!!§!! Вспомогательная страница к разделу ((:interpolation ИНТЕРПОЛЯЦИЯ))
----
==Теорема Пирсона==
**Задача 1.** На плоскости $ \mathbb R^2 $ найти точку, сумма квадратов расстояний до которой от точек $ P_1=(x_{1},y_1),\dots, P_n=(x_n,y_n) $ минимальна.
!!Т!! **Теорема 1.** //Координаты искомой точки определяются средними значениями координат точек// $ \{ P_j\}_{j=1}^n $:
$$
\overline{x}=\frac{x_1+x_2+ \dots+x_n}{n},\quad
\overline{y}=\frac{y_1+y_2+ \dots+y_n}{n}\ .
$$
**Задача 2.** Найти прямую на плоскости,
сумма квадратов расстояний до которой от точек $ \{P_j=(x_j,y_j)\}_{j=1}^n $ минимальна.
Если обозначить $ \delta_j $ расстояние от $ P_j $ до прямой
$$
ax+by+c=0 \, ,
$$
то речь о поиске
$$ \min_{(a,b,c)\in \mathbb R^3} \left(\sum_{j=1}^n \delta_j^2 \right) \, . $$
{{ pearson2.png |}}
!!Т!! **Теорема 2 [Пирсон][[**Пирсон Карл** (Pearson Karl, 1857-1936), английский математик, основатель современной математической статистики. Биография
☞
((https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Pearson/ ЗДЕСЬ)).]].** //Искомый минимум равен минимальному положительному корню// $ \lambda_{min} $ //полинома//
$$
f(\lambda):=\left| \begin{array}{cc}
\displaystyle \sum_{j=1}^n (x_j-\overline{x})^2 - \lambda & \displaystyle \sum_{j=1}^n (x_j-\overline{x})(y_j-\overline{y}) \\
\displaystyle \sum_{j=1}^n (x_j-\overline{x})(y_j-\overline{y}) & \displaystyle \sum_{j=1}^n (y_j-\overline{y})^2 - \lambda
\end{array}
\right| \, .
$$
**Доказательство. ** Расстояние от точки $ (x_j,y_j) $ до прямой $ax+by+c=0$ вычисляется по
☞
((:algebra2:optimiz/distance#rasstojanie_ot_tochki_do_linejnogo_mnogoobrazija_ploskosti формуле))
$$
\delta_j=\frac{|ax_j+by_j+c|}{(a^2+b^2)^{1/2}} \, .
$$
Для поиска минимума функции
$$
F(a,b,c):= \sum_{j=1}^n \frac{(ax_j+by_j+c)^2}{a^2+b^2}
$$
(рациональной!) составляем систему уравнений для ее стационарных точек
$$
\frac{\partial F}{\partial a}=\frac{2(a^2+b^2)\sum_{j=1}^n (ax_j+by_j+c)x_j -2\,a \sum_{j=1}^n (ax_j+by_j+c)^2}{(a^2+b^2)^2}=0\, ,
$$
$$
\frac{\partial F}{\partial b}=\frac{2(a^2+b^2)\sum_{j=1}^n (ax_j+by_j+c)y_j -2\,b \sum_{j=1}^n (ax_j+by_j+c)^2}{(a^2+b^2)^2}=0\, ,
$$
$$
\frac{\partial F}{\partial c}=\frac{2 \sum_{j=1}^n (ax_j+by_j+c)}{a^2+b^2}=0 \, .
$$
Введем новую переменную
$$z:=F(a,b,c) \, . $$
На вещественных решениях системы величина переменной $ z $ равна ((:polynomialm#ehkstremumy_polinoma критическому значению функции)) $ F $. Перепишем систему с использованием этой новой переменной:
$$
\left\{
\begin{array}{lll}
\sum_{j=1}^n (ax_j+by_j+c)x_j -a z&=&0 \\
\sum_{j=1}^n (ax_j+by_j+c)y_j -b z&=&0 \\
\sum_{j=1}^n (ax_j+by_j+c) &=&0
\end{array}
\right.
$$
или
$$
\left\{
\begin{array}{lllll}
a \left(\sum_{j=1}^n x_j^2 -z \right) & +b \sum_{j=1}^n x_j y_j & +c \sum_{j=1}^n x_j &=&0 & \\
a \sum_{j=1}^n x_jy_j & +b \left( \sum_{j=1}^n y_j^2 -z \right) & +c \sum_{j=1}^n y_j &=&0 & \qquad {\color{Red}{ (1)} } \\
a \sum_{j=1}^n x_j & +b \sum_{j=1}^n y_j & +c n &=&0 &
\end{array}
\right.
