Metoda celor mai mici pătrate cu Matlab

Similar documents
Sisteme de recunoaşterea formelor Lab 1 Metoda celor mai mici pătrate

Tehnici de programare

VISUAL FOX PRO VIDEOFORMATE ŞI RAPOARTE. Se deschide proiectul Documents->Forms->Form Wizard->One-to-many Form Wizard

Modele de aproximare, software şi aplicaţii

3. CPU 3.1. Setul de regiştri. Copyright Paul GASNER

GRAFURI NEORIENTATE. 1. Notiunea de graf neorientat

Sisteme de recunoaştere a formelor Lab 10 Clasificatori liniari şi algoritmul perceptron

Pasul 2. Desaturaţi imaginea. image>adjustments>desaturate sau Ctrl+Shift+I

FIŞA DISCIPLINEI. 3.4 Total ore studiu individual Total ore pe semestru Număr de credite 5. Nu este cazul

PROBLEME DE TEORIA NUMERELOR LA CONCURSURI ŞI OLIMPIADE

CRIZA, CONFLICTUL, RĂZBOIUL

Paradoxuri matematice 1

Parcurgerea arborilor binari şi aplicaţii

5. STATICA RIGIDULUI Echilibrul solidului rigid liber. 5. Statica rigidului

Application form for the 2015/2016 auditions for THE EUROPEAN UNION YOUTH ORCHESTRA (EUYO)

Laborator 5 - Statistică inferenţială

Split Screen Specifications

1. Ecuaţii diferenţiale de ordinul întâi

TEMATICA pentru proba de Engleză din cadrul concursului de admitere în Academia Tehnică Militară sesiunea iulie 2011

PRELUCRARE STATISTICA A SIRURILOR DE DATE ELIMINAREA VALORILOR ABERANTE


ASPECTS CONCERNING MECHANICAL SYSTEMS PROTOTYPING AND OPTIMIZING ASPECTE PRIVIND PROTOTIPAREA ŞI OPTIMIZAREA SISTEMELOR MECANICE

ASUPRA CAPABILITǍŢII PROCESELOR TEHNOLOGICE DE FABRICARE

GREUTATE INALTIME IMC TAS TAD GLICEMIE

1. Istoria matematicii

Teoreme de Analiză Matematică - II (teorema Borel - Lebesgue) 1

SUBIECTE CONCURS ADMITERE TEST GRILĂ DE VERIFICARE A CUNOŞTINŢELOR FILIERA DIRECTĂ VARIANTA 1

MODALITATEA OPTIMĂ ŞI EXEMPLU DE SELECŢIE A SOLUŢIEI DE COGENERARE DE MICĂ PUTERE PENTRU CONSUMATORII DE TIP CONDOMINIU

O VARIANTĂ DISCRETĂ A TEOREMEI VALORII INTERMEDIARE

Aplicatii ale programarii grafice in experimentele de FIZICĂ

Cum putem folosi întregii algebrici în matematica elementară

Biraportul în geometria triunghiului 1

CONTRIBUŢII LA ANALIZA CIRCUITELOR INTEGRATE PENTRU MICROUNDE

Ghid de instalare pentru program NPD RO

Modalităţi de redare a conţinutului 3D prin intermediul unui proiector BenQ:

Reglementare tehnică "Cod de proiectare. Bazele proiectării structurilor în construcţii", indicativ CR din 27/12/2005

PREZENTARE CONCURSUL CĂLĂRAŞI My joy is my sorrow unmasked. 1

1. Funcţii speciale. 1.1 Introducere

10 Estimarea parametrilor: intervale de încredere

Split Screen Specifications

FIŞA DISCIPLINEI. - Examinări 4 Alte activităţi. 3.7 Total ore studiu individual Total ore pe semestru Număr de credite 5

ZOOLOGY AND IDIOMATIC EXPRESSIONS

JOURNAL OF ROMANIAN LITERARY STUDIES DO ASSERTIONS, QUESTIONS OR WISHES MAKE A THICK TRANSLATION?

