Laboratorio 8 : Il Problema Lineare dei Minimi Quadrati#

Siamo interessati a risolvere sistemi lineari sovradeterminati, ossia della forma

\[A \mathbf{x} = \mathbf{b}, \qquad A \in \mathbb{R}^{m \times n},\; \mathbf{x},\mathbf{b} \in \mathbb{R}^n,\;m> n.\]

Se il problema non ha soluzione si cercano i vettori \(\mathbf{x}\in \mathbb{R}^{n}\) che soddisfano

(10)#\[\lVert A\mathbf{x}-\mathbf{b}\rVert_2 = \min_{\mathbf{y}\in\mathbb{R}^n}\lVert A\mathbf{y}-\mathbf{b}\rVert_2.\]

Tale problema viene detto problema dei minimi quadrati.

In questo laboratorio vogliamo concentrarci su metodi numerici di risoluzione del problema dei minimi quadrati e vedere un’applicazione al fitting di dati.

La determinazione di un punto di minimo di \(\Psi(\mathbf{x})=\lVert A\mathbf{x}-\mathbf{b}\rVert_2\) si riconduce alla ricerca dei punti che annullano tutte le derivate parziali prime di \(\Psi\) e questo porta alle equazioni normali

(11)#\[A^{\top}A\mathbf{x}=A^{\top}\mathbf{b}.\]

Se la matrice \(A\) ha rango massimo, allora la soluzione del problema dei minimi quadrati (10) è unica e può essere ottenuta risolvendo il sistema (11).

In tal caso, si può utilizzare la fattorizzazione \(LU\) della matrice \(A^{\top}A\). Poiché la matrice \(A^{\top}A\) è simmetrica definita positiva, puo essere fattorizzata come

\[A^{\top} A = LL^{\top},\]

detta fattorizzazione di Cholesky, dove \(L\in\mathbb{R}^n\) è una matrice triangolare inferiore con elementi principali positivi. La soluzione del sistema delle equazioni normali (11) viene calcolata risolvendo successivamente i due sistemi di ordine \(n\) con matrice dei coefficienti triangolare

\[\begin{split}\begin{align} & L\mathbf{y} = A^{\top}\mathbf{b}\\[1ex] & L^{\top}\mathbf{x} = \mathbf{y}. \end{align}\end{split}\]

In alternativa, abbiamo discusso a lezione il metodo basato sulla fattorizzazione \(QR\) della matrice \(A\) per il calcolo della soluzione del problema dei minimi quadrati (10).

Esercizio 1

Si scriva una function che risolve il problema dei minimi quadrati sfruttando il seguente prototipo:

function [x,min_res] = minquad(A,b,flag)
%%MINQUAD risolve il problem ai minimi quadrati associato
% al sistema Ax=b con il metodo specificato in flag
%    INPUT:
%     A matrice del sistema
%     b termine noto del sistema
%     flag stringa che specifica il metodo di risoluzione
%    OUTPUT:
%     x soluzione del problema ai minimi quadrati, punto di minimo
%     min_res valore del minimo
end
  • flag è una stringa che può assumere il valore 'EqNormali' oppure 'MetodoQR' e determina il metodo numerico con cui il problema dei minimi quadrati viene risolto all’interno della function.

  • Si calcoli la fattorizzazione \(LU\) di \(A^{\top}A\) usando l’algoritmo di Doolittle visto nel Laboratorio 7.

  • Si usi il comando MATLAB qr per calcolare la fattorizzazione \(QR\) della matrice \(A\).

  • Si usino le funzioni backwardsolve e forwardsolve, implementate nel Laboratorio 6, per risolvere i sistemi lineari triangolari risultanti.

Una tipica situazione in cui è necessario risolvere un problema dei minimi quadrati si presenta quando si vuole costruire una funzione che «si avvicini il più possibile» ad un insieme di dati.

Esercizio 2

Vogliamo trovare i coefficienti \(a_1\) e \(a_2\) della funzione \(f(t) = t(a_1+a_2 e^{-t})\) in modo che \(f\) approssi i dati \((t_i,f_i)\), \(i=0,1,2,3,4\), di Tabella 1 nel senso dei minimi quadrati

\[\begin{split}\begin{aligned} &\text{Tabella 1}\\ &\begin{array}{c|ccccc} t_i & 0.2 & 0.4 & 0.6 & 0.8 & 1.0\\ \hline f_i & 2.3 & 3.0 & 2.9 & 2.0 & 1.1 \end{array} \end{aligned}\end{split}\]

Per risolvere il problema del fitting di dati, si derivino la matrice \(A\) ed il vettore \(\mathbf{b}\) del problema dei minimi quadrati corrispondente. Si utilizzi la function minquad implementata nell’Esercizio 1 per risolvere il problema.

Si completi il seguente programma usando i dati forniti

% Soluzione del problema di fitting di dati

% Dati
t = ...
f = ...
% Definizione della matrice e del termine noto del sistema
A = ...
b = ...

% Soluzione usando le equazioni normali
flag = 'EqNormali';
[a,min_a] = minquad(A,b,flag);
fprintf("Il minimo dato dalla soluzione del sistema delle equazioni normali e' %1.2e\n",...
        min_a);
% Soluzione usando il metodo QR
flag = 'MetodoQR';
[c,min_c] = minquad(A,b,flag);
fprintf("Il minimo dato dal metodo QR e' %1.2e\n", min_c);

% Plot dei dati
plot(t,f,'sk','LineWidth',1)
hold on;
% Valutazione della funzione approssimante nei punti dati in tfine 
tfine = 0:0.02:1;
fa = ...
fc = ...
% Plot delle funzioni approssimanti sulla griglia tfine
plot(tfine, fa, '-b'); hold on
plot(tfine, fc, '--r','LineWidth',1);
xlabel('t'); legend('Dati','Soluzione delle equazioni normali','Soluzione del metodo QR','Location','best')

Il grafico risultante è mostrato qui sotto.

_images/datafitting.png

Quando la funzione approssimante cercata è un polinomio esistono le seguenti routine di MATLAB:

  • a = polyfit(xData,yData,m) restituisce il vettore a di coefficienti del polinomio di grado \(m\) che approssima i dati (xData,yData) nel senso dei minimi quadrati.

  • y = polyval(a,x) valuta nel punto x il polinomio definito dai coefficienti a.