$$
(в предположении $a^2+b^2\ne 0 $). Рассматриваемая относительно переменных $a,b,c $ получившаяся система оказывается линейной однородной. Необходимым и достаточным условием существования у нее нетривиального решения ((:algebra2/linearsystems#teorema_kronekera-kapelli является)) равенство нулю ее определителя:
$$
\left| \begin{array}{ccc}
\displaystyle \sum_{j=1}^n x_j^2 - z & \displaystyle \sum_{j=1}^n x_jy_j & \displaystyle \sum_{j=1}^n x_j \\
\displaystyle \sum_{j=1}^n x_jy_j & \displaystyle \sum_{j=1}^n y_j^2 - z & \displaystyle \sum_{j=1}^n y_j \\
\displaystyle \sum_{j=1}^n x_j & \displaystyle \sum_{j=1}^n y_j & n
\end{array}
\right|=0 \, \qquad {\color{Red}{ (2)} } .
$$
Функция $ F(a,b,c) $ ограничена снизу: $ F\ge 0 $. Если точная нижняя грань ее значений достижима[[А это не всегда бывает даже для полиномиальных функций нескольких переменных: см.
☞
((:algebra2/optimiz/sd_cr пример)). ]], то она достижима в стационарной точке.
Тогда значение $ z $ должно равняться минимальному неотрицательному корню квадратного полинома от $ z $. Теперь преобразуем полученное его детерминантное представление в определитель из формулировки теоремы. С этой целью
прибавим к первой строке определителя $\color{Red}{ (2)} $ последнюю строку, домноженную на $ \overline{x} $.
Первая строка преобразуется к виду
$$
\left[ \sum_{j=1}^n x_j^2 - \overline{x} \sum_{j=1}^n x_j - z, \
\sum_{j=1}^n x_jy_j - \overline{x} \sum_{j=1}^n y_j,\ 0 \right]=
\left[ \sum_{j=1}^n x_j(x_j - \overline{x}) - z,\ \sum_{j=1}^n y_j(x_j - \overline{x}),\ 0 \right]=
$$
$$
=\left[ \sum_{j=1}^n (x_j - \overline{x})^2 - z,\ \sum_{j=1}^n (x_j - \overline{x})(y_j - \overline{y}),\ 0 \right]
$$
поскольку
$$
\sum_{j=1}^n \overline{x} (x_j - \overline{x}) = \overline{x} \sum_{j=1}^n (x_j - \overline{x}) =0 \, .
$$
Аналогичным способом, прибавлением ко второй строке определителя $\color{Red}{ (2)} $ его третьей строки, домноженной на $ \overline{y} $, получаем вторую строку в виде
$$
=\left[
\sum_{j=1}^n (x_j-\overline{x})(y_j-\overline{y}),\ \sum_{j=1}^n (y_j-\overline{y})^2 - z,\ 0 \right] \, .
$$
Разложением получившегося определителя по последнему столбцу приходим к уравнению из теоремы.
Далее, все корни этого уравнения вещественны и неотрицательны. Можно доказать это применением ((:algebra/dets/binet_cauchy неравенства Коши-Буняковского)). С другой стороны, для доказательства можно применить и более общий теоретический результат, который позволит распространить результат теоремы в $\mathbb R^3 $ (и даже в пространства
бóльших размерностей). Дело в том, что полином $ f(\lambda) $ является
((:algebra2/charpoly#xarakteristicheskij_polinom характеристическим полиномом матрицы))
$$
G=\left(\begin{array}{cc}
\displaystyle \sum_{j=1}^n (x_j-\overline{x})^2 & \displaystyle \sum_{j=1}^n (x_j-\overline{x})(y_j-\overline{y}) \\
\displaystyle \sum_{j=1}^n (x_j-\overline{x})(y_j-\overline{y}) & \displaystyle \sum_{j=1}^n (y_j-\overline{y})^2
\end{array}
\right) \, ,
$$
которую можно интерпретировать как ((:dets:gram матрицу Грама)) системы векторов
$$
\left\{ (x_1-\overline{x},\dots, x_n-\overline{x}), (y_1-\overline{y},\dots, y_n-\overline{y}) \right\} \, \qquad \color{Red}{ (3)}
$$
при ((:euclid_space#opredelenija стандартном способе задания скалярного произведения)) в $\mathbb R^n $. Доказывается (см.
