Om tilpasning av funksjoner til observerte dataer

Like dokumenter
Denne labøvelsen gir en videre innføring i elementær bruk av programmet Maple.

6.6 Anvendelser på lineære modeller

Basisoppgaver til Tall i arbeid Påbygging kap. 4 Modellering

MAT 110A - VÅR 2001 OBLIGATORISK OPPGAVESETT

6.5 Minste kvadraters problemer

MAT 100a - LAB 3. Vi skal først illustrerere hvordan Newtons metode kan brukes til å approksimere n-te roten av et positivt tall.

2P kapittel 2 Modellering Utvalgte løsninger oppgavesamlingen

R2 eksamen våren 2018 løsningsforslag

Modellering 2P, Prøve 2 løsning

6.8 Anvendelser av indreprodukter

Modellering 2P, Prøve 1 løsning

MAT feb feb feb MAT Våren 2010

1 Mandag 15. februar 2010

Løsningsforslag for MAT-0001, desember 2009, UiT

S1 Eksamen høst 2009 Løsning

Eksamen 2P MAT1015 Høsten 2012 Løsning

Snøtetthet. Institutt for matematiske fag, NTNU 15. august Notat for TMA4240/TMA4245 Statistikk

Eksamen S1, Høsten 2013

2P, Modellering Quiz fasit. Test, 3 Modellering

R1 eksamen høsten 2015

2T kapittel 3 Modellering og bevis Løsninger til innlæringsoppgavene

Eksamen S2 høsten 2014 løsning

Systemidentifikasjon Oppgaver

Eksamen 2P MAT1015 Høsten 2012

Funksjoner S1, Prøve 1 løsning

f (x) = a x k der tallet a og eksponenten k kan være både positive og negative tall. Et eksempel på en potensfunksjon med negativ eksponent er

ST0202 Statistikk for samfunnsvitere

TMA4245 Statistikk Eksamen desember 2016

10.1 Enkel lineær regresjon Multippel regresjon

Funksjoner S2 Oppgaver

Løsningsforslag Eksamen S2, våren 2016 Laget av Tommy Odland Dato: 29. januar 2017

Funksjoner Forelesning i Matematikk 1 TMA4100. Hans Jakob Rivertz Institutt for matematiske fag 19. august 2010

GeoGebra 4.2 for Sinus 2P. av Sigbjørn Hals

Systemidentifikasjon Oppgaver

Funksjoner Forelesning i Matematikk 1 TMA4100. Hans Jakob Rivertz Institutt for matematiske fag 18. august 2011

Eksamen REA3026 Matematikk S1

Eksamen S1 høsten 2015

c) En bedrift ønsker å produsere en gitt mengde av en vare, og finner de minimerte

Oppgaver. Innhold. Funksjoner i praksis Vg2P

Oppfriskningskurs Sommer 2019

EN LITEN INNFØRING I USIKKERHETSANALYSE

6.4 (og 6.7) Gram-Schmidt prosessen

Beregning av kvartilen Q 1 (example 2.12) Mer repetisjon. ST0202 Statistikk for samfunnsvitere

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen MAT1013 Matematikk 1T Høsten 2014

Weibullfordelingen. Kjetil L. Nielsen. Innhold. 1 Teori. 1.1 Tetthetsfunksjon og fordelingsfunksjon

Mål på beliggenhet (2.6) Beregning av kvartilene Q 1, Q 2, Q 3. 5-tallssammendrag. ST0202 Statistikk for samfunnsvitere

DEL 1 Uten hjelpemidler

Tall i arbeid Påbygging kapittel 3 Funksjoner Løsninger til innlæringsoppgavene

Texas. Så trykker vi på zoom og velger 0:ZoomFit. Vi får fram det valget enten ved å trykke på tasten 0 eller ved å trykke på tasten noen ganger.

Eksamen S2 va ren 2016 løsning

DEL 1 Uten hjelpemidler

Test, 5 Funksjoner (1P)

ST0202 Statistikk for samfunnsvitere

Eksamen R2 høst 2011, løsning

Eksamen S1, Høsten 2013

år i alder x i tid y i i=1 (x i x) 2 = 60, 9

Eksamen R1, Våren 2015

Eksamen S2 høsten 2014

: subs x = 2, f n x end do

Eksamen REA3026 S1, Våren 2013

5.9 Momentan vekstfart

Eksamensoppgave i TMA4240 Statistikk

GeoGebra for Sinus 2T

S1 eksamen våren 2017 løsningsforslag

R1 eksamen høsten 2015 løsning

MAT jan jan feb MAT Våren 2010

DEL 1 (Uten hjelpemidler, leveres etter 3 timer) 3(a + 1) 4(1 a) (6a 1) = 3a a 6a + 1

I et eksperiment er det målt følgende sammenheng mellom to størrelser x og y. x Y = ax + b:

1P, Funksjoner løsning

Eksamen R1 høsten 2014

Løsningsforslag Eksamen S2, høsten 2016 Laget av Tommy Odland Dato: 27. januar 2017

DEL 1. Uten hjelpemidler. Forklar hvordan vi kan avgjøre om brøken nedenfor kan forkortes, uten å utføre forkortingen n

2P kapittel 2 Modellering Løsninger til innlæringsoppgavene

Løsningsforslag heldagsprøve våren T

DEL 1 Uten hjelpemidler

DEL 1. Uten hjelpemidler. Oppgave 1 (2 poeng) Oppgave 2 (4 poeng) Oppgave 3 (4 poeng) I er en konstant. Deriver funksjonene

Del 2: Alle hjelpemidler er tillatt, med unntak av Internett og andre verktøy som tillater kommunikasjon.