4 Caracteristici numerice ale variabilelor aleatoare: media şi dispersia

TTX260 investiţie cu cost redus, performanţă bună

Introducere în Criptografie Funcții Criptografice, Fundamente Matematice și Computaţionale

Rigla şi compasul. Gabriel POPA 1

TRANSMISIUNI DE DATE ÎN BANDA DE BAZĂ ŞI PRIN MODULAREA UNUI PURTĂTOR

riptografie şi Securitate

Biostatistică Medicină Generală. Lucrarea de laborator Nr Intervale de încredere. Scop: la sfârşitul laboratorului veţi şti:

TEMA 1 CONSIDERAŢII PRIVIND MODELAREA ŞI SIMULAREA PROCESELOR ECONOMICE

OLIMPIADA INTERNAŢIONALĂ DE MATEMATICĂ FORMULA OF UNITY / THE THIRD MILLENIUM 2014/2015 RUNDA A DOUA

Noi scheme de codare convoluţională de complexitate redusă operand în campuri Galois de ordin superior pentru corecţia erorilor de canal

COMENTARII OLIMPIADA DE MATEMATICĂ 2013 ULTIMELE DOUĂ TESTE DE SELECŢIE

SORIN CERIN STAREA DE CONCEPŢIUNE ÎN COAXIOLOGIA FENOMENOLOGICĂ

Optimizarea structurii de producție a unei ferme vegetale amplasată în Regiunea de Dezvoltare Sud-Muntenia a României

PROGRAMA CONCURSULUI NAŢIONAL DE MATEMATICĂ APLICATĂ ADOLF HAIMOVICI ANUL ŞCOLAR

LESSON FOURTEEN

Lucrare de laborator nr. 3 Proiectarea circuitelor logice in tehnologie CMOS

Clasele de asigurare. Legea 237/2015 Anexa nr. 1

Consideraţii statistice Software statistic

Platformă de e-learning și curriculă e-content pentru învățământul superior tehnic

2. PORŢI LOGICE ( )

ASUPRA UNOR PARAMETRI DE CORELARE DINAMICĂ A TRANSMISIILOR PLANETARE UTILIZATE LA MAŞINILE-UNELTE

Mail Moldtelecom. Microsoft Outlook Google Android Thunderbird Microsoft Outlook

Olimpiada Naţională de Matematică 2015 Testele de Selecţie Juniori IV şi V

Aspecte geometrice ale unei rozete asociate unui triunghi

Cu ce se confruntă cancerul de stomac? Să citim despre chirurgia minim invazivă da Vinci

OPTIMIZAREA GRADULUI DE ÎNCĂRCARE AL UTILAJELOR DE FABRICAŢIE OPTIMIZING THE MANUFACTURING EQUIPMENTS LOAD FACTOR

ANEXA NR. 1. Caracteristicile tehnice ale interfeţelor echipamentelor. Exemplu schema de interconectare TRONSON XX: A A1 A2 A3 - B STM-4 A2 A3 STM-1

22METS. 2. In the pattern below, which number belongs in the box? 0,5,4,9,8,13,12,17,16, A 15 B 19 C 20 D 21

DEMONSTRAREA CONCURENŢEI ŞI COLINIARITĂŢII UTILIZÂND METODA FASCICULELOR CONVERGENTE NECULAI STANCIU 1

Comentarii la a 18-a Balcaniadă de Matematică Juniori jbmo 2014, Ohrid Macedonia

Introducere. "Vor trece cel puţin un milion de ani până când vom înţelege numerele prime". Paul Erdös

MEPDEV 2 nd : 2016 Central & Eastern European LUMEN International Conference - Multidimensional Education & Professional Development.

Capitolul 1. Noţiuni de bază

TEOREMA FLUXULUI MAGNETIC

Click pe More options sub simbolul telefon (în centru spre stânga) dacă sistemul nu a fost deja configurat.

Universitatea din Bucureşti. Facultatea de Matematică şi Informatică. Şcoala Doctorală de Matematică. Teză de Doctorat

Review by Mihaela VANCEA

TRANSLATION PRACTICE BETWEEN ABUSIVE FIDELITY AND ETHNOCENTRIC REDUCTION.

