Module 1: Lineære modeller og lineær algebra

Relaterede dokumenter
Lineær Algebra eksamen, noter

Oversigt [LA] 11, 12, 13

MLR antagelserne. Antagelse MLR.1:(Lineære parametre) Den statistiske model for populationen kan skrives som

Module 9: Residualanalyse

Nøgleord og begreber Ortogonalt komplement Tømrerprincippet. [LA] 13 Ortogonal projektion

Tænk på a og b som to n 1 matricer. a 1 a 2 a n. For hvert i = 1,..., n har vi y i = x i β + u i.

Skriftlig eksamen Vejledende besvarelse MATEMATIK B (MM02)

Noter til Lineær Algebra

Diagonalisering. Definition (diagonaliserbar)

Poul Thyregod, introslide.tex Specialkursus vid.stat. foraar Lad θ = θ(β) R k for β B R m med m k

Lineær algebra 1. kursusgang

Lineære normale modeller (1) udkast. 1 Flerdimensionale stokastiske variable

Tidligere Eksamensopgaver MM505 Lineær Algebra

Lineær Algebra, TØ, hold MA3

Definition 13.1 For en delmængde af vektorer X R n er det ortogonale komplement. v 2

Løsninger til udvalgte Eksamensopgaver i Lineær Algebra Juni 2000 og Juni 2001.

DesignMat Uge 1 Gensyn med forårets stof

LinAlg 2013 Q3. Tobias Brixen Mark Gottenborg Peder Detlefsen Troels Thorsen Mads Buch 2013

Symmetriske og ortogonale matricer Uge 7

Lineær Algebra F08, MØ

Symmetriske og ortogonale matricer Uge 6

Besvarelser til Lineær Algebra med Anvendelser Ordinær Eksamen 2016

Lineær Algebra, kursusgang

Statistik og Sandsynlighedsregning 2

Symmetriske matricer

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær Eksamen Juni 2018

Matrix Algebra med Excel Forelæsningsnoter til FR86. Jesper Lund

DesignMat. Preben Alsholm. September Egenværdier og Egenvektorer. Preben Alsholm. Egenværdier og Egenvektorer

Underrum - generaliserede linjer og planer

Eksamen i Lineær Algebra

EKSAMEN Flerdimensional Analyse Sommer sider

6.1 Reelle Indre Produkter

Oversigt [LA] 1, 2, 3, [S] 9.1-3

hvor a og b er konstanter. Ved middelværdidannelse fås videre

Ligningssystemer - nogle konklusioner efter miniprojektet

Anvendt Lineær Algebra

Lineær Algebra - Beviser

Eksamen i Lineær Algebra

Sylvesters kriterium. Nej, ikke mit kriterium. Sætning 9. Rasmus Sylvester Bryder

Hilbert rum. Chapter Indre produkt rum

Kursusgang 3 Matrixalgebra Repetition

Lidt alment om vektorrum et papir som grundlag for diskussion

Affine rum. a 1 u 1 + a 2 u 2 + a 3 u 3 = a 1 u 1 + (1 a 1 )( u 2 + a 3. + a 3. u 3 ) 1 a 1. Da a 2

Eksamen i Lineær Algebra

Definition. og lœngden, normen. og afstanden mellem vektorer a og b. Der gælder

Oversigt [LA] 1, 2, 3, [S] 9.1-3

Eksamen i Lineær Algebra

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær Eksamen Juni 2017

(Prøve)eksamen i Lineær Algebra

Figur. To ligninger i to ubekendte. Definition Ved m lineære ligninger med n ubekendte forstås. Definition 6.4 Givet ligningssystemet

Eksamen i Lineær Algebra. Første Studieår ved Det Tekniske Fakultet for IT og Design samt Det Ingeniør- og Naturvidenskabelige Fakultet

3.1 Baser og dimension

Lineær algebra: Spænd. Lineær (u)afhængighed

standard normalfordelingen på R 2.