Eksamen REA3028 Matematikk S2. Nynorsk/Bokmål

EKSAMENSOPPGAVE MAT-0001 (BOKMÅL)

Utvalgte løsninger oppgavesamlingen

Når du har arbeidet deg gjennom dette kapittelet, er målet at du skal kunne

Eksamen S1, Hausten 2013

Eksamen MAT1015 Matematikk 2P Va ren 2015

Emne 10 Litt mer om matriser, noen anvendelser

Løsningsforslag Eksamen S2, høsten 2015 Laget av Tommy O. Sist oppdatert: 25. mai 2017

Eksamen MAT1015 Matematikk 2P Va ren 2014

Funksjoner og andregradsuttrykk

Texas Instruments TI-84

Ma-1410: Analyse, Obligatorisk øvelse 2, høsten løsningsforslag

3 x = 27 x ln 3 = ln 27 ln 27 x = ln 3 x = x2 = 10 x log(10 x2 ) = log(10 x ) x 2 = x x(x 1)=0 x = 0 x = 1. x +3=2

Algoritmer og datastrukturer Kapittel 2 - Delkapittel 2.1

Funksjoner 1T Quiz. Test, 4 Funksjoner

Eksamen MAT1013 Matematikk 1T Høsten 2014

Eksempelsett 2P, Høsten 2010

DEL 1 Uten hjelpemidler

Innhold. Matematikk for ungdomstrinnet

S2, Funksjoner Quiz. Test, 2 Funksjoner

Modellering løsninger

Sikkerhetsrisiko:lav. fare for øyeskade. HMS ruoner

Transkript:

Om tilpasning av funksjoner til observerte dataer Anta at vi har tilgjengelig noen måledataer for en størrelse y som avhenger av en annen størrelse : : 1 2 $$$ n y : y 1 y 2 $$$ y n I mange situasjoner ønsker å vi tilpasse en funksjon f av en bestemt type slik at grafen til f approksimerer best mulig de gitte dataene. Vi skal se eksempler på tre mulige valg for funksjonen f : 1) f er en lineær funksjon av, dvs. f = a $ C b. 2) f er en eksponensialfunksjon av typen f = b $ a. 3) f er en potensfunksjon av typen f = b $ a. Eksempel 1 : om høyere utdanning i en befolkning. Følgende tabell angir utviklingen i et land over prosentandelen y av de som har en mastergrad (eller tilsvarende utdanning) blandt alle innbyggerne over 25 år : : 0 5 10 15 20 25 y : 10.7 13.9 16.2 19.4 21.3 23.0 Her angir antall år etter 1980. Tegner vi disse målepunktene inn i et y -koordinatsystem får vi følgende bilde :

y 22 20 18 16 14 12 0 5 10 15 20 25 Det ser ut som disse punktene nesten ligger på en rett linje : Vi kan legge inn et slik linje etter øyemål på "best mulig" måte (f.eks. ved hjelp av papir/linjal/blyant). Dette er ikke veldig vitenskapelig i dagens teknologiske verden, men kan være brukbart hvis man er fornøyd med en grov approksimasjon. Her kan vi f.eks. komme frem til linjen y = 0.5 C 11. Det finnes en linje med likning y = a $ C b som approksimerer de gitte punktene på best mulig måte (i en viss forstand) : denne linjen kalles minstekvadraters linje. Vi skal se hvordan man utleder en formel for denne i kapittel 12. Man beskriver ofte prosessen som såkalt lineær regresjon (eller minste kvadraters metode) på de gitte punktene. Med Maple er det enkelt å finne minstekvadraters linje : På radlinjen øverst i Maple, velg Tools -> Assistants -> Curve Fitting.

I boksen som kommer opp, fyll inn datapunktene og trykk Fit. Det kommer da en ny boks der punktene er tegnet inn i. Trykk på Plot i delboksen som heter least squares. Du vil da se minstekvadraters linje tegnet inn i bildet til venstre; likningen for denne linjen er oppgitt under. Hvis du vil importere likningen til dokumenentet du holder på med kan du velge Interpolant nederst ved knappen On 'done' return. Hvis du vil ha hele bildet importert til ditt dokument velger du plot istedet. Så trykker du Done. Gjør vi dette med datatene fra vårt eksempel får vi importert følgende bilde : 22 20 18 16 14 12 0 5 10 15 20 25 Vi passet da på å notere oss at Maple oppgir likningen for minste kvadraterslinje til å være y = 0.4965714286 $ C 11.20952381 z 0.497 $ C 11.210

