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algebra matriciale - Dipartimento di Economia e Sistemi Arborei ...

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Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò MacciottaUniversità degli stu<strong>di</strong> <strong>di</strong> Sassari - Facoltà <strong>di</strong> AgrariaCorso <strong>di</strong> Laurea Specialistica inPRODUZIONI ANIMALIIN AMBIENTE MEDITERRANEOScuola <strong>di</strong> Dottorato <strong>di</strong> Ricerca in SCIENZE DEI SISTEMI AGRARI E FORESTALI EDELLE PRODUZIONI ALIMENTARI,in<strong>di</strong>rizzo in SCIENZE E TECNOLOGIE ZOOTECNICHEDISPENSE DEL CORSO DIALGEBRA MATRICIALEDOCENTENICOLO’ MACCIOTTADIPARTIMENTO DI SCIENZE ZOOTECNICHEANNO ACCADEMICO 2007/20081


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciotta1. ALGEBRA DELLE MATRICI ED INTRODUZIONE ALLA REGRESSIONE LINEARESEMPLICEAlgebra delle matriciConcetto <strong>di</strong> matrice e tipi <strong>di</strong> matricePer matrice si intende un insieme <strong>di</strong> numeri <strong>di</strong>sposti secondo i righe j e colonne, solitamenteracchiusi da parentesi quadre.A⎡a=⎢⎢a⎢⎣a112131aaa122232aaa132333⎤⎥⎥⎥⎦⎡ 1=⎢⎢3⎢⎣1101529⎤7⎥⎥4⎥⎦Il numero <strong>di</strong> righe (i) ed il numero delle colonne (j) definiscono le <strong>di</strong>mensioni della matrice. Nelcaso <strong>di</strong> A, la <strong>di</strong>mensione è 3 righe e tre colonne e sarà in<strong>di</strong>cata con A (3x3) .. In generale:⎡a11⎢a21A = ⎢⎢ ...⎢⎣ai1aa1222...ai2............a1j⎤a⎥2 j⎥... ⎥⎥aij⎦( ixj)Per convenzione, le matrici vengono solitamente in<strong>di</strong>cate con lettere maiuscole in grassetto (Anell’esempio sopra riportato. I numeri contenuti all’interno della matrice sono detti elementi dellamatrice..Matrici costituite da una sola riga (cioè i=1) o da una sola colonna (j=1) sono dette vettori. Perconvenzione sono rappresentate con lettere minuscole, sempre in grassetto.[ 3 12 1 ] (1 x3)a ' =Vettore riga.2


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciotta⎡11⎤q =⎢ ⎥⎢43⎥Vettore colonna⎢⎣7 ⎥⎦Solitamente un vettore riga è in<strong>di</strong>cato con l’apostrofo.Una matrice è detta quadrata quando il numero delle righe è uguale al numero delle colonne (i = j).A sopra descritta è una matrice quadrata (3 x 3). Se il numero delle righe è <strong>di</strong>verso dal numero dellecolonne si avrà una matrice rettangolare.⎡11⎢7M = ⎢⎢ 9⎢⎣ 187510⎤2⎥⎥6⎥⎥3⎦( 4X3)In una matrice quadrata si <strong>di</strong>stinguono una <strong>di</strong>agonale principale ed una <strong>di</strong>agonale secondaria.⎡ 1A =⎢3⎢⎢⎣1101529⎤7⎥⎥4⎥⎦Nel caso <strong>di</strong> A gli elementi della <strong>di</strong>agonale principale sono 1, 15 e 4 mentre quelli della <strong>di</strong>agonalesecondaria sono 9, 15 e 11.Una matrice è detta <strong>di</strong>agonale quando presenta tutti gli elementi fuori della <strong>di</strong>agonale uguali a zero⎡3D =⎢0⎢⎢⎣001100⎤0⎥⎥6⎥⎦La matrice identità I è una matrice <strong>di</strong>agonale con tutti gli elementi sulla <strong>di</strong>agonale uguali ad 1.3