Kvantitative Metoder 1 - Forår Dagens program

Oversigt [LA] 11, 12, 13

(Prøve)eksamen i Lineær Algebra

DesignMat Uge 1 Repetition af forårets stof

Antag X 1, X 2,..., X n er n uafhængige stokastiske variable, hvor Var(X 1 )=σ 2 1,..., Var(X n )=σ 2 n.

Eksamen i Lineær Algebra

z 1 = z 1z 1z 1 z 1 2 = z z2z 1 z 2 2

1 Vektorrum. MATEMATIK 3 LINEÆR ALGEBRA M. ANV. 4. oktober Miniprojekt: Lineær algebra på polynomier

Modulpakke 3: Lineære Ligningssystemer

Lineære normale modeller (4) udkast

To find the English version of the exam, please read from the other end! Eksamen i Lineær Algebra

Egenværdier og egenvektorer

Besvarelser til Lineær Algebra Reeksamen August 2016

Module 4: Ensidig variansanalyse

Oversigt [LA] 6, 7, 8

Et eksempel på en todimensional normalfordeling Anders Milhøj September 2006

Eksamen i Lineær Algebra

MM502+4 forelæsningsslides

Elementær sandsynlighedsregning

Besvarelse af Eksamensopgaver Juni 2005 i Matematik H1

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær Eksamen - 5. Januar 2018

Matematik: Struktur og Form Spænd. Lineær (u)afhængighed

Reeksamen i Lineær Algebra

Chapter 3. Modulpakke 3: Egenværdier. 3.1 Indledning

Kvantitative Metoder 1 - Efterår Dagens program

Økonometri Lektion 1 Simpel Lineær Regression 1/31

Økonometri 1. Dagens program. Den multiple regressionsmodel 18. september 2006

Oversigt [LA] 1, 2, 3, [S] 9.1-3

Egenværdier og egenvektorer

Matematik for økonomer 3. semester

1.1. n u i v i, (u, v) = i=1

Kursusgang 3 Matrixalgebra Repetition

To find the English version of the exam, please read from the other end! Eksamen i Lineær Algebra

Økonometri: Lektion 2 Multipel Lineær Regression 1/27

Vektorrum. enote Generalisering af begrebet vektor

Matematik og Form: Matrixmultiplikation. Regulære og singu

Elementær sandsynlighedsregning

Anvendt Statistik Lektion 8. Multipel Lineær Regression

Matematik: Struktur og Form Matrixmultiplikation. Regulære og singulære matricer

Motivation. Konfidensintervaller og vurdering af usikkerhed på estimerede størrelser

Oversigt [LA] 3, 4, 5

DesignMat Uge 2. Preben Alsholm. Efterår Lineære afbildninger. Preben Alsholm. Lineære afbildninger. Eksempel 2 på lineær.

DESIGNMAT FORÅR 2012: UGESEDDEL Forberedelse Læs alle opgaverne fra tidligere ugesedler, og læg særlig mærke til dem du har spørgsmål til.

4.1 Lineære Transformationer

Kursusgang 3 Matrixalgebra fortsat

1 Vektorrum. MATEMATIK 3 LINEÆR ALGEBRA 6. oktober 2016 Miniprojekt: Lineær algebra på polynomier

Transkript:

Module : Lineære modeller og lineær algebra. Lineære normale modeller og lineær algebra......2 Lineær algebra...................... 6.2. Vektorer i R n................... 6.2.2 Regneregler for vektorrum........... 7.2.3 Lineære afbildninger.............. 8.2.4 Lineær uafhængighed og baser.........2.5 Lineære underrum................ 4.2.6 Det kanoniske indre produkt.......... 5

.2.7 Gram-Schmidt s ortogonaliseringsmetode.. 7.2.8 Projektion på L................. 2.2.9 Direkte sum................... 22.2. Ortogonalt komplement............ 24.2. Matrixform for projektionen.......... 27.2.2 Den flerdimensionale normalfordeling..... 29. Lineære normale modeller og lineær algebra Tæt sammenhæng mellem statistisk analyse af normalfordelingen og lineær algebra i det Euklidiske rum R n : lineære normale modeller svarer til linære underrum af R n. 2

