)) 2 dx.

S1 kapittel 4 Logaritmer Løsninger til oppgavene i boka

Fasit til utvalgte oppgaver MAT1100, uka 20-24/9

2P kapittel 5 Eksamenstrening

Høgskolen i Bergen. Formelsamling. for. ingeniørutdanningen. FOA150 høsten 2006 fellespensum. 3.utgave

MAT 100A: Mappeeksamen 4

9 Potenser. Logaritmer

DEL 1 Uten hjelpemidler

LØSNINGSFORSLAG(Sensor) I TMA4140 og MA0302

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 10 1 ØVING 10

EKSAMEN. ANTALL SIDER UTLEVERT: 7 (innkl. forside og 2 sider formelark)

Integrasjon del 2. October 15, Department of Mathematical Sciences, NTNU, Norway. Integrasjon

Løsningsforslag Eksamen 30. mai 2007 FY2045 Kvantefysikk

1P kapittel 3 Funksjoner

MAT 1110: Løsningsforslag til obligatorisk oppgave 2, V-06

Fasit. Grunnbok. Kapittel 4. Bokmål

R1 kapittel 6 Vektorer. Løsninger til oppgavene i boka Løsninger til oppgavene i boka

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Lsningsforslag til ving 8. a =

DEL 1 Uten hjelpemidler

Eksamen våren 2016 Løsninger

DEL 1 Uten hjelpemidler

TMA4100 Matematikk1 Høst 2008

1T kapittel 3 Funksjoner Løsninger til oppgavene i læreboka

Integrasjon Skoleprosjekt MAT4010

Praktiske opplysninger til rektor. Fag: MATEMATIKK 1TY for yrkesfag Fagkode: MAT1006 Eksamensdato: Antall forberedelsesdager: Ingen

1 Mandag 8. mars 2010

Integrasjon av trigonometriske funksjoner

2 Symboler i matematikken

... JULEPRØVE 9. trinn...

Bioberegninger - notat 3: Anvendelser av Newton s metode

Tom Lindstrøm. Tilleggskapitler til. Kalkulus. 3. utgave. Universitetsforlaget,

Vår 2004 Ordinær eksamen

Øving 4: Coulombs lov. Elektrisk felt. Magnetfelt.

Numerisk matematikk. Fra Matematikk 3MX (2002) Side

Brøkregning og likninger med teskje

Eksamen R2, Va ren 2014, løsning

Årsprøve trinn Del 2

Kalkulus 2. Volum av et omdreiningslegeme. Rotasjon rundt x-aksen

dx = 1 2y dy = dx/ x 3 y3/2 = 2x 1/2 + C 1

DEL 1 Uten hjelpemidler

DEL 1 Uten hjelpemidler

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Løsningsforslag til øving 8. a = e m E

Newtonpolynomer med senterpunkter x0, x1,..., xn-1

Kapittel 4 Tall og algebra Mer øving

Fag: Matematikk 1T-Y for elever og privatister. Antall sider i oppgaven: 8 inklusiv forside og opplysningsside

1 Mandag 1. mars 2010

Eneboerspillet. Håvard Johnsbråten

Arne B. Sletsjøe. Kompendium, MAT 1012

Terminprøve Matematikk Påbygging høsten 2014

6. Beregning av treghetsmoment.

2-komplements representasjon. Binær addisjon. 2-komplements representasjon (forts.) Dagens temaer

Løsningsforslag til eksamensoppgaver i ECON 2200 våren 2015

6.8 Anvendelser av indreprodukter

Høgskolen i Oslo og Akershus. a) Finn den deriverte av disse funksjonene: b) Finn disse ubestemte integralene: c) Finn disse bestemte integralene:

Anvendt matematikk formelsamling versjon 21

Løsningsforslag TFE4120 Elektromagnetisme 24. mai = 2πrlɛE(r) = Q innenfor S =

... JULEPRØVE

Formelsamling i matematikk

Løsningsforslag til prøveeksamen Mat1110 våren 2004 Oppgave 1 (a) Elemetære rekkeoperasjoner anvendt på den utvidete matrisen til systemet gir oss:

Tall i arbeid Påbygging terminprøve våren 2014

Fasit. Oppgavebok. Kapittel 5. Bokmål

KAPITTEL 9 Approksimasjon av funksjoner

θ grader sin θ cos θ tan θ

S2 kapittel 5 Vekstmodeller. Løsninger til oppgavene i boka Vi løser oppgaven i CAS i GeoGebra.