☞
((:dets/gram#sobstvennye_chisla_sobstvennye_vektory ЗДЕСЬ))), что корни характеристического полинома матрицы Грама
(т.е. ее ((:algebra2/charpoly#sobstvennoe_chislo собственные числа))) всегда вещественны и неотрицательны. Они положительны тогда и только тогда, когда $ \det G \ne 0 $, т.е. векторы $\color{Red}{ (3)} $
линейно независимы; иначе говоря, когда точки $\{P_j\} $ не лежат на одной прямой.
В этом предположении, $ \min_{(a,b,c)\in \mathbb R^3} F(a,b,c) $ достигается на минимальном собственном числе $ \lambda_{min} $ характеристического полинома матрицы $ G $. Найдем теперь уравнение соответствующей "минимизирующей" прямой, дополнительно предположив, что собственные числа матрицы $ G $ различны. Коэффициенты этого уравнения определяются из системы $ {\color{Red}{ (1)} } $ при подстановке туда $ z= \lambda_{min} $. Из последнего уравнения этой системы очевидно, что прямая проходит через точку $ (\overline{x}, \overline{y}) $. Координаты вектора нормали $ (a,b) $ к прямой определяются из системы уравнений
$$
\left(\begin{array}{cc}
\displaystyle \sum_{j=1}^n (x_j-\overline{x})^2 - \lambda_{min} & \displaystyle \sum_{j=1}^n (x_j-\overline{x})(y_j-\overline{y}) \\
\displaystyle \sum_{j=1}^n (x_j-\overline{x})(y_j-\overline{y}) & \displaystyle \sum_{j=1}^n (y_j-\overline{y})^2 - \lambda_{min}
\end{array}
\right)
\left(\begin{array}{c} a \\ b
\end{array}
\right)=
\left(\begin{array}{c} 0 \\ 0
\end{array}
\right) \, ,
$$
т.е. вектор нормали оказывается собственным вектором матрицы $ G $, принадлежащим $ \lambda_{min} $. Ввиду предположенной различности собственных чисел матрицы, из системы уравнений этот вектор определяется однозначно, с точностью до скалярного сомножителя. Направляющий же вектор прямой перпендикулярен вектору нормали. Но тогда --- по ((:algebra2/symmetric#xarakteristicheskij_polinom_sobstvennye_chisla_sobstvennye_vektory свойству собственных векторов симметричной матрицы)) --- этот вектор должен быть собственным вектором матрицы $ G $, принадлежащим второму собственному числу, т.е. $\lambda_{max} $.
♦
По аналогии хочется утверждать, что собственный вектор, соответствующий числу
$ \lambda_{min} $ будет направляющим вектором прямой, обеспечивающей __максимум__ сумме квадратов. Однако, это утверждение неверно:
$$
\max_{(a,b,c)\in \mathbb R^3} F(a,b,c) = + \infty
$$
Утверждение будет верно, если мы добавим условие "//...среди всех прямых, проходящих через точку// $ (\overline{x},\overline{y}) $".
!!П!! **Пример [Пирсон].** Построить прямую из теоремы $ 2 $ для точек
$$
\begin{array}{c|cccccccccc}
x & 0.0 & 0.9 & 1.8 & 2.6 & 3.3 & 4.4 & 5.2 & 6.1 & 6.5 & 7.4 \\ \hline
y & 5.9 & 5.4 & 4.4 & 4.6 & 3.5 & 3.7 & 2.8 & 2.8 & 2.4 & 1.5
\end{array}
$$
**Решение.** Здесь $ n=10 $ и
$$
\sum_{j=1}^{10} x_j= 38.2,\ \sum_{j=1}^{10} y_j= 37.0 \quad \Rightarrow \quad \overline x =3.82, \overline y = 3.70 \, .
$$
$$
G=\left[
\begin {array}{rr}
56.396&- 30.430 \\
- 30.430& 17.220
\end {array} \right]
$$
Характеристический полином
$$
f(\lambda)=\lambda^2-73.616\,\lambda+45.15422
$$
имеет корни
$$ \lambda_1 \approx 0.618573,\ \lambda_2 \approx 72.997427 \, . $$
Собственные векторы, принадлежащие этим собственным числам:
$$ \approx \left[ 0.478924, 0.877856\right]^{\top} \quad \mbox{и} \quad \approx \left[ 0.877856, - 0.478924\right]^{\top} $$
соответственно; оба нормированы. Сумма квадратов расстояний от заданных точек до ближайшей к ним прямой равна $ \lambda_1 $.
Из следствия к теореме Пирсона получаем уравнение этой прямой
$$
0.877856\, x-0.478924\,y-1.581390=0 \, .
$$
{{ :pearson1.png?400 |}}
Эта прямая совпадает с решением Пирсона, но вот значение для минимума у него приведено другое: $ 0.2484 $. Непосредственная проверка подтверждает значение $ \lambda_1 $.