OLIMPIADA DE MATEMATIC ¼A ETAPA JUDEŢEAN ¼A 3 martie 2007

COMENTARII OLIMPIADA DE MATEMATICĂ 2014 ETAPA JUDEŢEANĂ ŞI A MUNICIPIULUI BUCUREŞTI

Ghidul administratorului de sistem

Circuite Basculante Bistabile

Laboratorul 1. Primii paşi în Visual Basic.NET

Micii Matematicieni (Online) - ISSN

MAURIZIO MACHELLA Arranger, Interpreter, Publisher

Proiect:ID 1005, Coinele, algebre Hopf şi categorii braided monoidale, Director: C. Năstăsescu SINTEZA LUCRĂRII

CE LIMBAJ DE PROGRAMARE SĂ ÎNVĂŢ? PHP vs. C# vs. Java vs. JavaScript

Press review. Monitorizare presa. Programul de responsabilitate sociala. Lumea ta? Curata! TIMISOARA Page1

Conferinţa Naţională de Învăţământ Virtual, ediţia a IV-a, Graph Magics. Dumitru Ciubatîi Universitatea din Bucureşti,

ARHITECTURA SISTEMELOR DE CALCUL ŞI SISTEME DE OPERARE. LUCRĂRILE DE LABORATOR Nr. 12, 13 şi 14

Culegere de probleme de Analiză numerică cu soluţii

Reprezentări grafice

IMPLEMENTAREA UNUI BRAT POLIARTICULAT DE METROLOGIE IN LABORATOR UNIVERSITAR

COSTUL DE OPORTUNITATE AL UNUI STUDENT ROMÂN OPPORTUNITY COST OF A ROMANIAN STUDENT. Felix-Constantin BURCEA. Felix-Constantin BURCEA

Raionul Şoldăneşti la 10 mii locuitori 5,2 4,6 4,4 4,8 4,8 4,6 4,6 Personal medical mediu - abs,

Capitolul 5. Elemente de teoria probabilităţilor

Introducere De ce această carte?... 8 Eficienţă maximă... 8 Scurt Istoric... 9 De ce C#? Capitolul I : Să ne pregătim...

Transcription:

Coferiţa Naţioală de Îvăţăât Virtual, ediţia a IV-a, 006 139 Metoda celor ai ici pătrate cu Matlab Costati I.Popovici-Uiversitatea Tehică Gh. Asachi Iaşi, eail:costati.popovici@rdslik.ro Eilia Popovici-Uiversitatea Tehică Gh. Asachi Iaşi, e-ail:eiliapopovici@yahoo.co Gheorghe Sufaru-Uiversitatea Tehică Gh. Asachi Iaşi, e-ail:geocos1981@yahoo.co Abstract Lucrarea reflectă odul î care se poate folosi ediul de prograare Matlab petru îvăţarea şi îţelegerea odului de aplicare î practică a cursului de Aaliză Nuerică prezetat studeţilor Facultăţii de Costrucţii di Uiversitatea Tehică Gh. Asachi Iaşi. Este prezetat algoritul ueric asociat etodei celor ai ici pătrate î cazul sisteelor de ecuaţii algebrice liiare supradiesioate şi tratate doua exeple adecvate, cu aplicatii î practica. Î cocluzie, studeţii pot utiliza softul Matlab petru rezolvarea probleelor de ateatică, care apar î cercetare, proiectare, igierie, iar utilizarea softului este o etodă copleetară şi u substitutivă []. 1. Itroducere Metodele uerice care se folosesc astăzi, fie cele clasice, fie cele oi, se utilizează uai pri iterediul calculatorului. Ţiâd cot de coplexitatea probleelor utilizatorul trebuie să studieze cazurile î care trebuie să decidă ce siste de calcul va fi adecvat petru problea î cauză, dar î acelaşi tip şi să ituiască odul de abordare a raţioaetelor ce trebuie ipleetate petru rezolvarea probleei. Metodele uerice trebuie cocepute astfel îcât să fie eficiete şi ueric stabile. Eficieţa se asigură pri elaborarea uor algoriti care să iplice u uăr cât ai ic de operaţii aritetice eleetare. Ituitiv vorbid, stabilitatea uerică a uui algorit îseaă ca acesta este cât ai puţi sesibil la erorile de rotujire sau la alte icertitudii uerice care pot aparea î procesul de calcul. Dacă toate calculele se fac pe baza uor cobiaţii covexe, atuci toate rezultatele iterediare şi chiar rezultatul fial vor fi î doeiul de ărie al datelor iiţiale, asigurâd stabilitatea algoritului. Elaborarea uui algorit uai pe baza uor cobiaţii covexe u se poate realiza î toate cazurile, dar această ceriţă costituie u pricipiu geeral ce trebuie avut î vedere îtotdeaua la ipleetarea etodelor uerice pe calculator.. Aproxiarea discretă î sesul celor ai ici pătrate Portrivirea (etezirea) datelor î sesul celor ai ici pătrate s-a dovedit u istuet idispesabil îcă de la ivetarea sa de către Gauss şi Legedre, î jurul aului 1800, cu raificaţii î ştiiţele experietale. 139

