1. Μία άλλη µορφή µη γραµµικής προσέγγιση µε ελάχιστα τετράγωνα, εκτός της εκθετικής είναι να επιλέξουµε µια συνάρτηση της µορφής: x

Transcript

1 ΤΕΜΦΕ 4 ο Εξάµηνο Αριθµητική Ανάλυση Ι 3 η Εργαστηριακή Άσκηση. Μία άλλη µορφή µη γραµµικής προσέγγιση µε ελάχιστα τετράγωνα, εκτός της εκθετικής είναι να επιλέξουµε µια συνάρτηση της µορφής: x y = b a + x Την µορφή αυτή τη µετασχηµατίζουµε στη µορφή: a = + y b x b Άρα και αυτήν τη µορφή µε κατάλληλο µετασχηµατισµό των δεδοµένων µπορούµε να τη χειριστούµε µε τη θεωρία της γραµµικής προσέγγισης µε ελάχιστα τετράγωνα. Στον πίνακα που ακολουθεί εµφανίζονται πειραµατικά δεδοµένα: X Y Να δηµιουργήσετε αρχείο εντολών MATLAB (scrpt) µε το οποίο να συγκρίνετε, για τα πειραµατικά δεδοµένα, τις ακόλουθες τεχνικές προσέγγισης: α) το µοντέλο που περιγράφηκε παραπάνω και ελάχιστα τετράγωνα, β) εκθετική a ax yx ( ) = bx yx ( ) = be συνάρτηση και ελάχιστα τετράγωνα και γ) την εκθετική συνάρτηση και ελάχιστα τετράγωνα. Για κάθε περίπτωση να υπολογίζονται οι συντελεστές της µεθόδου προσέγγισης καθώς και το σφάλµα της κάθε error = ( y ) 2 p( x) µεθόδου και να εµφανίζεται σε ένα γράφηµα το αποτέλεσµα της παρεµβολής καθώς και τα πειραµατικά δεδοµένα. 2. Είναι δυνατό να εφαρµόσουµε τη θεωρία της προσέγγισης συνόλου δεδοµένων µε ελαχιστοποίηση ελαχίστων τετραγώνων και για πιο γενικές συναρτήσεις. Μία επιλογή θα µπορούσε να ήταν µία συνάρτηση της µορφής: aln( x) + bcos( x) + c e x Εφαρµόζοντας τη θεωρία (δείτε 9.2,9.3 σελ βιβλίου) οδηγούµαστε σε ένα γραµµικό σύστηµα µε τρεις αγνώστους τα abc,,. Αφού πρώτα βρείτε τη µορφή που θα έχει το σύστηµα των κανονικών εξισώσεων (όπως ονοµάζεται), καλείστε να δηµιουργήσετε συνάρτηση functon MATLAB µε όνοµα nopolyls το οποίο να λαµβάνει ως είσοδο τα δεδοµένα (x,y) σε δύο διανύσµατα, να ορίζει τους πίνακες του συστήµατος, να λύνει το σύστηµα και στη συνέχεια να επιστρέφει ένα διάνυσµα το οποίο να έχει ως στοιχεία τα abc,,. Να χρησιµοποιήσετε το nopolyls για την προσέγγιση των παρακάτω δεδοµένων: X Y ηλαδή, να δηµιουργηθεί αρχείο εντολών MATLAB (scrpt) το οποίο αφού καλεί την nopolyls, να εµφανίζει τα abc,, και σε ένα γράφηµα τα σηµεία (x,y) και την καµπύλη της συνάρτησης στο διάστηµα [0.,3.5] µε βήµα µεταβολής 0.. Οδηγίες Οι ηµεροµηνίες παράδοσης της εργασίας θα είναι µέσα στο πρώτο δεκαήµερο του Ιουλίου. Λόγω αντικειµενικών δυσκολιών θα ανακοινωθούν στην ιστοσελίδα του διδάσκοντα και θα αναρτηθούν στην πόρτα του γραφείου του γύρω τις 26 Ιουνίου. Θα πρέπει να παραδοθεί εκτυπωµένη εργασία συρραµµένη (απλά) έτσι ώστε να µπορεί κάποιος να την ξεφυλλίσει. Η εργασία θα πρέπει να έχει εξώφυλλο στο οποίο να αναφέρεται ο αύξων αριθµός της, το όνοµα και ο αριθµός µητρώου του φοιτητή, τα στοιχεία της σχολής και του µαθήµατος, η ηµεροµηνία παράδοσης και το τµήµα το οποίο παρακολουθεί εργαστήριο. Σε παράρτηµα θα πρέπει να υπάρχουν εκτυπωµένοι οι κώδικες (τα προγράµµατα, scrpts και.m αρχεία). Στο κύριο µέρος της εργασίας θα πρέπει να αναπτύσσονται η διαδικασία, τα σχόλια, τα γραφήµατα και µόνο όσα από τα αποτελέσµατα είναι απαραίτητα για τα συµπεράσµατα. Όλα αυτά θα πρέπει να έχουν τη συνοχή ενιαίου κειµένου. Εκτός από τις όποιες εκτυπώσεις θα πρέπει να παραδοθούν τα προγράµµατα και τα αποτελέσµατα τους σε ηλεκτρονική µορφή (δισκέτα). Τα αποτελέσµατα µπορείτε να τα αποθηκεύσετε µε τη χρήση της dary. Αν δεν υπάρχει δυνατότητα παράδοσης της εργασίας σε έντυπη (εκτυπωµένη) µορφή, γίνεται δεκτή και δισκέτα που να περιέχει όλα όσα αναφέρονται παραπάνω. ηλαδή, επιπλέον των προγραµµάτων και αποτελεσµάτων η δισκέτα θα πρέπει να περιέχει και ένα αρχείο Word που θα έχει ως περιεχόµενο όλα όσα θα παραδίδατε σε εκτυπωµένη µορφή. Τόσο η πληρότητα, τα σχόλια το αν ακολουθήθηκαν οι οδηγίες αλλά και ο τρόπος της παρουσίασης των αποτελεσµάτων της εργασίας που θα παραδοθεί θα ληφθούν υπ όψιν κατά την αξιολόγηση.