Hvis vi forutsetter en tilsvarende utvikling i fremtiden, kan vi bruke dette til å anslå at i året 2020, som svarer til = 40, så vil da y være gitt ved : y z 0.497 $ 40 C 11.210 = 31.090. Eksempel 2 : om befolkningsveksten på jorden etter 1900. La angi antall år etter 1900 og y angi anslått befolkning (i milliarder) på jorden ved dette tidspunktet. Vi har tilgjengelig følgende (grove) måledata for og y : : 27 60 74 87 98 103 y : 2 3 4 5 6 6.3 6 y 5 4 3 2 30 40 50 60 70 80 90 100

Det kan se ut som y vokser eksponensielt med. Så vi ønsker å skrive y som en funksjon av på formen y = b $ a der a, b er begge positive konstanter. Vi innfører Y = ln y ( her kunne vi også brukt Y = log 10 y ). Poenget med dette er hvis y = b $ a så er da Y = ln y = ln b $ a = ln b C ln a = ln b C ln a dvs. Y = A C B, der A = ln a, B = ln b. Vi beregner nå Y = ln y for alle de målte y - verdiene : : 27 60 74 87 98 103 Y : ln 2 ln 3 ln 4 ln 5 ln(6) ln(6.3) = 0.69315 =1.0986 = 1.3863 = 1.6094 =1.7918 =1.8405 Grafisk gir dette : 1.8 Y 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 30 40 50 60 70 80 90 100

Så bruker vi lineær regresjon på de "nye", Y punktene og bestemmer A og B slik at grafen til Y = A C B approksimerer disse punktene best mulig : Maple gir oss da 1.8 Y 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 30 40 50 60 70 80 90 100 Maple gir oss også at A = 0.01563270557, B = 0.2334441997 Dette gir videre at a = e A = e 0.01563270557 = 1.015755536 z 1.016 og b = e B = e 0.2334441997 = 1.262942353 z 1.263 Grafen til y = b a z 1.263 $ 1.016 vil altså gå approksimativt gjennom de opprinnelige målepunktene; dette kan vi sjekke grafiskt :

y 6 5 y = 1.263 $ 1.016 4 3 2 0 20 40 60 80 100 Befolkningen i 2050 kan anslåes etter denne modellen til å bli : 1.263 $ 1.016 150 = 13.66027815 mens den vil ha vokst i 2100 til : 1.263 $ 1.016 200 = 30.20959758 Eksempel 3 : om planter og deres gjennomsnittsmasse En bonde har et jorde der han planter hvert år et vist antall planter (av sammeart). Dette antallet, la oss si, varierer hvert år. Ved innhøstingen veier han plantene og regner ut deres gjennomsnittsmasse y (i kg). Måledataene han har notert ned eter noen år er : 52 97 200 304 392 523 y 0.263 0.097 0.039 0.020 0.012 0.009 Grafisk gir dette følgende bilde :

y 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0 100 200 300 400 500 Det kan se ut som y kan være på formen y = b $ a ( med a! 0, b O 0 ). Vi innfører nå X = ln, Y = ln y : For dersom y = b $ a vil da Y = ln b $ a = ln b C a $ ln = a$x C B, der B = ln b. Vi beregner nå X = ln og Y = ln y for alle de målte verdiene. Det gir :

X Y ln 52 ln 97 ln 200 ln 304 ln 392 ln 523 3.9512 ln 0.263 K1.3356 4.5747 ln 0.097 K2.3330 5.2983 ln 0.039 K3.2442 5.7170 ln 0.020 K3.9120 5.9713 ln 0.012 K4.4228 6.2596 ln 0.009 K4.7105 Så bruker vi lineær regresjon på X, Y punktene og bestemmer a og B slik at grafen til Y = a X C B approksimerer best mulig disse punktene. Maple gir da : 4 4.5 5 5.5 6 X K1.5 K2 K2.5 K3 K3.5 K4 K4.5 Y Maple gir også at a = K1.468743309 zk1.469 og B = 4.451159881 z 4.451.

Dermed er b = e B z e 4.451 85.713. Grafen til y = b $ a z 85.713 $ K1.469 vil gå approksimativt gjennom de opprinnelige målepunktene : 0.25 0.20 0.15 y = 85.713 $ K1.469 0.10 0.05 0 100 200 300 400 500 Dersom bonden planter 75 planter vil deres gjennomsnittsmassen anslagsvis bli : 85.713 $ 75 K1.469 = 0.1508626388. Dersom bonden ønsker å finne ut hvor mange planter han bør plante for at gjennomsnittsmassen vil være ca 200 g = 0.2 kg, kan vi anslå dette grafiskt til et sted rundt 60. Alternativt kan vi løse likningen 85.713 $ K1.469 = 0.2. Det gir ln 85.713 K1.469 ln = ln 0.2 = K1.609437912 så ln = 4.125662214 ln 85.713 C 1.609437912 1.469 = 4.451159881 C 1.609437912 1.469 = og dermed = e 4.125662214 = 61.90879255.