Lineer Cebir · 4. Ünite: İç Çarpım Uzayları (Inner Product Spaces)

En Küçük Kareler Yöntemi (Least Squares Approximation)

Gerçek dünyada ölçümler gürültülüdür ve denklem sayısı bilinmeyen sayısından çok olduğundan $A\mathbf{x}=\mathbf{b}$ sistemi çoğunlukla tutarsızdır. En küçük kareler yöntemi, böyle bir sistemde "hataya en az yapan" $\hat{\mathbf{x}}$ vektörünü verir: $\mathbf{b}$'nin $\text{Col}(A)$ üzerine dik izdüşümünü bulur ve normal denklemler $A^TA\hat{\mathbf{x}}=A^T\mathbf{b}$ ile hesaplanır. Bu bölümün sonunda doğru ve polinom uydurmayı, regresyonun geometrisini ve aşırı uydurma tuzağını yorumlayabileceksin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Tutarsız Sistemler Neden Kaçınılmazdır?

  2. Tutarsız Sistem ve En Küçük Kareler Çözümü

  3. Normal Denklemler: Türetme ve Çözümün Varlığı

  4. Geometrik Yorum: Dik İzdüşüm ve Pisagor

  5. Doğru Uydurma (Doğrusal Regresyon)

  6. Polinom Uydurma ve Genel Doğrusal Modeller

  7. Çözümlü Örnekler

  8. Sayısal Hesaplama: Normal Denklemler mi, QR mı?

  9. Veri Bilimi ve Mühendislikte Uygulamalar

  10. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Tutarsız sistem (inconsistent system)
$A\mathbf{x}=\mathbf{b}$ denkleminin hiçbir $\mathbf{x}$ için sağlanmadığı, yani $\mathbf{b}\notin\text{Col}(A)$ olan sistem. Denklem sayısı bilinmeyenden fazla olduğunda tipiktir.
Artık vektörü (residual)
$\mathbf{r}=\mathbf{b}-A\mathbf{x}$; bir aday çözümün denklemleri ne kadar tutturamadığını gösterir. En küçük kareler çözümünde $\mathbf{r}\perp\text{Col}(A)$ olur.
En küçük kareler çözümü (least squares solution)
$\|\mathbf{b}-A\mathbf{x}\|$ değerini (dolayısıyla SSE'yi) en küçük yapan $\hat{\mathbf{x}}$ vektörü. Sütunlar bağımsızsa $\hat{\mathbf{x}}=(A^TA)^{-1}A^T\mathbf{b}$ ile tektir.
Normal denklemler (normal equations)
$A^TA\hat{\mathbf{x}}=A^T\mathbf{b}$; artığın $A$'nın tüm sütunlarına dik olması koşulundan ($A^T\mathbf{r}=\mathbf{0}$) çıkan doğrusal sistem.
Dik izdüşüm (orthogonal projection)
$\mathbf{b}$'nin bir $W$ alt uzayındaki en yakın noktası $\hat{\mathbf{b}}=\text{proj}_W\mathbf{b}$. $W=\text{Col}(A)$ için $\hat{\mathbf{b}}=A\hat{\mathbf{x}}=P\mathbf{b}$ ve $P=A(A^TA)^{-1}A^T$.
Kareler toplamı hatası (SSE)
$\text{SSE}=\|\mathbf{r}\|^2=\sum r_i^2$; artıkların kareleri toplamı. En küçük kareler yöntemi bu niceliği minimum yapar.
Belirleme katsayısı ($R^2$)
$R^2=1-\text{SSE}/\text{SST}$; modelin verideki değişimin hangi oranını açıkladığını gösterir. Kesişim terimli doğru uydurmada $0\le R^2\le1$.
Vandermonde matrisi
Satırları $[1,\ x_i,\ x_i^2,\dots,x_i^d]$ olan tasarım matrisi; polinom uydurmayı $A\mathbf{c}=\mathbf{y}$ biçimine getirir. $d+1$ farklı $x_i$ için sütunlar bağımsızdır.
Aşırı uydurma (overfitting)
Modelin gürültüyü de öğrenmesi: eğitim hatası çok düşük, yeni verilerdeki (test) hata ise yüksektir. Yüksek dereceli polinomlarda tipiktir.
Sözde ters (pseudoinverse)
En küçük kareler çözümlerinin en küçük normlusunu veren $A^+$ matrisi; sütunlar bağımsızsa $A^+=(A^TA)^{-1}A^T$.

Örnek soru

$A$, $m\times n$ bir matris ve $A\mathbf{x}=\mathbf{b}$ sistemi tutarsız olsun. Sistemin en küçük kareler çözümü $\hat{\mathbf{x}}$ aşağıdaki denklemlerden hangisini sağlar?

  1. $AA^T\hat{\mathbf{x}}=\mathbf{b}$
  2. $A^TA\hat{\mathbf{x}}=\mathbf{b}$
  3. $A^TA\hat{\mathbf{x}}=A^T\mathbf{b}$
  4. $A\hat{\mathbf{x}}=A^T\mathbf{b}$
  5. $A^T\hat{\mathbf{x}}=A\mathbf{b}$

Doğru cevap: C

Çözüm

Cevap: $A^TA\hat{\mathbf{x}}=A^T\mathbf{b}$ (normal denklemler)
1. En küçük kareler çözümünde artık $\mathbf{r}=\mathbf{b}-A\hat{\mathbf{x}}$, $\text{Col}(A)$'nın her vektörüne dik olmalıdır; yani $A$'nın tüm sütunlarıyla iç çarpımı sıfırdır: $A^T(\mathbf{b}-A\hat{\mathbf{x}})=\mathbf{0}$.
2. Parantezi açınca $A^TA\hat{\mathbf{x}}=A^T\mathbf{b}$ elde edilir.
3. Boyut kontrolü: $A^TA$ $n\times n$, $\hat{\mathbf{x}}$ $n\times1$, $A^T\mathbf{b}$ $n\times1$; uyumludur.
Çeldiriciler: $A^TA\hat{\mathbf{x}}=\mathbf{b}$ ifadesinde sol taraf $\mathbb{R}^n$'de, $\mathbf{b}$ ise $\mathbb{R}^m$'dedir (boyut uyuşmaz). $A\hat{\mathbf{x}}=A^T\mathbf{b}$ ve $A^T\hat{\mathbf{x}}=A\mathbf{b}$ da boyut bakımından anlamsızdır.

Lineer Cebir: tüm konular