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò MacciottaI =⎡1⎢⎢0⎢⎣00100⎤0⎥⎥1⎥⎦Nell’<strong>algebra</strong> delle matrici, la matrice identità equivale al numero 1 dell’<strong>algebra</strong> degli scalari. Lamatrice in cui tutti gli elementi sono pari a zero è detta matrice nulla, mentre la matrici in cui glielementi sono tutti pari ad uno è detta unità ed è normalmente in<strong>di</strong>cata con la lettera J..⎡0N =⎢⎢0⎢⎣00000⎤0⎥⎥0⎥⎦⎡1J =⎢⎢1⎢⎣11111⎤1⎥⎥1⎥⎦Per matrice simmetrica si intende una matrice in cui gli elementi sopra alla <strong>di</strong>agonale e sotto la<strong>di</strong>agonale sono tra loro simmetrici.⎡1⎢⎢11S =⎢ 3⎢⎣9111572374109 ⎤⎥2⎥10⎥⎥7 ⎦⎡ 1⎢⎢11S =⎢⎢⎣simm11153749 ⎤⎥2⎥10⎥⎥7 ⎦Come si vede sopra, una matrice simmetrica può essere rappresentata in due mo<strong>di</strong>.Una matrice è detta triangolare quando ha gli elementi sopra, oppure sotto, la <strong>di</strong>agonale uguali azero.⎡1⎢⎢0S =⎢0⎢⎣011150037409 ⎤⎥2⎥10⎥⎥7 ⎦M =⎡3⎢5⎢⎢⎣401180⎤0⎥⎥6⎥⎦Una matrice tri<strong>di</strong>agonale ha gli elementi sulla la <strong>di</strong>agonale e sulle sub-<strong>di</strong>agonali inferiore esuperiore <strong>di</strong>versi da zero, mentre tutti gli altri elementi sono uguali a zero.4


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciotta⎡1⎢⎢8S = ⎢0⎢⎢0⎢⎣0214900043900052100 ⎤⎥0⎥0 ⎥⎥3⎥11⎥⎦Si definisce trasposta <strong>di</strong> una matrice A, e si in<strong>di</strong>ca con A’, una matrice che si ottiene da Ascambiando le righe e le colonne.⎡1A =⎢8⎢⎢⎣92 ⎤14⎥⎥3 ⎥⎦⎡1A ' = ⎢⎣28149⎤⎥3⎦Come si può notare, la prima colonna <strong>di</strong> A è <strong>di</strong>ventata la prima riga <strong>di</strong> A’, e così via.La traccia <strong>di</strong> una matrice quadrata A, in<strong>di</strong>cata con tr(A), è data dalla somma degli elementi che sitrovano sulla sua <strong>di</strong>agonale.⎡37 4⎤A =⎢5 11 2⎥⎢ ⎥tr(A) = 3 + 11 + 6 = 20⎢⎣4 8 6⎥⎦La due righe <strong>di</strong> programma R seguenti creano e stampano la Matrice A > A A[,1] [,2] [,3][1,] 3 7 4[2,] 5 11 2[3,] 4 8 6Trasposizione della matrice> A1


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciotta> A1[,1] [,2] [,3][1,] 3 5 4[2,] 7 11 8[3,] 4 2 6Creazione <strong>di</strong> una matrice Identità <strong>di</strong> <strong>di</strong>mensioni 4x4> I I[,1] [,2] [,3] [,4][1,] 1 0 0 0[2,] 0 1 0 0[3,] 0 0 1 0[4,] 0 0 0 1Creazione <strong>di</strong> una matrice <strong>di</strong>agonale <strong>di</strong> <strong>di</strong>mensione 3x3 avente sulla <strong>di</strong>agonale il valore 2> p p[,1] [,2] [,3][1,] 2 0 0[2,] 0 2 0[3,] 0 0 2Creazione <strong>di</strong> una matrice <strong>di</strong>agonale 3x3 avente in <strong>di</strong>agonale la sequenza da 1 a 3> p p[,1] [,2] [,3][1,] 1 0 0[2,] 0 2 0[3,] 0 0 3creazione <strong>di</strong> un vettore colonna 3x1> b


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciotta> b[,1][1,] 4[2,] 6[3,] 1creazione <strong>di</strong> un vettore riga 1x4> a a[,1] [,2] [,3] [,4][1,] 1 2 3 4Operazioni con le matriciA <strong>di</strong>fferenza dell’<strong>algebra</strong> degli scalari in cui l’esecuzione delle operazioni elementari (ad<strong>di</strong>zione,sottrazione, moltiplicazione e <strong>di</strong>visione) non richiede requisiti particolari per gli adden<strong>di</strong> o per ifattori, le matrici invece possono essere o meno conformabili per una determinata operazione. Taleconformabilità è legata alle loro <strong>di</strong>mensioni (m x n) e anche ed eventuali relazioni esistenti fra lerighe o le colonne della matrice stessa.Le operazioni con le matrici possono essere realizzate sia su softwares <strong>di</strong> carattere generale, qualifogli <strong>di</strong> calcolo tipo Excel (che presente una serie <strong>di</strong> funzioni de<strong>di</strong>cate al calcolo <strong>matriciale</strong>), o <strong>di</strong>statistica avanzata, quali il SAS (che ha un modulo, denominato IML, che è de<strong>di</strong>cato al calcolo<strong>matriciale</strong>) o infine da software che sono stati sviluppati appositamente per il calcolo con le matrici,come il MATLAB. Recentemente è <strong>di</strong>sponibile un nuovo software open access, R, con il quale èpossibile svolgere operazioni con matrici.SommaDue matrici sono conformabili per la somma, o per la sottrazione, quando hanno la stessa<strong>di</strong>mensione, cioè presentano lo stesso numero <strong>di</strong> righe e colonne.La somma <strong>di</strong> due matrici A e B, <strong>di</strong> <strong>di</strong>mensione m x n, sarà una matrice m x n i cui elementi sono ilrisultato della somma degli elementi corrispondenti <strong>di</strong> A e B.In generale:7