2 ΙΚΑΡΙΟΣ ΕΜΜΑΝΟΥΗΛ Α.Μ ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Ι 3 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΚΑΙ ΠΟΛΥΩΝΥΜΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΤΜΗΜΑ: ΠΑΑ ΗΜ/ΝΙΑ ΠΑΡΑ ΟΣΗΣ 0/6/2003

3 ΕΡΩΤΗΜΑ Κατασκευάζουµε τη συνάρτηση newnl η οποία υπολογίζει τους συντελεστές Σελίδα 2 από 4 a A = και b B = b της εξίσωσης = A + B. y x Στη συνέχεια δηµιουργούµε το αρχείο εντολών queston.m το οποίο έχει ως έξοδο τα αποτελέσµατα που ζητούνται στο πρώτο ερώτηµα. Τα δύο αυτά m-fles είναι τα εξής: newnl.m functon p=newnl(x,y) %p=newnl(x,y) % Ths functon uses the least square functon n order % to form the functon y=b*x/(a+x) <=> /y=a/b*/x+/b % The nput s two vectors (x,y) whch are the result of our experment and % the output s a vector p whose frst element s A=a/b and second element s B=/b. lx=./x; ly=./y; p=lnls(lx,ly); queston.m clear all; clf; x=[ ]'; gven_y=[ ]'; %YPOLOGISMOS ME TH ME8ODO ELAXISTWN TETRAGWNWN p_lnls=lnls(x,gven_y); a0=p_lnls() b0=p_lnls(2) y=a0*x+b0; y_lnls=polyval(p_lnls,x); %ERWTHMA a p_newnl=newnl(x,gven_y); al=p_newnl() bl=p_newnl(2) lx=./x; ly=polyval(p_newnl,lx); y_newnl=./ly; subplot(2,2,); plot(x,y_lnls,'r',x,y_newnl,'b',x,gven_y,'m*'); ttle('least square VS y=b*x/(a+x)'); legend('least square','y=b*x/(a+x)','ponts',4) %ERWTHMA b lx=log(x); ly=log(gven_y); p2=lnls(lx,ly); a2=p2() b2=exp(p2(2)) y2=b2*x.^a2; subplot(2,2,2); plot(x,y_lnls,'r',x,y2,'b',x,gven_y,'m*'); ttle('least square VS y=b*x^a'); legend('least square','y=b*x^a','ponts',4) %ERWTHMA c ly=log(gven_y); p3=lnls(x,ly); a3=p3() b3=exp(p3(2)) y3=b3*exp(a3*x); subplot(2,2,3); plot(x,y_lnls,'r',x,y3,'b',x,gven_y,'m*'); ttle('least square VS y=b*exp(a*x)'); legend('least square','y=b*exp(a*x)','ponts',4) %YPOLOGISMOS SFALMATWN e0=sum((y-gven_y).^2) e=sum((y_newnl-gven_y).^2) e2=sum((y2-gven_y).^2)