♦
Совершенно аналогично решается задача в пространстве.
**Задача 3.** Найти плоскость в $ \mathbb R^3 $,
сумма квадратов расстояний до которой от точек $ \{P_j=(x_{j1},x_{j2},x_{j3})\}_{j=1}^n $ минимальна.
Из координат точек $ \{P_j\} $ составляются векторы
$$ \widetilde X_1:=(x_{11}-\overline{x_1},x_{12}-\overline{x_1},\dots,x_{1n}-\overline{x_1}), $$
$$ \widetilde X_2:= (x_{21}-\overline{x_2},x_{22}-\overline{x_2},\dots,x_{2n}-\overline{x_n}),$$
$$ \widetilde X_3:=(x_{31}-\overline{x_3}, ,x_{32}-\overline{x_3},\dots,x_{3n}-\overline{x_3}), $$
при
$$
\overline{x_k}:=\frac{1}{n} \sum_{j=1}^n x_{kj} , \quad k\in \{1,2,3\} \, .
$$
Далее, матрица Грама этих векторов
$$
G:=\left(\begin{array}{ccc}
\widetilde X_1 \widetilde X_1^{\top} & \widetilde X_1 \widetilde X_2^{\top} & \widetilde X_1 \widetilde X_3^{\top} \\
\widetilde X_2 \widetilde X_1^{\top} & \widetilde X_2 \widetilde X_2^{\top} & \widetilde X_2 \widetilde X_3^{\top} \\
\widetilde X_3 \widetilde X_1^{\top} & \widetilde X_3 \widetilde X_2^{\top} & \widetilde X_3 \widetilde X_3^{\top}
\end{array}
\right)
$$
может быть представлена в виде матричного произведения
$$
G=\widetilde{\mathbf X} \cdot \widetilde{\mathbf X}^{\top} \quad \mbox{при} \ \widetilde{\mathbf X}:=\left(\begin{array}{c} \widetilde X_1 \\ \widetilde X_2 \\ \widetilde X_3 \end{array} \right)_{3\times n} \, .
$$
!!Т!! **Теорема 3.**// Сумма квадратов расстояний от точек// $ \{P_j\} $ //до всевозможных плоскостей в// $ \mathbb R^3 $ //достигает своего минимального значения, которое равно собственному числу// $\lambda_{min} $ //матрицы// $ G $, т.е. //минимальному корню полинома//
$$ f(\lambda):=\det (G-\lambda E) \, . $$
//Если этот корень ненулевой и является простым корнем// $ f(\lambda) $, //то "минимизирующая" плоскость единственна, она проходит через точку// $ (\overline{x_1}, \overline{x_2}, \overline{x_3}) $, //а вектором нормали к ней является собственный вектор матрицы// $ G $,// принадлежащий// $\lambda_{min} $.
Доказательство теоремы проводится по схеме теоремы $ 2 $.
Аналогично обобщается задача в $ \mathbb R^m $ при $ m>3 $, т.е. для расстояний от заданных точек
$\{P_j=(x_{j1},\dots,x_{jm})\}_{j=1}^n $ до гиперплоскостей
$$ a_1x_1+\dots + a_mx_m = c \, . $$
==Ковариационная матрица==
Обсудим теперь прикладное значение результатов предыдущего пункта. В задачах математической статистики (машинного обучения, обработки данных...) матрица
$$
\mathbf X_{m \times n}:=\left(\begin{array}{cccc}
x_{11} & x_{12} & \dots & x_{1n} \\
x_{21} & x_{22} & \dots & x_{2n} \\
\vdots & & & \vdots \\
x_{m1} & x_{m2} & \dots & x_{mn}
\end{array}
\right)
$$
--- матрица исходных данных (замеров, результатов экспериментов...)[[(англ.) data matrix, design matrix]], элементами ее строк являются какие-то числовые характеристики[[(англ.) features в машинном обучении]] реального процесса, анализируемого объекта и т.п.
Например, первая строка содержит рост в сантиметрах, вторая --- вес в килограммах, третья --- цвет в кодировке RGB, и т.д. Каждый столбец содержит характеристики конкретного объекта выборки. Например, первый столбец матрицы содержит измеренные данные конкретного человека: рост, вес, цвет волос и т.д. подпоручика Киже Муамара Ивановича.
Число $n$ этих объектов --- количество экспериментов, замеров, наблюдений[[(//англ.//) observations]], или --- научным языком --- количество проводившихся //статистических испытаний случайной величины// обычно много больше
количества $ m $ измеряемых параметров (ширина матрицы больше ее высоты).