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciotta⎡aA =⎢a⎢⎢⎣a112131aaa122232⎤⎥⎥⎥⎦⎡bB =⎢b⎢⎢⎣b112131bba122232⎤⎥⎥⎥⎦la formula generale per la somma (o la sottrazione) sarà:⎡aA + B =⎢a⎢⎢⎣a112131+ b+ b+ b112131aaa1222321+ b+ b12+ b2232⎤⎥⎥⎥⎦Ora passiamo ad un esempio pratico⎡11A =⎢6⎢⎢⎣8− 4⎤0⎥⎥13 ⎥⎦B =⎡ 3⎢1⎢⎢⎣− 62 ⎤15⎥⎥5 ⎥⎦A e B sono conformabili per la somma, perché hanno la stessa <strong>di</strong>mensione (3 x 3).⎡11− 4⎤⎡ 3 2 ⎤ ⎡11+ 3 − 4 + 2⎤⎡14− 2⎤A + B =⎢6 0⎥+⎢1 15⎥=⎢6 + 1 0 + 15⎥=⎢7 15⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢⎥ ⎢ ⎥⎢⎣8 13 ⎥⎦⎢⎣− 6 5 ⎥⎦⎢⎣8 − 6 13 + 5 ⎥⎦⎢⎣2 18 ⎥⎦Il risultato <strong>di</strong> A + B è lo stesso <strong>di</strong> B + A. Analogo <strong>di</strong>scorso è valido per la sottrazione.Si riporta la sintassi <strong>di</strong> R per lo svolgimento dell’esempio precedenteA


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò MacciottaDue matrici sono conformabili per il prodotto quando il numero <strong>di</strong> colonne della prima è uguale alnumero <strong>di</strong> righe della seconda. Il risultato della moltiplicazione è un matrice con un numero <strong>di</strong> righepari a quello della prima matrice ed un numero <strong>di</strong> colonne pari a quello della seconda matriceIl prodotto <strong>di</strong> una matrice A (m x n) per una matrice B (n x q) è dato da una matrice (m x q) i cuielementi sono la somma dei prodotti dei rispettivi elementi <strong>di</strong> A e B. In generale:⎡aA =⎢a⎢⎢⎣a112131aaa122232⎤⎥⎥⎥⎦mxn⎡bB = ⎢⎣b1121bb1222bb1323⎤⎥⎦nxq⎡aAB =⎢a⎢⎢⎣a112131xbxbxb11 +11 +11 +aaa122232xbxbxb212121aaa112131xbxbxb12 +12 +12 +aaa122232xbxbxb222222aaa112131xbxbxb13 +13 +13 +aaa122232xbxbxb232323⎤⎥⎥⎥⎦mxqPassiamo ad un esempio pratico.⎡11− 4⎤A =⎢6 0⎥⎡32 ⎤⎢ ⎥B = ⎢ ⎥⎢⎣8 13 ⎥⎣115 ⎦⎦Le due matrici sono conformabili per la moltiplicazione in quanto il numero <strong>di</strong> colonne <strong>di</strong> A (2) èuguale al numero <strong>di</strong> righe <strong>di</strong> B (2). Il risultato sarà una matrice con un numero <strong>di</strong> righe pari a quellodella prima (3) e numero <strong>di</strong> colonne pari a quello della seconda (2).⎡(11x3)+ ( −4x1)AB =⎢(6x3)+ (0x1)⎢⎢⎣(8x3)+ (13x1)(11x2)+ ( −4x15)⎤ ⎡29(6x2)+ (0x15)⎥=⎢18⎥ ⎢(8x2)+ (13x15)⎥⎦⎢⎣37− 38⎤12⎥⎥211⎥⎦Il seguente programma <strong>di</strong> R consente <strong>di</strong> svolgere l’esempio precedenteA