4 e3=sum((y3-gven_y).^2) %EMFANISH THS AKRIBEIAS subplot(2,2,4); plot(0,-log0(e0),'r*',,-log0(e),'b*',2,- log0(e2),'m*',3,-log0(e3),'g*'); legend('least square','y=b*x/(a+x)','y=b*x^a','y=b*exp(a*x)',) ttle('accuracy'); Όταν εκτελούµε την εντολή >>queston προκύπτουν τα εξής αποτελέσµατα: a0 = b0 = al = bl = a2 = b2 = a3 = b3 = e0 = 0.23 e = e2 = e3 = Όπου µε δείκτη 0 είναι οι συντελεστές (a,b) και το σφάλµα (e) της µεθόδου ελαχίστων τετραγώνων, και µε δείκτες, 2, 3 των µεθόδων A a ax = + B, yx ( ) = bx και yx ( ) = be y x αντίστοιχα. Τα αποτελέσµατα όπως αυτά φαίνονται στο ζητούµενο γράφηµα είναι τα εξής: Σελίδα 3 από 4

5 Παρατηρούµε λοιπόν ότι καλύτερη προσέγγιση έχουµε µε τη συνάρτηση = A + B, όπου y x e= Σελίδα 4 από 4

6 ΕΡΩΤΗΜΑ 2 x Αν η µορφή προσέγγισης που αναζητούµε είναι η yx ( ) = a ln( x) + b cos( x) + ce τότε το σφάλµα της είναι n x Eabc (,, ) = ( y ( a ln( x) + b cos( x) + ce )) = Σύµφωνα µε τη θεωρεία προσέγγισης θα πρέπει το σφάλµα να γίνει το ελάχιστο δυνατό. Συνεπώς πρέπει: n x Eabc (,, ) = 0 2 ( y aln( x) bcos( x) ce )( ln( x)) = 0 a = n x Eabc (,, ) = 0 2 ( y aln( x) bcos( x) ce )( cos( x)) = 0 b = n Eabc (,, ) = 0 x x 2 ( y aln( x) bcos( x) ce )( e ) = 0 c = n n n n 2 x a ln ( x ) + b ln( x ) cos( x ) + c e ln( x ) = y ln( x ) a ln( x ) cos( x ) + b cos ( x ) + c e cos( x ) = y cos( x ) = = = = n n n n 2 x = = = = n n n n x x 2 x x a ln( x) e + b cos( x) e + c e = y e = = = = Συνεπώς το σύστηµα που θα πρέπει να δηµιουργεί η nopolyls και να λύνει καλώντας την συνάρτηση gauss είναι το εξής: 2 n n n n 2 x ln ( x) ln( x) cos( x) e ln( x) y ln( x) = = = = n n n n 2 x ln( x) cos( x) cos ( x) e cos( x) = y cos( x) = = = = n n n n x x 2x x ln( x) e cos( x) e e y e = = = = Η ζητούµενη λοιπόν συνάρτηση nopolyls και το αρχείο εντολών queston2.m που καλεί την nopolyls είναι τα παρακάτω: Σελίδα 5 από 4