Transkript:

Ekstrpolsjon Minste kvdrters metode I de foregående øvingene hr vi sett forskjellige metoder vi kn ruke for å eregne polynomer som interpolerer målepunkter. Vi kn ruke polynomene vi hr eregnet til å estimere verdier som ligger mellom målepunktene ( nodene). Resulttet lir ofte veldig r, hvilket kn kontrolleres når den fktiske funksjonssmmenheng er kjent. Dersom vi ruker polynomene tilå estimere verdier som ligger utenfor intervllet der vi hr dt, sier vi t vi ekstrpolerer målepunktene. Dette må gjøres med stor forsiktighet, for vi hr ingen grnti for t våre interpolerende polynomer også kn enyttes utenfor intervllet. Vi hr sett eksempler med Cheyshevpolynomer definert for intervllet [-,] som gir helt gle resultter utenfor intervllet. Noen gnger er smmenhengen melom måledt kjent fr fysiske eller nturvitenskpeklige områder. Vi vet f. eks. t trykket i dyden h under hvoverflten øker lineært med dyden, p = p0 + Ρ g h der Ρ er vnnets tetthet og g er tyngdens kselersjon. D p = phhl ser vi t p0 = ph0l representerer trykket ved hvoverflten, dvs. tmosfæretrykket. Et nnet eksempel er evegelse v et stivt legeme som sklir ned et skråpln med hellingsvinkel Α. Her vil frten øke lineært med tiden: vhtl = v0 + t, der = g H sin Α - Μ cos ΑL er konstnt når friksjonskoeffisenten Μ er konstnt. Når det er en lineær smmenheng mellom x og y, kn vi skrive y =f(x) = + x. Dersom vi gjør en rekke målinger v smhørende verdier 8xi, yi <, i = 0,...,n i en situsjon hvor vi vet t smmenhengen er lineær, kn det likevel hende t målingene ikke gir punkter på en rett linje fordi målenøyktighet er for dårlig. D er det vår oppgve å prøve å finne den este rette linjen vi kn forinde målepunktene med, dvs. estemme koeffisienten og, slik t vi får gjengitt den lineære smmenhengen som vi vet skulle være tilstede. Hv menes med den este rette linjen gjennom dtpunktene? Det vil være nturlig å se på differnsen mellom oservert verdi yi og teoretisk kjent verdi f Hxi L = + xi i hvert målepunkt 8xi, yi <, og summere disse over dtsettet. Men siden hver enkelt differns kn være positiv eller negtiv, kn summen li meget nær null selv om dtpunktene vviker mye fr den rette linjen vi søker. For å t hensyn til dette, summerer vi kvdrtene v differnsene i hver dtpunkt og minimerer denne summen. Den este linjen definert på denne måten klles regresjonslinjen til dtene. Den kn enyttes åde til ekstrpolsjon og interpolsjon. Vi definerer differnsen Χ H, L = Úni=0 H + xi - yi L ( leses kji kvdrt). Dette er en kontinuerlig funksjon i to vrile som hr sitt minimum når de prtielt deriverte mhp og er null. Χ = Úni=0 H + xi - yi L = Úni=0 + Úni=0 xi - Úni=0 yi = 0 Þ Hn + L + Úni=0 xi - Úni=0 yi = 0 HL Χ = Úni=0 H + xi - yi L xi = Úni=0 xi + Úni=0 xi - Úni=0 xi yi = 0 Þ Úni=0 xi + Úni=0 xi - Úni=0 xi yi = 0 HL Løser vi likningssettet HL - HL mhp. og, får vi : = H Úni=0 xi L HÚni=0 xi yi L - IÚni=0 xi M HÚni=0 yi L H Úni=0 xi L - Hn+L I Úni=0 xi M

Den este linjen definert på denne måten klles regresjonslinjen til dtene. Den kn enyttes åde til ekstrpolsjon og interpolsjon. Minste oppg.n Χ H, L = Ún H + x - y L ( leses kji kvdrt). Dette er en kontinuerlig Vi kvdrters definerermetode differnsen i i i=0 funksjon i to vrile som hr sitt minimum når de prtielt deriverte mhp og er null. Χ = Úni=0 H + xi - yi L = Úni=0 + Úni=0 xi - Úni=0 yi = 0 Þ Hn + L + Úni=0 xi - Úni=0 yi = 0 HL Χ = Úni=0 H + xi - yi L xi = Úni=0 xi + Úni=0 xi - Úni=0 xi yi = 0 Þ Úni=0 xi + Úni=0 xi - Úni=0 xi yi = 0 HL Løser vi likningssettet HL - HL mhp. og, får vi : = = H Úni=0 xi L HÚni=0 xi yi L - IÚni=0 xi M HÚni=0 yi L H Úni=0 xi L - Hn+L I Úni=0 xi M H Úni=0 xi L HÚni=0 yi L-Hn+L HÚni=0 xi yi L H Úni=0 xi L - Hn+L I Úni=0 xi M Implementering lsm@dt_d := ModuleB8c, c, c3, c<, n = Length@dtD - ; c = 0; c = 0; c3 = 0; c = 0; For@i = 0, i n, ++i, x@i_d := dt @@i +, DD; y@i_d := dt@@i +, DD; c += x@id; c += x@id x@id; c3 += y@id; c += x@id y@id; D; g = c * c - c * Hn + L; c * c - c * c3 = ; g = c * c3 - c * Hn + L ; g F Print@"Beste rette linje gjennom dtpunktene: y = " + + * "x"d Eksempel ( dt fr Millikn s oljedråpeforsøk til estemmelse v elementærldningen) dt = 88, 6.8<, 8, 8.06<, 86, 9.880<, 87,.0<, 88, 3.<, 89,.8<, 80, 6.0<, 8, 8.0<, 8, 9.68<, 83,.3<, 8,.96<, 8,.60<, 86, 6.<, 87, 7.88<, 88, 9.<<; lsm@dtd Beste rette linje gjennom dtpunktene: y = +.6383 x + 0.070833