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò MacciottaA%*%BA <strong>di</strong>fferenza <strong>di</strong> quanto avviene nell’<strong>algebra</strong> degli scalari, il prodotto delle matrici non gode dellaproprietà commutativa. Infatti, anche quando la <strong>di</strong>mensione delle matrici lo consente, il prodottoAB è <strong>di</strong>verso da BA. Consideriamo Pre<strong>di</strong>amo due matrici quadrate 2x2.⎡32 ⎤⎡45⎤A = ⎢ ⎥B =⎣115⎢ ⎥⎦⎣21 ⎦⎡ (3x4)+ (2x2)AB = ⎢⎣(1x4) + (15x2)mentre⎡(4x3)+ (5x1)BA = ⎢⎣(2x3)+ (1x1)(3x5)+ (2x1)⎤ ⎡16⎥ =(1x5)+ (15x1)⎢⎦ ⎣34(4x2)+ (5x15)⎤ ⎡17⎥ =(2x2)+ (1x15)⎢⎦ ⎣ 717⎤20⎥⎦83⎤19⎥⎦Poiché è importante l’or<strong>di</strong>ne in cui la matrici sono moltiplicate fra loro, quando si parla <strong>di</strong> prodottofra matrici <strong>di</strong> solito si in<strong>di</strong>cano le posizioni delle stesse nell’operazione. Per esempio, nel caso A xB, si <strong>di</strong>rà che la matrice B è moltiplicata a sinistra per A (oppure che A è moltiplicata a destra perB)Nella regola generale del prodotto fra matrici rientrano anche i prodotti fra vettori e matrici. Adesempioa ' =[ 3 12 1 ] (1 x3)⎡11A =⎢6⎢⎢⎣8− 4⎤0⎥⎥13 ⎥⎦Il prodotto a’A è realizzabile perché il numero <strong>di</strong> colonne <strong>di</strong> a (3) è uguale al numero <strong>di</strong> righe <strong>di</strong> A.Il risultato sarà un vettore riga (1x2).a ' A =[ 113 1]In questo caso non è realizzabile il prodotto A a’ poichè le due matrici non sono conformabili pertale operazione (A ha un numero <strong>di</strong> colonne, 2, che è <strong>di</strong>verso dal numero <strong>di</strong> righe <strong>di</strong> a’, 1). Lamatrice A può essere moltiplicata invece per il seguente vettore colonna10


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciotta⎡11⎤q = ⎢ ⎥ ed il risultato sarà un vettore colonna (1x 3)⎣ 43 ⎦⎡− 51⎤Aq =⎢ ⎥⎢66⎥⎢⎣647⎥⎦Prodotti <strong>di</strong> matrici particolariIl prodotto <strong>di</strong> un vettore riga v’ con un vettore colonna m dà come risultato uno scalare che ècostituito dalla somma dei prodotti degli elementi dei due vettoriv '=[ 3 4 1]⎡6⎤m =⎢ ⎥⎢2⎥v’m = (3 x 6) + (4 x 2) + (1 x 3) =29⎢⎣3⎥⎦Il prodotto <strong>di</strong> un vettore y moltiplicato a sinistra per la sua trasposta y’ dà come risultato unoscalare costituito dalla somma dei quadrati degli elementi <strong>di</strong> y.⎡2⎤⎢3⎥= ⎢ ⎥⎢1⎥⎢ ⎥⎣4⎦y '= [ 2 3 1 4]y y’y = 30Il prodotto <strong>di</strong> un vettore per moltiplicato a sinistra per la sua trasposta è detto forma quadraticaQuin<strong>di</strong> una operazione <strong>di</strong> questo tipo consente <strong>di</strong> calcolare tramite un semplice prodotto <strong>di</strong> vettori lasomma dei quadrati <strong>di</strong> gran<strong>di</strong> quantità <strong>di</strong> dati. In generale, la formula delle forme quadratiche è lseguente.y’GyDove G è una matrice qualsiasi. Nel caso dell’esempio sopra riportato, G è pari ad una matriceidentità 4x4. Cioè11


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciotta⎡10 0 0⎤⎡2⎤⎢0 1 0 0⎥⎢3⎥y' Gy ==⎢00 1 0⎥⎢1⎥⎢ ⎥⎢⎥⎣00 0 1⎦⎣4⎦[ 2 3 1 4] ⎢ ⎥⎢⎥ 30Un vettore riga con gli elementi tutti uguali ad uno è detto vettore somma. Moltiplicato a destra perun vettore colonna, fornisce come risultato uno scalare costituito dalla somma <strong>di</strong> tutti gli elementidel vettore colonna.m '=[ 1 1 1 1]⎡2⎤⎢3⎥y = ⎢ ⎥⎢1⎥⎢ ⎥⎣4⎦m’y = 10Un vettore riga q’ può essere utilizzato per costruire una qualsiasi funzione degli elementi <strong>di</strong> unvettore colonna y. Consideriamo il vettore y dell’esempio precedente. Il vettore qq ' =[ 1 0 0 −1]moltiplicato a destra per il vettore y fornisce come risultato uno scalare che è la <strong>di</strong>fferenza tra ilprimo e l’ultimo elemento <strong>di</strong> y.q’y = -2Il prodotto <strong>di</strong> una matrice per la sua trasposta dà come risultato una matrice simmetrica.⎡1523⎤A =⎢11 9⎥ ⎡1511 31⎤⎢ ⎥ A ' = ⎢ ⎥⎢⎣31 12⎥⎣239 12 ⎦⎦AA '=⎡754⎢372⎢⎢⎣741372202449741 ⎤449⎥⎥1105⎥⎦Il prodotto <strong>di</strong> uno scalare k per una matrice A è la matrice A con ogni elemento moltiplicato per k.In generale12