7 nopolyls.m functon p=nopolyls(x,y); %p=nopolyls(x,y) % THE INPUT OF THS FUNCTION IS 2 VECTORS X,Y % WHICH ARE THE RESULTS OF OUR EXPERIMENT % THE OUTPUT (p) IS A VECTOR % WHERE p()=a, p(2)=b, p(3)=c % AND a,b,c ARE USED IN THE FUNCTION % y(x)=a*ln(x)+b*cos(x)+c*e^x f nargn<2, error('wrong nput, please type help nopolyls'); szex=sze(x); szey=sze(y); f szex~=szey, error('x and y must be of equal sze'); f szex()==, x=x'; f szey()==, y=y'; sln2x=sum(log(x).^2); slnxcosx=sum(log(x).*cos(x)); sexlnx=sum(exp(x).*log(x)); sylnx=sum(y.*log(x)); scos2x=sum(cos(x).^2); sexcosx=sum(exp(x).*cos(x)); sycosx=sum(y.*cos(x)); se2x=sum(exp(2*x)); syex=sum(y.*exp(x)); A=[sln2x slnxcosx sexlnx slnxcosx scos2x sexcosx sexlnx sexcosx se2x]; B=[sylnx sycosx syex]'; p=gauss(a,b); queston2.m clear all; clf; format long; x=[ ]; y=[ ]; p=nopolyls(x,y); dsplay('when y(x)=a*ln(x)+b*cos(x)+c*e^x, then') a=p() b=p(2) c=p(3) x=[0.:0.:3.5]; y=a*log(x)+b*cos(x)+c*exp(x); plot(x,y,'m*',x,y,'b'); legend('ponts','y(x)=a*ln(x)+b*cos(x)+c*e^x',4); Σελίδα 6 από 4

8 Εκτελώντας την εντολή >>queston2 Προκύπτουν τα εξής: When y(x)=a*ln(x)+b*cos(x)+c*e^x, then a = b = c = Σελίδα 7 από 4

9 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ M-FILES Gauss.m functon x=gauss(a,b); %Solvng ax=b, where a n R^nxn, x,b n R^n n=length(b); for =:n-, [amax,max]=max(abs(a(:n,))); f amax<eps, dsp('sngular Matrx'); break; end max=max+-; f max~=, sa=a(max,:n);sb=b(max); a(max,:n)=a(,:n);b(max)=b(); a(,:n)=sa;b()=sb; end b(+:n)=b(+:n)-b()*a(+:n,)/a(,); a(+:n,+:n)=a(+:n,+:n)-a(+:n,)*a(,+:n)/a(,); f abs(a(n,n))<eps, dsp('sngular Matrx'); break; end %Back Substtuton x(n,)=b(n)/a(n,n); for =n-:-:, x(,)=(b()-a(,+:n)*x(+:n,))/a(,); Σελίδα 8 από 4

10 lnls.m functon p=lnls(x,y); % lnear least squears n=length(x); sx=x'*ones(n,); sy=y'*ones(n,); sx2=(x.^2)'*ones(n,); sxy=(x.*y)'*ones(n,); par=n*sx2-sx^2; a=(n*sxy-sx*sy)/par; b=(sx2*sy-sxy*sx)/par; p=[a;b]; newnl.m functon p=newnl(x,y) %p=newnl(x,y) % Ths functon uses the least square functon n order % to form the functon y=b*x/(a+x) <=> /y=a/b*/x+/b % The nput s two vectors (x,y) whch are the result of our experment and % the output s a vector p whose frst element s A=a/b and second element s B=/b. lx=./x; ly=./y; p=lnls(lx,ly); Σελίδα 9 από 4