140 Facultatea de Mateatică şi Iforatică, Bucureşti Î libajul algebrei liiare, problea este de a rezolva u siste de ecuaţii algebrice liiare supradiesioat (uărul ecuaţiilor fiid ai are decât uărul ecuoscutelor) sau a uui siste de ecuaţii subdiesioat (uărul ecuatiilor fiid ai ic decat uărul ecuoscutelor), adica sistee dreptughiulare de fora Ax = b. Abordă problea sisteelor supradiesioate. Ideea este de a rezolva sisteul pri iiizarea orei euclidiee a reziduului b + Ax. Cosideră sisteul Ax = b, cu ecuoscute şi cu > ecuaţii. Sibolic, dori să gasi u vector x C ce satisface sisteul Ax = b, ude A C şi b C. Î geeral, o astfel de probleă u are ici o soluţie. U vector x corespuzător poate există uai dacă b I(A) şi deoarece b este u vector cu copoete şi I(A ) are diesiuea cel ult, acest lucru este adevarat uai petru alegeri cu totul speciale ale lui b. Vectorul r defiit de relaţia, r = b + Ax, r C, (1) uit reziduu, poate fi făcut ic pritr-o alegere adecvată a lui x, dar î geeral u poate fi făcut egal cu zero. Ce îseaă să rezolvă o probleă care u are ici o soluţie? Î cazul uui siste supradiesioat există u răspus atural la aceasta îtrebare. Deoarece reziduul r u poate fi făcut zero, trebuie să-l face cât ai ic posibil îtr-o auită oră. Dacă alege ora, problea poate fi reforulată astfel. Dată fiid atricea A C,, b C, să se gaseasca vectorul x C astfel îcat Ax b să fie iiă. Această probleă se ueşte probleă liiară discretă de aproxiare î sesul celor ai ici pătrate. Alegerea orei poate fi justificată pri diverse arguete geoetrice şi statistice şi, aşa cu vo vedea, coduce la algoriti sipli datorită faptului că derivata uei fucţii pătratice, care trebuie aulată petru a se obtie iiul, este liiară. Iterpretarea geoetrică a probleei este siplă: căuta u vector x C,astfel îcât vectorul Ax C să fie puctul di I(A ) cel ai apropiat de b. 3. Metoda celor ai ici pătrate Î procesul de prelucrare şi ajustare a datelor apar sistee de ecuaţii algebrice liiare supradiesioate sau subdiesioate. Aborda problea sisteelor supradiesioate. Fie sisteul: a11x1 + a1 x + + a1 x = b1 a1x1 + a x + + a x = b, > () a1x1 + a x + + a x = b Evidet, u aseeea siste poate să u aibă soluţie. Fie vectorul rezidual, T r = Ax b = r, r,, ) (3) ( 1 r 140