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciotta⎡akA = k⎢a⎢⎢⎣a112131aaa122232⎤⎥=⎥⎥⎦⎡ka⎢ka⎢⎢⎣ka112131kakaka122232⎤⎥⎥⎥⎦Venendo ad un esempio pratico:k A⎡15= 3⎢11⎢⎢⎣3123⎤9⎥⎥12⎥⎦⎡45=⎢33⎢⎢⎣9369⎤27⎥⎥36⎥⎦A


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciotta⎡68B ' A' = ⎢⎣764240105⎤86⎥⎦Una matrice A è detta idempotente se AA’=AUna matrice B è detta nullipotente se BB’= 0Una matrice U è detta ortogonale se UU’= IRiassumendo alcune <strong>di</strong>fferenze fra l’<strong>algebra</strong> degli scalari e quella delle matrici:1. Proprietà associativaA + (B + C) = (A + B) + C2. Proprietà <strong>di</strong>stributivaA (B + C) = AB) + AC3. Proprietà commutativa (valida solo per l’ad<strong>di</strong>zione o la sottrazione)A + B = B + AAB ≠ BAProdotto <strong>di</strong> Kroenecker.Il prodotto <strong>di</strong> Kroenecker, o prodotto <strong>di</strong>retto, fra due matrici consiste nel moltiplicare ogni elementodella prima matrice per tutta la seconda matrice. Si in<strong>di</strong>ca con il simbolo ⊗.⎡a11Ba12B⎤A ( 2x2) ⊗ B( mxn)= ⎢a21a⎥⎣ B 22B⎦( 2mx2n)Di sotto si riporta un esempio <strong>di</strong> applicazione del prodotto <strong>di</strong> Kroenecker14


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciotta⎡2⎢⎣1⎡53⎤⎢⎥ ⊗ ⎢12⎦⎢⎣33⎤9⎥⎥2⎥⎦=⎡2x5⎢⎢2x1⎢2x3⎢⎢1x5⎢1x1⎢⎣1x32x32x92x21x31x91x23x53x13x32x52x12x33x3⎤⎡103x9⎥ ⎢⎥ ⎢23x2⎥⎢ 6⎥ = ⎢2x3⎥⎢ 52x9⎥⎢ 1⎥ ⎢2x2⎦⎣ 36184392153910269 ⎤27⎥⎥6 ⎥⎥6 ⎥18⎥⎥4⎦Il prodotto <strong>di</strong> Kroenecker viene spesso per agevolare i calcoli nelle equazioni <strong>di</strong> soluzione deimodelli geneticiOperatori elementariEsistono delle matrici particolari, ottenute attraverso delle mo<strong>di</strong>fiche della matrice <strong>di</strong> identità I, checonsentono <strong>di</strong> manipolare un’altra matrice A per la quale vengono moltiplicate.La matrice P per esempio, ottenuta dalla matrice I attraverso la sostituzione del primo elementodella <strong>di</strong>agonale con 0.25, consente <strong>di</strong> <strong>di</strong>videre per 4 la prima riga <strong>di</strong> una matrice per la quale vienemoltiplicata a destra.⎡0.250 0⎤P =⎢0 1 0⎥⎢ ⎥ ;⎢⎣0 0 1⎥⎦⎡84 32⎤A =⎢4 3 3⎥⎢ ⎥ ;⎢⎣6 1 1 ⎥⎦PA =⎡2⎢4⎢⎢⎣61318⎤3⎥⎥1⎥⎦Se invece viene moltiplicata a sinistra per A, consente <strong>di</strong> <strong>di</strong>vedere per quattro la prima colonna <strong>di</strong>A. Cioè⎡ 2AP =⎢1⎢⎢⎣1.543132⎤3⎥⎥1 ⎥⎦Un secondo tipo <strong>di</strong> operatori elementari consente <strong>di</strong> scambiare fra loro le righe e le colonne dellematrici. In questo altro esempio, l’uso della matrice Q consente <strong>di</strong> scambiare fra loro la seconda e laterza riga <strong>di</strong> una matrice per la quale viene moltiplicata a destra (Q x A) oppure la seconda e la terzacolonna <strong>di</strong> una matrice per la quale viene moltiplicata a sinistra (A x Q).15


