Участник:Василий Ломакин/Решение переопределенной СЛАУ

Материал из MachineLearning.

Перейти к: навигация, поиск

Содержание

Постановка задачи

Рассмотрим прямоугольную матрицу размером :

A= \left( \begin{array}{cccc} a_{11} & a_{12} & \ldots & a_{1n}\\ a_{21} & a_{22} & \ldots & a_{2n}\\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ a_{m1} & a_{m2} & \ldots & a_{mn}\\ \end{array}\right).

Пусть в матрице число строк превышает число столбцов (m > n), причём все строки линейно независимы. Систему уравнений вида

( 1 )

Au=f,

где А - описанная выше, {u}={\{u_1, \ldots , u_n \}}^T — вектор-столбец решения, {f}={\{f_1, \ldots , f_n \}}^T — вектор-столбец правой части, назовём переопределённой. Как можно видеть, в такой системе число уравнений превышает число неизвестных, и для неё не существует "классического" решения, например методом Гаусса.

Изложение метода

Приведем простой пример получения переопределённой системы линейных уравнений. Такого рода задачи часто встречаются, например, при обработке результатов экспериментов. Пусть f — линейная (или близкая к линейной) функция аргумента x:\ f(x) = u_1x + u_0. В точках x_k известны значения функции f(x_k). Тогда u_0,\ u_1 — коэффициенты, которые необходимо подобрать так, чтобы выполнялись условия u_1x_k + u_0 = f_k,\ k = 0,1,2,3,4,\ f_k = f(x_k). Получим систему пяти уравнений относительно двух неизвестных. Это — переопределённая система. Она не имеет классического решения, так как в общем случае не существует прямой, проходящей через все 5 точек (это возможно только тогда, когда какие - либо три уравнения полученной системы линейными преобразованиями сводятся к двум другим — система линейно зависима). Необходимо провести аппроксимирующую кривую, которая не проходит через экспериментальные точки, но в то же время отражает экспериментальную зависимость, сглаживает возможные выбросы за счёт погрешности эксперимента.

Рассмотрим более общий случай. Пусть коэффициенты {u_0,\ u_1} необходимо определить по результатам n + 1 измерения. Для каждого уравнения рассмотрим невязку r_k = u_1x_k + u_0 - f_k - разность левой и правой части. Невязка может принимать положительные и отрицательные значения. Чтобы не учитывать знаки, применим возведение в квадрат. Введем функцию, равную сумме квадратов невязок

( 2 )

\Phi (u_1,u_0) = \sum\limits_{k = 0}^n {r_k^2} = \sum\limits_{k = 0}^n {(u_1 x_k + u_0 - f_k)^2}

Примем за обобщённое решение переопределённой СЛАУ такие {u_0, u_1}, для которых \Phi(u_0, u_1) принимает наименьшие значение. Для определения обобщенного решения из условия минимума суммы квадратов невязки получаем систему двух уравнений, уже имеющую классическое решение:

\frac{\partial \Phi }{\partial u_0} = 0,\ \frac{\partial \Phi }{\partial u_1} = 0.

Рассмотрим теперь общий случай. Определим невязку r_k в виде

r_k = \sum\limits_{j = 0}^p {u_j\varphi_j (x_k)} - f(x_k),\ k = 1, \ldots, n,

где \varphi_j (x) — некоторые функции, образующие базис, например, тригонометрические: \varphi_j (x) = \sin (jx) . Выражение \sum\limits_{j = 0}^p {u_j \varphi_j (x)} называется обобщенным полиномом. В приведенном выше примере в качестве базисных функций были выбраны степенные функции \varphi_j (x) = x^j . Обобщенный полином превратился в алгебраический.

В случае выбора произвольной системы базисных функций переопределенная СЛАУ и функционал \Phi(u_0, \dots, u_p) будут иметь вид

\begin{gather*} u_0 \varphi_0 (x_0) + \ldots + u_p \varphi_p(x_0) = f_0, \\ \ldots \\ u_0 \varphi_0 (x_n) + \ldots + u_p\varphi_p (x_n) = f_n,\\ \Phi (u_0,\ldots,u_n) = \sum\limits_{i = 0}^n (\sum\limits_{j = 0}^p u_j \varphi_j(x_i) - f_i)^2 \end{gather*}

Отыщем обобщенное решение методом наименьших квадратов: приравняем все частные производные по компонентам обобщенного решения к нулю $ \frac{\partial \Phi }{\partial u_k} = 0 $ (условия минимума) и изменяя порядок суммирования, получаем СЛАУ:

\sum\limits_{j = 0}^p {\left({\sum\limits_{i = 0}^n{\varphi_j (x_i)\varphi_k (x_i)}}\right)u_j = \sum\limits_{i = 0}^n {f_i\varphi_k (x_i)}},\ k = 0, \ldots, p,

или, в виде системы уравнений:

\begin{gather*} (\varphi_0, \varphi_0) u_0 + (\varphi_0, \varphi_1)u_1 + \ldots + (\varphi_0, \varphi_p)u_p = (\varphi_0, f), \\ (\varphi_1, \varphi_0) u_0 + (\varphi_1, \varphi_1)u_1 + \ldots + (\varphi_1, \varphi_p)u_p = (\varphi_1, f), \\ \ldots \\ (\varphi_p, \varphi_0) u_0 + (\varphi_p, \varphi_1)u_1 + \ldots + (\varphi_p, \varphi_p)u_p = (\varphi_p, f), \end{gather*}

Система метода наименьших квадратов имеет вид  \mathbf{Du} = \mathbf{f} с матрицей \mathbf{D}, элементами которой являются скалярные произведения (\varphi_i, \varphi_j) = \sum\limits_{i = 0}^n \varphi_j (x) \varphi_k (x_i). Это — матрица Грамма. Ее свойства известны из курса линейной алгебры, эта матрица симметричная и положительно определенная. Таким образом, решение исследуемой СЛАУ существует и единственно. В правой части системы стоят проекции свободного члена исходной задачи на подпространство базисных функций (\varphi,f) = \sum\limits_{i = 0}^n {\varphi_j(x_i)f_i}.

Здесь учтено, что \frac{\partial \Phi }{\partial u_k} = 2 \sum\limits_{i = 0}^n {\varphi_k(x_i)\left({\sum\limits_{j = 0}^p {u_j\varphi_j (x_i) - f_i}} \right)}.

Анализ метода и оценка ошибок

Числовой пример

Список литературы

  • Н.Н.Калиткин. Численные методы М.: Наука, 1978.
  • А.А.Самарский, А.В.Гулин.  Численные методы М.: Наука, 1989.

См. также

Личные инструменты