Coferiţa Naţioală de Îvăţăât Virtual, ediţia a IV-a, 006 141 ude ri = ai1 + + ai x bi, i = 1,. Cosideră fucţia pătratică, f x) = f ( x, x,, x ) =< r r >= r + r + + r. (4) ( 1, 1 Defiiţia 1. Se ueşte soluţie î sesul celor ai ici pătrate a sisteului (), acel vector x *, petru care fucţia (4) are valoarea iiă. * Dacă: i f ( x) = f ( x ) = 0, atuci r ( * i x ) = 0, petru orice i = 1,. x R Rezultă că sisteul () este copatibil şi atuci x=x * este soluţia exactă a sa. * Î geeral, sisteul () u este copatibil şi i f ( x) = f ( x ) > 0, iar x=x * este u x R substituit petru soluţia sisteului, şi aue soluţia î sesul celor ai ici pătrate. Fucţia f se poate pue sub fora : f ( x) =< r, r >=< Ax b, Ax b >=< Ax, Ax > < Ax, b > + < b, b >, şi astfel ave T T f ( x) =< A Ax, x > < A b, x > + < b, b > (5) Teorea 1. Dacă rag A =, atuci sisteul () adite o sigură soluţie î sesul celor ai ici pătrate şi aceasta este soluţia (uică) a sisteului A T Ax = A T b (6) Sisteul (6) se ueşte sisteul oral al lui Gauss. Deostraţie. Puctele de extre ale fucţiei pătratice f, dată de relaţia (5), se caută pritre puctele sale critice, iar acestea se află rezolvâd sisteul: grad f = 0 Cu grad f = A T Ax A T b, obţie sisteul A T Ax = A T b. Ţiâd cot că : rag A = rag A T = rag (A T A) =rag (AA T ), atuci atricea B = A T A este o atrice pătratică de ordiul şi rag B =, cofor celor de ai sus. Rezultă că sisteul (6) adite o soluţie uică, x = x *, care este puct critic petru f. Matricea B este evidet sietrică şi seipozitiv defiită. Mai ult, î ipoteza oastră, atricea B este pozitiv defiită. Îtr-adevăr dacă presupue ca <Bx,x> = 0, atuci rezultă că <Ax,Ax> =0 şi deci Ax =0. Cu rag A = < rezultă x = 0. Pe de altă parte ave d f ( x) = b dx dx > 0, i= 1 j= 1 de ude rezultă că x = x * este puct de ii petru f şi cu aceasta teoreă este deostrată. Aşadar, î ipoteza rag A =,soluţia sisteului (), î sesul celor ai ici pătrate, este uică şi se află rezolvâd sisteul (6). Acest siste este sietric pozitiv defiit. Rezolvarea sa se poate face pri etoda Cholesky sau ua di etodele de relaxare. ij i j 141

14 Facultatea de Mateatică şi Iforatică, Bucureşti Factorizarea Cholesky petru sisteul (6) este o etoda directă de rezolvare a uui siste de ecuaţii liiare, cu atricea coeficieţilor pozitiv defiită. Există o atrice uică R superior triughiulară, esigulară, care satisface relaţia: A T A = R T R Factorizarea Cholesky petru (6) se realizează cu fucţia Matlab chol; aceasta fucţie se poate apela cu ua ditre sitaxele: R = chol (A T A) sau [ R,p] = chol (A T A), ude: A - este o atrice pozitiv defiita; R - este o atrice superior triughiulara, astfel icat R T R = A T A ; p - este u scalar de test, egal cu zero daca atricea A este pozitiv defiita şi, u îtreg pozitiv î caz cotrar. Rezolvarea cu Matlab a uui siste de ecuaţii liiare presupue etapele: - se calculeaza factorul Cholesky, R = chol (A T *A) ; - se rezolva sisteul R T y = b cu relatia : y = R T \A T b ; - se rezolva sisteul Rx = y cu relatia : x = R \ y. Rezolvarea practică a sisteului (6) ridică problee di cauza faptului ca uărul de codiţioare al atricei B = A T A este are. Nuărul de codiţioare a lui B se calculează cu fuctia Matlab cod. Observatie. Teoretic, soluţia sisteului (6) este x * = (A T A) -1 A T b. Matricea P = (A T A) -1 A T se ueste pseudoiversa atricei (dreptughiulare) A. Noţiuea de atrice pseudoiversă geeralizează oţiuea de atrice iversă (petru atrice dreptughiulare ). 4. Exeple Dreapta de regresie 1) Să se deterie traseul opti petru o coductă de gaze aturale care să treacă pri apropierea localităţilor L i, i = 1,,..., 10, care, raportate la u siste cartezia de referiţă, au coordoatele urătoare: L 1 (1,), L (,), L 3 (5,3), L 4 (7,4), L 5 (10,), L 6 (11,3), L 7 (15,4), L 8 (16,5), L 9 (18,1), L 10 (0,4). Rezolvare Luâd traseul după o dreaptă, se obţie sisteul : ++ = + = = 5 1 1 1 3 5 1 7 + = 4 7 1 10 + = 11 15 + + = 3, cu A = 10 1 = 4 15 11 1 şi b = ( 3 4 3 4 5 1 4) T. 1 16 + = 5 18 + 0 + = 1 16 1 = 4 18 0 1 1 14