lp = ListPlot@dt, PlotStyle 8PointSize@0.0D, Red<, AxesOrigin 80, 0<D; line = Plot@.6383 x + 0.0708, 8x, 0, 0<, AxesOrigin 80, 0<D; ShowAlp, line, AxesLel 9"k", "q H0-9CL"=, PlotRnge AllE q H0-9 CL 30 0 0 k 0 0 Stigningstllet gir oss e =.6 0-9 C med feilestimt = 0.03 0-9 C Minste kvdrters metode er implementert i Mthermtic ved kommndoen Fit. Der kn du ngi åde lineær tilpsning og høyere ordens tilpsning. Fit@dt, 8, x<, xd.6383 x + 0.070833 Dgens este verdi for elementærldningen er e =.6077 0-9 C (Coulom). Millikn puliserte sitt resultt i 90 og det revolusjonerende ved forsøket vr påvisningen v t ldningen på tomer vr kvntisert, q = n e for et heltll n. Minste kvdrters metode på mtriseform Ant vi hr tre oservsjoner Hx0, y0 L, Hx, y L, Hx, y L som vi forventer skl ligge på en rett linje. Likningene () og () med n = kn d skrives: H + + L + Hx0 + x + x L = y0 + y + y Hx0 + x + x L + Ix0 + x + x M = x0 y0 + x y + x y Likningssystemet kn skrives på mtriseform: M= ++ x0 + x + x x0 + x + x x0 + x + x,u= y0 + y + y, v= Þ M.u = v x0 y0 + x y + x y Videre er det lurt å definerer ny mtrise og nye vektorer: x0 y0 A = x, x =, y = y. y x Den trnsponerte mtrisen til A er gitt ved AT = Vi får følgende resultt: AT. A = M og AT. y = v. x0 x x 3

Videre er det lurt å definerer ny mtrise og nye vektorer: x0 metode oppg.n Minste kvdrters A = x x y0, x=, y = y. y Den trnsponerte mtrisen til A er gitt ved AT =. x0 x x Vi får følgende resultt: AT. A = M og AT. y = v Vårt likningssystem kn derfor formuleres på formen M.u = v AT. A. x = AT. y Vi sier t likningene er skrevet på normlform. Fordelen med å innføre mtrisen A og vektoren y, er t disse er lette å skrive opp. Grunnen er t de inneholder re kjente verdier. Vi trenger ikke gjennomføre eregninger for å sette opp A og y. Metoden lr seg lett generlisere til n målepunkter: x0 y0 y x A=, y=»»» yn xn Mtrisen AT. A er kvdrtisk, og hr en invers mtrise så snt determinnten er ulik null. Dette gir oss løsningen x= - = IAT. AM AT. y Eksempel (Millikn s forsøksserie). A = K 6 7 8 9 0 ; y = 3 6 7 8 6.8 8.06 9.880.0 3..8 6.0 8.0 ; 9.68.3.96.60 6. 7.88 9. O = Inverse@Trnspose@AD.AD. Trnspose@AD.y 0.070833.6383 Vi får smme resultt som før, e = 0-9 C».6 0-9 C.