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciotta⎡10 0⎤Q =⎢0 0 1⎥⎢ ⎥ ;⎢⎣0 1 0⎥⎦⎡84 32⎤A =⎢4 5 3⎥⎢ ⎥ ;⎢⎣6 2 1 ⎥⎦⎡84 32⎤QA =⎢6 2 1⎥⎢ ⎥ ;⎢⎣4 5 3 ⎥⎦⎡8AQ =⎢4⎢⎢⎣632314⎤5⎥⎥2⎥⎦Infine un terzo tipo <strong>di</strong> operatore elementare consente <strong>di</strong> combinare in vario modo le righe o lecolonne delle matrici per cui viene moltiplicata. La matrice T per esempio, moltiplicata a destra peruna matrice A (T x A), produce una matrice M in cui la prima riga è data dalla somma deglielementi della prima e terza riga <strong>di</strong> A, mentre gli elementi della seconda e terza riga rimangonouguali a quelli <strong>di</strong> A. Se invece viene moltiplicata a sinistra per A (A x T), produce una matrice F incui la terza colonna è data dalla somma degli elementi della prima e seconda colonna <strong>di</strong> A, mentregli elementi della prima e seconda colonna rimangono uguali rispetto ad A.⎡10 1⎤T =⎢0 1 0⎥⎢ ⎥ ;⎢⎣0 0 1⎥⎦⎡84 32⎤A =⎢4 5 3⎥⎢ ⎥ ;⎢⎣6 2 1 ⎥⎦⎡14TA =⎢4⎢⎢⎣665233⎤3⎥⎥1 ⎥⎦⎡8AT =⎢4⎢⎢⎣645240⎤7⎥⎥7 ⎥⎦In generale, quin<strong>di</strong>, l’uso degli operatori elementari consente <strong>di</strong> mo<strong>di</strong>ficare le righe <strong>di</strong> una matriceA se l’operatore elementare viene moltiplicato a destra per A (ad esempio T x A) mentre consente<strong>di</strong> mo<strong>di</strong>ficare le colonne <strong>di</strong> A se l’operatore elementare viene moltiplicato a sinistra per A (adesempio A x T).Determinante <strong>di</strong> una matrice quadrata16


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò MacciottaIl determinante <strong>di</strong> una matrice quadrata è un numero associato alla matrice stessa. Esso può essereminore, maggiore o uguale a zero. Il determinante <strong>di</strong> una matrice 1 x 1 (cioè un numero) è ilnumero stesso. Il determinante <strong>di</strong> una matrice A viene in<strong>di</strong>cato con |A|. La conoscenza deldeterminante <strong>di</strong> una matrice quadrata è importante ai fini dell’ottenimento dell’inversa della matrice(ve<strong>di</strong> in seguito) che nell’<strong>algebra</strong> delle matrici equivale al reciproco dell’<strong>algebra</strong> degli scalari.Il determinante <strong>di</strong> una matrice 2 x 2 è uguale alla <strong>di</strong>fferenza tra il prodotto degli elementi sulla<strong>di</strong>agonale e quello degli elementi fuori della <strong>di</strong>agonale.⎡a= ⎢⎣a1121aa1222⎤⎥⎦A |A| = (a 11 * a 22 ) - (a 12 * a 21 )Esempio:⎡3= ⎢⎣12 ⎤15⎥⎦A |A| = (3*15)-(2*1) = 45 -2 = 43Il calcolo del determinante <strong>di</strong> una matrice quadrata <strong>di</strong> <strong>di</strong>mensioni superiori a 2x2 si presenta piùcomplesso. Nel caso <strong>di</strong> una matrice quadrata 3x3, si usa il cosiddetto metodo <strong>di</strong> espansione deiminori. Si consideri la matrice⎡5A =⎢9⎢⎢⎣52543⎤2⎥⎥1⎥⎦Se si considerano gli elementi della prima riga, è possibile ricavare da A tre submatrici 2x2 che siottengono eliminando la riga e la colonna <strong>di</strong> appartenenza <strong>di</strong> ciascun elemento della riga 1. Cioè⎡51=⎢⎣42⎤1⎥⎦A ottenuta eliminando riga e la colonna cui appartiene 517