Задача: установить зависимость между этими параметрами.
Матрица $ \widetilde{\mathbf X} $ содержит те же числа, что и матрица исходных данных $ \mathbf X $ --- но с одинаковым сдвигом в каждой строке.
Сумма элементов каждой строки матрицы $ \widetilde{\mathbf X} $ равна $ 0 $ (такие матрицы данных называются центрированными[[(//англ.//) centered]]).
Матрицу
$$
\mathbf{\Sigma}_{m \times m}:=\frac{1}{n} G = \frac{1}{n} \widetilde{\mathbf X} \cdot \widetilde{\mathbf X}^{\top} \, ,
$$
составленную на основе строк матрицы данных $ \mathbf X $,
в настоящем разделе будем называть **ковариационной матрицей**.
В математической статистике матрица $ \mathbf{\Sigma} $ называется **матрицей ковариации эмпирической выборки**[[(англ.) empirical sample covariance matrix]] или просто выборочной ковариационной матрицей. Она является //оценкой// ковариационной матрицы случайного вектора. Ее обозначение греческой буквой $ \mathbf{\Sigma} $ традиционно для литературы по математической статистике. И крайне неудобно для целей учебного процесса ввиду коллизии с обозначением суммирования. А в настоящем ресурсе --- еще и с матрицей из (также традиционной) формы записи сингулярного разложения.
Собственные числа матрицы $ \mathbf{\Sigma} $ --- это деленные на $ n $ собственные числа матрицы $ G $; они все неотрицательны. Соответствующие нормированные собственные векторы у этих матриц одинаковы.
Если предположить собственные числа $ \mathbf{\Sigma} $ различными, то им принадлежащие нормированные собственные векторы ((algebra2/symmetric#xarakteristicheskij_polinom_sobstvennye_chisla_sobstvennye_vektory ортогональны)).
Случай наличия кратных собственных чисел у матрицы $ \mathbf{\Sigma} $ --- хоть и исключительный с точки зрения вероятности появления --- требует более кропотливого анализа. Всегда найдутся линейно независимые собственные векторы, принадлежащие этому собственному числу, в количестве равном кратности этого собственного числа. Однако они не гарантировано попарно ортогональны.
((:euclid_space#ortogonalizacija Алгоритмом Грама-Шмидта)) из этой неортогональной системы собственных векторов моно получить ортогональную.
Объединяем в единую систему подобные подсистемы векторов, построенные для каждого собственного числа.
В разделах настоящего ресурса, касающихся ковариационной матрицы, будем обозначать ее ненулевые собственные числа
$ \sigma_1^2,\dots, \sigma_{\operatorname{rank} ( \mathbf{\Sigma})}^2 $, а принадлежащие им собственные векторы
$ \mathfrak S_1,\dots, \mathfrak S_{\operatorname{rank} ( \mathbf{\Sigma})} $; систему этих векторов предполагаем ортонормированной.
((:algebra2/symmetric/vspom1 Теорема о приводимости симметричной матрицы)) к диагональному виду посредством ортогонального преобразования, или, эквивалентно,
((:algebra2/sumrankone#simmetrichnye_matricy теорема 6)), для случая ковариационной матрицы переформулируется следующим образом.
!!Т!! **Теорема.** //Имеет место равенство://
$$
\mathbf{\Sigma} = \sigma_1^2 \mathfrak S_1 \mathfrak S_1^{\top}+ \dots + \sigma_{\operatorname{rank} ( \mathbf{\Sigma})}^2 \mathfrak S_{\operatorname{rank} ( \mathbf{\Sigma})} \mathfrak S_{\operatorname{rank} ( \mathbf{\Sigma})}^{\top} \, .
$$
Векторы $ \mathfrak S_1,\dots, \mathfrak S_{\operatorname{rank} ( \mathbf{\Sigma})} $ называются **главными компонентами**[[(англ.) principal components]] матрицы данных $ \mathbf X $ (или столбцов этой матрицы, рассматриваемых как точки пространства $ \mathbb R^m$). Обычно эти главные компоненты нумеруют в порядке убывания соответствующих собственных чисел (например, первая компонента соответствует максимальному собственному числу). Так, для набора данных примера Пирсона
$$ \mathfrak S_1 \approx \left[ 0.877856, - 0.478924\right]^{\top}, \mathfrak S_2 \approx \left[ 0.478924, 0.877856\right]^{\top} \, . $$
==Источники==
**Pearson K.** //On lines and planes of closest fit to systems of points in space//. Phil. Mag. 1901. V.2, pp. 559-572