Model : Simpel lineær regression gennem origo Y,...,Y n uafhængige, hvor Model : Y i N ( βx i,σ 2), i =,...,n. (F.eks. Y i en bils forbrug af brændstof efter x i kørte kilometer. Parameteren β svarer til bilens benzinøkonomi i liter/kilometer.) Middelværdien af vektoren Y = (Y,...,Y n ) T er en n-dimensionel vektor i R n : EY µ = EY = EY 2.. EY n 3

Men ifølge Model, er EY = EY EY 2. EY n = β x x 2. x n = βx, hvor x= (x,...,x n ) T er en kendt vektor. Dvs, µ ligger i det en-dimensionelle lineære underrum af R n, der er udspændt af vektoren x: µ L = span (x) = {µ Rn : µ = βx, β R}. Uendeligt mange linier i L (en for hver værdi af β). 4

Vælg β, så βx tættest på observerede data y = (y,...,y n ) T : projektionen af y på L. (Det er netop ˆβ, least squares estimatet for β. Vises senere.) Model 2: Simpel lineær regression Y,...,Y n uafhængige, hvor Model 2: Y i N ( α + βx i, σ 2), i =,...,n. (F.eks. Y i det atmosfæriske tryk ved højde x i kilometer over havoverfladen. Parameteren α svarer til trykket ved havoverfladen, og β svarer til forskellen i atmosfærisk tryk, når højden over havoverfladen øges med en kilometer.) 5

Ifølge Model 2, er middelværdien af vektoren Y = (Y,...,Y n ) T : EY x µ = EY = EY 2. = α. + β x 2. = α + βx, EY n x n hvor = (,...,) T, og x= (x,...,x n ) T er kendte vektorer. Dvs, vektoren af middelværdier µ ligger i det to-dimensionelle lineære underrum af R n, der er udspændt af vektorerne og x: µ L 2 = span (,x) = {µ Rn : µ = α + βx, α, β R}. Som før: uendeligt mange linier i L 2. 6

Vælg α og β, så α+βx tættest på observerede data y = (y,...,y n ) T : projektionen af y på L 2. (Det er netop ˆα og ˆβ, least squares estimater for α og β. Vises senere.).2 Lineær algebra Opfriske resultater fra lineær algebra, som skal bruges i kurset. (Fra Blæsild Appendix A3 og Leon (998).) 7

.2. Vektorer i R n Der benyttes søjlevektorer: x x =. og y = x n y. y n Basale operationer på vektorer: Sum: x + y = x + y. x n + y n Produkt med α R: αx = αx. αx n 8

Nulvektoren: =..2.2 Regneregler for vektorrum x + y = y + x α(βx) = (αβ)x x + (y + z) = (x + y) + z x+= x x = ( )x x + ( x) = x = x 9

α(x + y) = αx + αy (α + β)x = αx + βx.2.3 Lineære afbildninger En funktion f : R n R n kaldes lineær,hvis f(αx + βy) = αf(x) + βf(y) x,y R n, α, β R. Funktionen f svarer til en n n matrix A n f(x) = Ax = a ij x j j= n i= Eksempel:

Lad x= (x, x 2, x 3 ) T f (x) = 4x 2 x 3 x + 3x 2 x 3 x 3 = 4-3 - - x. Matricen A er invertibel hvis og kun hvis det(a), og så y = Ax x = A y. Den inverse til f er så f (y) = A y. Eksempel: Lad y = (y, y 2,y 3 ) T

f (y) = 4-3 - - y = -3/4 -/4 /4 -/4 - y = ( 3y + 4y 2 y 3 ) /4 (y y 3 ) /4 y 3..2.4 Lineær uafhængighed og baser Vektorerne x,...,x k er lineært uafhængige hvis β x + + β k x k = β = = β k = Ellers er x,...,x k er lineært afhængige. En basis for R n består af n lineært uafhængige vektorer i R n. Den 2

kanoniske basis for R n består af e,...,e n, hvor. e j = plads j, forj =,...,n.. Vektoren x = (x,...,x n ) kan skrives som en linearkombination af e j -erne, på entydig måde: x = n x j e j. j= 3