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciotta⎡92 = ⎢⎣52⎤1⎥⎦A ottenuta eliminando riga e la colonna cui appartiene 2⎡93=⎢⎣55⎤4⎥⎦A ottenuta eliminando riga e la colonna cui appartiene 3I determinanti delle submatrici ottenute da A prendono il nome <strong>di</strong> minori. Il determinante <strong>di</strong> A saràdato dalla somma dei prodotti dei determinanti delle tre submatrici (cioè dei minori) per ilcoefficiente (-1) i+j , dove i e j sono la riga e la colonna <strong>di</strong> appartenenza dell’elemento <strong>di</strong> A cui siriferisce il minore. Continuando nell’esempio:1 + 1 5 21+2 9 21+3 9 5A = 5( −1) + 2( −1) + 3( −1);4 1 5 1 5 4|A| = 5(5-8) -2(9-10) + 3(36-25) = 20I determinanti delle submatrici ottenute da A moltiplicati per il coefficiente (-1) i+j sono detticofattori della matrice A. Nell’esempio sopra riportato, il calcolo del determinante <strong>di</strong> A è statosviluppato attraverso il metodo dell’espansione dei minori relativi agli elementi della prima riga. Adanalogo risultato si può pervenire attraverso l’espansione dei minori relativi alla seconda riga2 + 1 2 32+2 5 32+3 5 2A = 9( −1) + 5( −1) + 2( −1);4 1 5 1 5 4|A| = - 9 (2-12) + 5(5-15) -2(20-10) = 20oppure della terza riga3 + 1 2 33+2 5 33+3 5 2A = 5( −1) + 4( −1) + 1( −1);5 2 9 2 9 518


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciotta|A| = 5(4-15) -4(10-27) + 1(25-18) = 20A


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò MacciottaCofattori degli elementi della terza riga25( 1 ) ;( −1) ;( + 1) ; −11,+ 17, + 753293+ ;25925Se si sostituiscono gli elementi <strong>di</strong> A con i rispettivi cofattori, si ottiene la matrice dei cofattori (C).⎡ −3C =⎢10⎢⎢⎣−111−101711 ⎤−10⎥⎥7 ⎥⎦L’inversa della matrice A si calcola come prodotto dell’inverso del suo determinate per la traspostadella matrice dei cofattori, cioè−A 1=1 C'A=120⎡−3⎢1⎢⎢⎣1110−101011⎤⎡−0.1517⎥=⎢0.05⎥ ⎢7 ⎥⎦⎢⎣0.550.5− 0.5− 0.5− 0.55⎤0.85⎥⎥0.35 ⎥⎦Si può verificare cheAA -1 = I⎡5⎢9⎢⎢⎣52543⎤⎡−0.152⎥⎢0.05⎥⎢1⎥⎦⎢⎣0.550.5−0.5−0.5−0.55⎤⎡10.85⎥=⎢0⎥ ⎢0.35 ⎥⎦⎢⎣00100⎤0⎥⎥1⎥⎦La funzione solve <strong>di</strong> R consente <strong>di</strong> calcolare la matrice inversa <strong>di</strong> una matrice quadrata condeterminante <strong>di</strong>verso da zerosolve(A)Rango <strong>di</strong> una matrice quadrata20


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò MacciottaCome detto in precedenza, una matrice quadrata può essere invertita solo se il suo determinante è<strong>di</strong>verso da zero. Se invece il determinante della matrice è uguale a zero, essa si <strong>di</strong>rà singolare e nonpotrà essere calcolata la sua inversa.Se A è un matrice quadrata, si ha |A|=0 quando una o più righe (o colonne) sono una combinazionelineare <strong>di</strong> altre righe (o colonne). Ad esempio, la seguente matrice ha il determinante uguale a zero⎡ 2A =⎢6⎢⎢⎣10−4286⎤4⎥⎥2⎥⎦Si può notare come la terza colonna sia uguale alla <strong>di</strong>fferenza della prima colonna meno la secondacolonna. Quin<strong>di</strong> la terza colonna è una combinazione lineare delle altre due e pertanto la matrice èsingolare, cioè |A|=0.Il rango <strong>di</strong> una matrice quadrata i x i è dato dal numero <strong>di</strong> righe (o colonne) che sono tra loroin<strong>di</strong>pendenti. Se il rango della matrice è uguale al numero delle righe (o colonne), allora la matricesi <strong>di</strong>rà a pieno rango. Se invece il rango della matrice è inferiore al numero <strong>di</strong> righe (o colone)allora la matrice si <strong>di</strong>rà non a pieno rango. La matrice A sopra riportata ha rango pari a due, quin<strong>di</strong>è non a pieno rango.Dato un insieme <strong>di</strong> vettori a 1 , a 2 ,…, a n , questi si <strong>di</strong>ranno linearmente <strong>di</strong>pendenti se esiste un vettoreq≠0 tale che a 1 q 11 + a 2 q 21 +…+ a n q n1 = 0.⎡ 2 ⎤a =⎢6⎥; a⎢ ⎥⎢⎣10⎥⎦⎡− 4⎤=⎢2⎥; a⎢ ⎥⎢⎣8 ⎥⎦⎡6⎤=⎢4⎥;⎢ ⎥⎢⎣2⎥⎦1 23 q⎡ 1 ⎤=⎢−1⎥⎢ ⎥⎢⎣−1⎥⎦Si verifica facilmente chea1q11+ a2q21+a3q31⎡ 2 ⎤ ⎡− 4⎤⎡6⎤⎡ 2 ⎤ ⎡ 4 ⎤ ⎡−6⎤⎡0⎤= 1⎢6⎥−1⎢2⎥−1⎢4⎥=⎢6⎥+⎢− 2⎥+⎢− 4⎥=⎢0⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢⎣10⎥⎦⎢⎣8 ⎥⎦⎢⎣2⎥⎦⎢⎣10⎥⎦⎢⎣−8⎥⎦⎢⎣− 2⎥⎦⎢⎣0⎥⎦Se chiamiamo A la matrice costituita dai tre vettori, se Aq = 0 per un vettore q non nullo, allora lecolonne <strong>di</strong> A sono vettori linearmente <strong>di</strong>pendenti.21