11 nopolyls.m functon p=nopolyls(x,y); %p=nopolyls(x,y) % THE INPUT OF THS FUNCTION IS 2 VECTORS X,Y % WHICH ARE THE RESULTS OF OUR EXPERIMENT % THE OUTPUT (p) IS A VECTOR % WHERE p()=a, p(2)=b, p(3)=c % AND a,b,c ARE USED IN THE FUNCTION % y(x)=a*ln(x)+b*cos(x)+c*e^x f nargn<2, error('wrong nput, please type help nopolyls'); szex=sze(x); szey=sze(y); f szex~=szey, error('x and y must be of equal sze'); f szex()==, x=x'; f szey()==, y=y'; sln2x=sum(log(x).^2); slnxcosx=sum(log(x).*cos(x)); sexlnx=sum(exp(x).*log(x)); sylnx=sum(y.*log(x)); scos2x=sum(cos(x).^2); sexcosx=sum(exp(x).*cos(x)); sycosx=sum(y.*cos(x)); se2x=sum(exp(2*x)); syex=sum(y.*exp(x)); A=[sln2x slnxcosx sexlnx slnxcosx scos2x sexcosx sexlnx sexcosx se2x]; B=[sylnx sycosx syex]'; p=gauss(a,b); Σελίδα 0 από 4

12 Scrpts queston.m clear all; clf; x=[ ]'; gven_y=[ ]'; %YPOLOGISMOS ME TH ME8ODO ELAXISTWN TETRAGWNWN p_lnls=lnls(x,gven_y); a0=p_lnls() b0=p_lnls(2) y=a0*x+b0; y_lnls=polyval(p_lnls,x); %ERWTHMA a p_newnl=newnl(x,gven_y); al=p_newnl() bl=p_newnl(2) lx=./x; ly=polyval(p_newnl,lx); y_newnl=./ly; subplot(2,2,); plot(x,y_lnls,'r',x,y_newnl,'b',x,gven_y,'m*'); ttle('least square VS y=b*x/(a+x)'); legend('least square','y=b*x/(a+x)','ponts',4) %ERWTHMA b lx=log(x); ly=log(gven_y); p2=lnls(lx,ly); a2=p2() b2=exp(p2(2)) y2=b2*x.^a2; subplot(2,2,2); plot(x,y_lnls,'r',x,y2,'b',x,gven_y,'m*'); ttle('least square VS y=b*x^a'); legend('least square','y=b*x^a','ponts',4) %ERWTHMA c ly=log(gven_y); p3=lnls(x,ly); a3=p3() b3=exp(p3(2)) y3=b3*exp(a3*x); subplot(2,2,3); plot(x,y_lnls,'r',x,y3,'b',x,gven_y,'m*'); ttle('least square VS y=b*exp(a*x)'); legend('least square','y=b*exp(a*x)','ponts',4) %YPOLOGISMOS SFALMATWN e0=sum((y-gven_y).^2) e=sum((y_newnl-gven_y).^2) e2=sum((y2-gven_y).^2) e3=sum((y3-gven_y).^2) %EMFANISH THS AKRIBEIAS subplot(2,2,4); plot(0,-log0(e0),'r*',,-log0(e),'b*',2,-log0(e2),'m*',3,-log0(e3),'g*'); Σελίδα από 4

13 legend('least square','y=b*x/(a+x)','y=b*x^a','y=b*exp(a*x)',) ttle('accuracy'); queston2.m clear all; clf; format long; x=[ ]; y=[ ]; p=nopolyls(x,y); dsplay('when y(x)=a*ln(x)+b*cos(x)+c*e^x, then') a=p() b=p(2) c=p(3) x=[0.:0.:3.5]; y=a*log(x)+b*cos(x)+c*exp(x); plot(x,y,'m*',x,y,'b'); legend('ponts','y(x)=a*ln(x)+b*cos(x)+c*e^x',4); Σελίδα 2 από 4

14 DIARIES queston.txt queston a0 = b0 = al = bl = a2 = b2 = a3 = b3 = e0 = 0.23 Σελίδα 3 από 4

15 e = e2 = e3 = dary off questonb2.txt queston2 ans = When y(x)=a*ln(x)+b*cos(x)+c*e^x, then a = b = c = dary off Σελίδα 4 από 4