Lad X være en n n matrice. Den jte søjle er givet ved x j x j = Xe j =.. x nj Antag n n matricen X er invertibel med søjler x,...,x n, så er x,...,x n en basis for R n. Et vilkårligt punkt µ i R n kan opskrives i basen udspændt af søjlerne i X ved n µ = Xβ = β j x j, hvor j= β = x µ er koordinaterne til µ i basen. Specielt er β j µs j-te koordinat i basen. 4

Eksempel: Lad µ = 2 4-2 og X = 4-3 - - så er µs koordinater i basen udspændt af søjlerne i X givet ved β = β -3/4 -/4 β 2 = /4 -/4 2 4 = 3. β 3 - -2 2 så µ = 3x + x 2 + 2x 3.,.2.5 Lineære underrum Definition L R n kaldes et lineært underrum, hvis L 5

x,y L αx + βy L α, β R Span af vektorerne X,...,X k er givet ved L = span {X,...,X k } = {β X + + β k X k : β,...,β k R}. Bemærk: L er et lineært underrum med dim L k. Hvis dim L = k, dvs. x,...,x k er lineært uafhængige, så er x,...,x k en basis for L. (Husk at dim {} = og dimr n = n.) Sætning: Der findes altid en basis, x,...,x n, for R n, så L = span {x,...,x k }. 6

Bevis: Vælg x,...,x k som basis for L, og suppler den op til en basis for R n..2.6 Det kanoniske indre produkt Det kanonisk indre produkt mellem to vektorer: x T y = x y = n x i y i i= opfylder: x T y = y T x (αx + βy) T z = αx T z + βy T z x T x og x T x = x = (positiv definit egenskaben.) 7

Den kanoniske norm: x = x T x = x 2 + + x2 n x,y kaldes ortogonale, hvis x T y = En basis x,...,x k for L, kaldes ortogonal, hvis x T i x j =, i j En ortogonal basis kaldes ortonormal, hvis yderligere x i =, i. Bemærk: Den kanoniske basis for R n er ortonormal mht. det kanonisk indre produkt. Sætning (Pythagoras): x T y = x + y 2 = x 2 + y 2. 8

.2.7 Gram-Schmidt s ortogonaliseringsmetode Lad x,...,x k være en basis for L. En ortogonal basis e,...,e k for L kan findes:. e = x 2. For i = 2,...,k : e i = x i i j= x T i e j e j 2e j. Bemærk: For hvert skridt i algoritmen gælder span{e,...,e i } = span{x,...,x i }. Antag x,...,x n er en basis for R n, valgt så x,...,x k er en basis for L. Så er e,...,e n en ortogonal basis for R n og e,...,e k er en ortogonal basis for L. 9

Metoden kan også bruges hvis x,...,x k ikke er en basis, hvis summen i 2. modificeres til at undlade led hvor e i =. De resterende e j -er udgør da en ortogonal basis. Eksempel: Søjlerne x =,x 2 = og x 3 = 3, 2

udspænder et lineært underrum af R 4. De kan ortogonaliseres som følger: e =, e 2 = 3 3 = e 3 = 3 4 3 = -/3 5/3. 2

.2.8 Projektion på L Lad e,...,e k være en ortogonal basis for L. Projektionen på L, p L : R n L er: k x T e i p L (x) = e i 2e i. Fra Pythagoras fås i= Egenskaber: p L (x) 2 = k i= (x T e i ) 2 e i 2, for x Rn.. x p L (x) 2 x y 2, y L 2. (x p L (x)) T z =, z L 3. p L (x) = x, hvis x L 22

Bevis: (bemærk rækkefølgen) 2. Da z span{e,...,e k } er det nok at tage z = e j, så (x p L (x)) T e j =. Fra 2. og Pythagoras fås: 3. Lad y = x i. ( ) T x xt e e 2e xt e k e k 2e k e j = x T e j x T e j e T j e j e j 2 = x y 2 = x p L (x) + p L (x) y 2 = x p L (x) 2 + p L (x) y 2 x p L (x) 2 23