Coferiţa Naţioală de Îvăţăât Virtual, ediţia a IV-a, 006 143 Sisteul este supradiesioat şi icopatibil. Se forează sisteul oral al lui Gauss B u = C ude B = A T A, C = A T b şi u este ecuoscută; î cazul ostru: B = 1505 105, C = 340 105 10 30 Matricea B este o atrice pozitiv defiită. Secveţa Matlab : clc B = [1505 105; 105 10]; C = [340 30]; [R,p] = chol (B); y = R \ C; x = R \ y; ed Metoda Cholesky poate fi aplicată şi ave soluţia u 1 =0,0611, u =,34783. Raportat la acel siste de coordoate, traseul coductei trebuie să ureze drepta: y = 0,0611 x +,34783. cod (B) = 568,405; λ 1 = 151,3 şi λ =,7. λ1 Ave cod (B) > şi sisteul oral Gauss este bie codiţioat. λ Dreapta de regresie î acest caz este: y = 0,0611 x +,34783. Această dreaptă u trece exact pri puctele L i, dar este acea dreaptă di pla care trece cel ai aproape de aceste pucte. ) Să presupue că vre să deteriă dreapta de regresie corespuzatoare puctelor M i (x i,y i ), i + 1,,...,. Matricele A şi B sut: 1 1 A= 1 şi B = A T A = 1 ( + 1)( + 1) 6 ( + 1) ( + 1). Petru =100, cod (B) > 13333 şi deci sisteul oral al lui Gauss este prost codiţioat. 5. Cocluzii Matlab oferă o soluţie copletă şi uitară petru o rezolvare uerică a sisteelor de ecuaţii liiare şi eliiare, a ecuaţiilor difereţiale, a probleelor de aproxiare. Este utilizat atât de ateaticiei, iforaticiei, cât şi de igieri şi fiziciei. Acest ediu de prograare este flexibil şi usor de utilizat. 143

144 Facultatea de Mateatică şi Iforatică, Bucureşti Bibliografie [1] Mari Vlada, Tehologiile societatii iforatioale, Coferita Natioala de Ivataat Virtual, editia a III-a, 005, Facultatea de Mateatica şi Iforatica Bucuresti, pp. 19-3. [] Ariada Lucia Pletea, Rezolvarea ecuatiilor diferetiale cu Matheatica, Coferita Natioala de Ivataat Virtual, editia a II-a, 004, Facultatea de Mateatica şi Iforatica Bucuresti, pp. 153-160. [3] Mari Vlada, Maple ad MapleNet-itegrated solutios for Web Based Learig î Matheatics, Sciece ad Egieerig, Coferita Natioala de Ivataat Virtual, editia a IIa, 004, Facultatea de Mateatica şi Iforatica Bucuresti, pp. 11-130. [4] Nicolae Daet, Metode de costructie a curbelor plae. O itroducere folosid Mathcad, Coferita Natioala de Ivataat Virtual, editia a II-a, 004, Facultatea de Mateatica şi Iforatica Bucuresti, pp. 309-316. [5] Costati I. Popovici, Eilia Popovici, Metode uerice cu Matlab, Coferita Natioala de Ivataat Virtual, editia a III-a, 005, Facultatea de Mateatica şi Iforatica Bucuresti, pp. 147-15. [6] Gavril Paltieau, Pavel Matei, Roica Tradafir, Aaliza uerica, Editura Cospress, Bucuresti, 1998. 144