수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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논술 최소제곱법

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벡터의 내적

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[2.1] 점 (xi,yi)\displaystyle (x_i,y_i)Ai\displaystyle \mathrm{A}_i라 하고, 점 Ai\displaystyle \mathrm{A}_i로부터 직선 y=tx\displaystyle y=tx에 내린 수선의 발을 Bi\displaystyle \mathrm{B}_i라 하자. OBi\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OB}_i}u\displaystyle \vec{u}와 평행하므로 OAi\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OA}_i}u\displaystyle \vec{u}가 이루는 각을 θ\displaystyle \theta라 하면, OBi\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OB}_i}의 크기는OBi=OAicosθ=OAiucosθ=viu\displaystyle \left|\overrightarrow{\mathrm{OB}_i}\right|=\left|\overrightarrow{\mathrm{OA}_i}\right|\cos\theta=\left|\overrightarrow{\mathrm{OA}_i}\right||\vec{u}|\cos\theta=\vec{v}_i\cdot\vec{u}이다(참고로 t>0\displaystyle t>0이고, 점 Ai\displaystyle \mathrm{A}_i는 제1사분면에 있기 때문에 θ<π2\displaystyle \theta<\frac{\pi}{2}이다). 피타고라스의 정리에 의해di2=AiBi2=OAi2OBi2=vivi(viu)2\displaystyle d_i^2=\left|\overrightarrow{\mathrm{A}_i\mathrm{B}_i}\right|^2=\left|\overrightarrow{\mathrm{OA}_i}\right|^2-\left|\overrightarrow{\mathrm{OB}_i}\right|^2=\vec{v}_i\cdot\vec{v}_i-(\vec{v}_i\cdot\vec{u})^2이므로E(t)=i=1n{vivi(viu)2}\displaystyle E(t)=\sum_{i=1}^n\{\vec{v}_i\cdot\vec{v}_i-(\vec{v}_i\cdot\vec{u})^2\}이다.

[2.2] 주어진 세 점에 대하여 제곱오차는L(t)=(1t)2+(32t)2+(23t)2=1426t+14t2\displaystyle L(t)=(1-t)^2+(3-2t)^2+(2-3t)^2=14-26t+14t^2이므로dLdt=26+28t\displaystyle \frac{dL}{dt}=-26+28t이다. 따라서 t=1314\displaystyle t=\frac{13}{14}에서 L(t)\displaystyle L(t)는 최소이고, 최소제곱오차직선은y=1314x\displaystyle y=\frac{13}{14}x이다. 주어진 세 점에 대하여 거리제곱오차는E(t)=2811+t2{(1+t)2+(2+3t)2+(3+2t)2}=2814+26t+14t21+t2\displaystyle E(t)=28-\frac{1}{1+t^2}\{(1+t)^2+(2+3t)^2+(3+2t)^2\}=28-\frac{14+26t+14t^2}{1+t^2}이므로dEdt=26(t21)(1+t2)2\displaystyle \frac{dE}{dt}=\frac{26(t^2-1)}{(1+t^2)^2}이다. 따라서 t=1\displaystyle t=1에서 E(t)\displaystyle E(t)는 최소이고, 최소거리제곱오차직선은y=x\displaystyle y=x이다.

[2.3] 주어진 n\displaystyle n개의 점에 대하여 제곱오차는L(t)=i=1n(yitxi)2\displaystyle L(t)=\sum_{i=1}^n(y_i-tx_i)^2이므로dLdt=i=1nddt(yitxi)2=2i=1n(yitxi)xi=2n{mXY(σX2+mX2)t}=2n(394152t)\displaystyle \frac{dL}{dt}=\sum_{i=1}^n\frac{d}{dt}(y_i-tx_i)^2=-2\sum_{i=1}^n(y_i-tx_i)x_i=-2n\{m_{XY}-(\sigma_X^2+m_X^2)t\}=-2n\left(\frac{39}{4}-\frac{15}{2}t\right)이다. 그러므로 t=1310\displaystyle t=\frac{13}{10}에서 L(t)\displaystyle L(t)는 최소이고, 최소제곱오차직선은y=1310x\displaystyle y=\frac{13}{10}x이다. 한편 주어진 n\displaystyle n개의 점에 대하여 거리제곱오차는E(t)=i=1n(xi2+yi2)11+t2i=1n(xi+tyi)2\displaystyle E(t)=\sum_{i=1}^n(x_i^2+y_i^2)-\frac{1}{1+t^2}\sum_{i=1}^n(x_i+ty_i)^2이므로dEdt=2n(1+t2)2{t2ni=1nxiyi+tni=1n(xi2yi2)1ni=1nxiyi}=2n(1+t2)2[mXYt2+{(σX2+mX2)(σY2+mY2)}tmXY]=n(1+t2)2[392t212t392]\displaystyle \begin{aligned}\frac{dE}{dt}&=\frac{2n}{(1+t^2)^2}\left\{\frac{t^2}{n}\sum_{i=1}^n x_iy_i+\frac{t}{n}\sum_{i=1}^n(x_i^2-y_i^2)-\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n x_iy_i\right\}\\&=\frac{2n}{(1+t^2)^2}\left[m_{XY}t^2+\{(\sigma_X^2+m_X^2)-(\sigma_Y^2+m_Y^2)\}t-m_{XY}\right]\\&=\frac{n}{(1+t^2)^2}\left[\frac{39}{2}t^2-12t-\frac{39}{2}\right]\end{aligned}이다. 여기서 n(1+t2)2>0\displaystyle \frac{n}{(1+t^2)^2}>0이므로 E(t)\displaystyle E(t)t=4+18513\displaystyle t=\frac{4+\sqrt{185}}{13}에서 최솟값을 가진다. 따라서 최소거리제곱오차직선은y=4+18513x\displaystyle y=\frac{4+\sqrt{185}}{13}x이다.

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