Bemærk: Fra beviset for. med y =, følger den nyttige formel: x p L (x) 2 = x 2 p L (x) 2..2.9 Direkte sum Lad L,M være underrum af R n. Summen af L og M: L + M = {x + y : x L,y M} L og M (indbyrdes) ortogonale (skrives L M) hvis: x T y = x L,y M Antag L og M ortogonale. Summen af L og M kaldes en direkte (ortogonal) sum og skrives L M ( L direkte sum M ). Der gælder: dim(l M) = diml + dimm 24

Bemærk: En vektor x L M kan skrives på entydig måde som x = y + z, hvor y L,z M. Lad L,...,L k være ortogonale underrum af R n. Den ortogonale sum er: L = L L k hvis L i L j i,j. Der gælder:. dim L = dim L + + dim L k 2. p L (x) = p L (x) + + p Lk (x) 3. p L (x) 2 = p L (x) 2 + + p Lk (x) 2 Bemærk: En vektor y L kan skrives på entydig m åde som y = y + + y k, hvor y i L i, for i =,...,k. 25

Bevis for 2.: Vælg en ortonormal basis e,...,e l, hvor l = dim L + +dim L k, så e,...,e diml udspænder L, e diml +,...,e dim L2 udspænder L 2, osv. Så er l p L (x) = (x T e i )e i, og p Lj (x) = i= diml j+ i=diml j + (x T e i )e i..2. Ortogonalt komplement Definition 2 Det ortogonale komplement til L defineres ved L = { x R n : x T y =, y L } 26

For L M defineres det ortogonale komplement til L inden for M ved M L = M L = { x M : x T y =, y L } kaldes direkte differens. Bemærk: L = R n L, så R n kan opsplittes som: R n = L L = L (R n L). Lad L 2 L være underrum. L kan skrives som L = L 2 (L L 2 ). Der gælder (Bevis: Opgave 2.2.): dim(l L 2 ) = dim(l ) dim(l 2 ) 27

p L L 2 (x) = p L (x) p L2 (x) p L (x) p L2 (x) 2 = p L (x) 2 p L2 (x) 2 p L2 (p L (x)) = p L2 (x). Bemærk: L har dimension dim ( L ) = n k. Projektionen på L er den entydinge lineære afbildning, så p L (x) = x for alle x L p L (x) = for alle x L 28

.2. Matrixform for projektionen Lad L være udspændt af søjlerne i X n k = [x,...,x k ]. Antag at X har fuld rang. For givet y R, lad p L (y) = X β vektor i L. k. Så er y Xβ ortogonal på enhver Specielt gælder: x j (y Xβ) = j. Stables disse k ligninger, fås X (y Xβ) = 29

eller X y }{{} k = X}{{ X} β. k k k Da X har fuld rang er X X invertibel, så løsningen ˆβ er Dermed er så projektionsmatricen for L er Bemærk: ˆβ = (X X) X y p L (y) = X ˆβ = X(X X) X y, H = X(X X) X. Matricen H er symmetrisk, dvs. H = H, og idempotent, dvs. HH = H (vises let). 3

Matricen I H er projektionsmatricen for L, da p L (y) = y p L (y) = Iy Hy = (I H)y. Matricen I H er symmetrisk og idempotent: (I H) = I H og (I H) 2 = I H..2.2 Den flerdimensionale normalfordeling Antag at ε er en stokastisk vektor med komponenter ε,...,ε n som er uafhængige N(, ). For k < n, lad Y = µ + A ε, k k k nn 3

så siges Y at være multivariat normalfordelt N k (µ,σ), hvor µ = EY Σ = Cov(Y)=AA Bemærk: VarY i = Σ ii. Hvis A (og dermed Σ) har fuld rang, siges Y at være regulær. Ellers siges Y at være singulær. Bemærk: Kovariansmatricen Σ er ikke-negativ definit. Dvs: x Σx, x Hvis Σ har fuld rang, så er Σ positiv definit. Dvs, x Σx = hvis og kun hvis x =. 32

Transformation: Lad Z = B Y + c r k r = Bµ + c + BAε, så er Z N r (Bµ + c,bσb ). 33