Polynomer v høyere grd En ll lir skutt loddrett oppover. Vi oserverer posisjonen ved ulike tidspunkter. Fr meknikkpensumet kjenner vi evegelseslikningen shtl = sh0l + v0 t + t der v0 er strthstighet og er konstnt kselersjon. Våre dtpunkter skulle derfor teoretisk ligge på en prel. Vi vil estemme den este kurven ved minste kvdrters metode. Målt verdi er Hti, si L og teoretisk verdi er yi = Α + Β ti + Γ ti Χ HΑ, Β, ΓL = Úni=0 IΑ + Β ti + Γ ti - yi M Χ = Úni=0 IΑ + Β ti + c ti - yi M = Α Úni=0 + Β Úni=0 ti + ý Úni=0 ti - Úni=0 yi = 0 Þ ΑHn + L + Β Úni=0 ti + ý Úni=0 ti - Úni=0 yi = 0 HL Χ = Úni=0 IΑ + Β ti + Γ ti - yi M ti = Α Úni=0 ti + Úni=0 ti + Γ Úni=0 ti 3 - Úni=0 ti yi = 0 Þ Α Úni=0 ti + Β Úni=0 ti + Γ Úni=0 ti 3 - Úni=0 ti yi = 0 HL Χ c = Úni=0 IΑ + Β ti + Γ ti - yi M xi = Α Úni=0 ti + Β Úni=0 ti 3 + Γ Úni=0 ti - Úni=0 ti yi = 0 Þ Α Úni=0 ti + Β Úni=0 ti 3 + Γ Úni=0 ti - Úni=0 ti yi = 0 H3L Uttrykkene for Α, Β og Γ lir kompliserte, men skriver vi likningssettet () - (3) på mtriseform og gjentr resonnementene ovenfor i det lineære tilfellet, finner vi t likningssettet kn skrives: t0 t0 IAT. A M x = AT.y der A= t t»»» Α, x= Β, Γ tn tn y0 y y=» yn Eksempel Vi foretr 6 oservsjoner v evegelsen med 3/0 s mellomrom. dt = 880.3, 3.0<, 80.6, 3.<, 80.9, 33.<, 8., 0.9<, 8., 8.6<, 8.8,.<<; 0.3 0.3 0.6 0.6 A = 0.9 0.9.....8.8 ; y = 3.0 3. 33. ; 0.9 8.6.

6 Α Β Γ = Inverse@Trnspose@AD.AD. Trnspose@AD.y 0.96.6-6.7063 Strtposisjon, strtfrt og kselersjon lir: s0 = Α = 0.96 m v0 = Β =.6 m/s = Γ = -3. m/s Siden > g = 9.8 m/s er det rimelig å nt t det også virker luftmotstnd. Posisjonen ved tiden t er derfor gitt ved: shtl = 0.96 +.6 t - 3. t Uttrykket gjelder re så lenge llen er på vei oppover, siden luftmotstnden lltid virker mot evegelsen. lp = ListPlot@dt, PlotStyle 8PointSize@0.0D, Red<, AxesOrigin 80, 0<D; line = PlotA - 6.7 t +.6 t + 0.96, 8t, 0, <, AxesOrigin 80, 0<E; Show@lp, line, AxesLel 8"t", "sl"<, PlotRnge AllD sl 0 0 30 0 0 t 0..0..0 Mthemtic hr kommndoer som håndterer tilpsning v vilkårlig grd : FitAdt, 9, t, t =, te -6.7063 t +.6 t + 0.96 Eksponentiell smmenheng Dersom vi forventer en eksponensiell smmenheng mellom x og y kn vi skrive y = e x. For å ruke minste kvdrters metode skriver vi om uttrykket ved å t logritmen på egge sider: ln y = ln + x Vi trnsformerer først dtene fr Hxi, yi L til Hxi, ln yi L. Dermed får vi en lineær smmenheng mellom ln yi og xi.

Eksempel xi = Rnge@D 8,, 3,, < yi = 83.6,.7, 9.,.,.8<; Log@yiD 8.7,.7,.77,.73, 3.8< A = K 3 ; x = K Α O; Β y =..7. ;.7 3. Α O = Inverse@Trnspose@AD.AD. Trnspose@AD.y Β 0.7 0. Dette gir oss : ln y = Α + Β x = 0.7 + 0. x y = ã0.7 ã 0. x =. ã 0. x pts = Trnspose@8xi, yi<d; lp = ListPlot@pts, PlotStyle 8Red, PointSize@0.0D<D; pl = PlotA. ã0. x, 8x, 0, 6<E; Show@lp, pl, PlotRnge AllD 0 30 0 0 0 3 I et logritmisk plott lir grfen lineær: 6 7

8 llp = ListLogPlot@pts, PlotStyle 8PointSize@0.0D, Red<, AxesOrigin 80, 0<D; pl = Plot@0. x + 0.7, 8x, 0, 6<D; Show@llp, pld 0.0.0 0.0 7.0.0 3.0.0. 3 x FitBpts, :ExpB F>, xf.0999 ãx Oppgve Bestem regresjonslinj gjennom punktene (, 6), (, ) og (3, ). Løs oppgven åde med og uten mtriseregning. Estimer y- verdien når x =.. Tegn linje og punktene i smme grf. Regresjonslinj: y (x) = + x = 8 -. x Oppgve Bestem et polynom grd som ekstrpolerer punktene H-,.<, H0, 3<, 80., 0.6L, H, -0.6L, 8., -.8<, 8,.L.