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciotta⎡ 2A =⎢6⎢⎢⎣10− 4286⎤4⎥⎥2⎥⎦⎡ 1 ⎤q =⎢−1⎥⎢ ⎥⎢⎣−1⎥⎦⎡0⎤Aq =⎢0⎥⎢ ⎥⎢⎣0⎥⎦Se le colonne <strong>di</strong> A sono linearmente <strong>di</strong>pendenti, allora |A| = 0, la matrice è singolare e non esiste lasua inversa A -1 .Dato un insieme <strong>di</strong> vettori a 1 , a 2 ,…, a n , se solo il vettore q=0 che verifica la con<strong>di</strong>zione a 1 q 11 +a 2 q 21 +…+ a n q n1 = 0 i vettori si <strong>di</strong>ranno tra loro linearmente in<strong>di</strong>pendenti. I seguenti vettori sono traloro linearmente in<strong>di</strong>pendenti.⎡1⎤⎡− 2⎤⎡ 3 ⎤a 1 =⎢3⎥; a2=⎢3⎥; a⎢3 = 5⎥;⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢⎣5⎥⎦⎢⎣3 ⎥⎦⎢⎣11⎥⎦Se chiamiamo M la matrice costituita dai tre vettori, se Mq = 0 solo per q = 0, allora le colonne <strong>di</strong>M sono vettori linearmente in<strong>di</strong>pendenti⎡1M =⎢3⎢⎢⎣5− 2333⎤5⎥⎥11⎥⎦Se le colonne <strong>di</strong> M sono linearmente in<strong>di</strong>pendenti, allora |M|=0, la matrice è non singolare ed esistela sua inversa M -1 .Caso particolare <strong>di</strong> inversa <strong>di</strong> una matrice quadrataL’inversa <strong>di</strong> una matrice <strong>di</strong>agonale D è una matrice <strong>di</strong>agonale in cui gli elementi della <strong>di</strong>agonalesono uguali al reciproco degli elementi corrispondenti <strong>di</strong> D. Cioè22


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciotta⎡2D =⎢0⎢⎢⎣00400⎤0⎥⎥3⎥⎦D−1⎡1⎢2⎢= ⎢0⎢⎢0⎢⎣0140⎤0⎥⎥0⎥⎥1⎥3⎥⎦Inversa generalizzataNel caso della matrici quadrate singolari, quelle cioè per le quali non esiste l’inversa, comunquepossibile calcolare l’inversa generalizzata. L’inversa generalizzata <strong>di</strong> una matrice quadratasingolare S, solitamente in<strong>di</strong>cata con S - , è una matrice quadrata che sod<strong>di</strong>sfa la seguente con<strong>di</strong>zioneS S - S=SEsercizi….23


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò MacciottaIntroduzione alla regressione lineare sempliceUso delle matrici per la risoluzione dei sistemi <strong>di</strong> equazioni lineariIl calcolo <strong>matriciale</strong> trova applicazione in numerosi settori scientifici. Una delle utilizzazioni piùfrequenti consiste nell’uso delle matrici per risolvere i sistemi <strong>di</strong> equazioni lineari.Si consideri il seguente sistema <strong>di</strong> tre equazioni lineari.4x + 3y +2z = -5x – y – z = 82x + 5y + 5z = -26Il sistema ammette delle soluzioni per le incognite (x = 2, y = -1, z = -5).Questo sistema <strong>di</strong> equazioni può essere scritto in forma <strong>matriciale</strong>:⎡4⎢1⎢⎢⎣23−152 ⎤⎡x⎤⎡ −5⎤−1⎥⎢y⎥=⎢8⎥⎥⎢⎥ ⎢ ⎥5 ⎥⎦⎢⎣z⎥⎦⎢⎣− 26⎥⎦cioèXb = ydove X è la matrice dei coefficienti (che contiene cioè i coefficienti delle incognite), b è il vettoredelle incognite (o vetore delle soluzioni) e y è il vettore dei termini noti. Ai fini della risoluzione delsistema <strong>di</strong> equazioni bisogna ricavare il vettore delle incognite, cioèb = X -1 yquin<strong>di</strong> con<strong>di</strong>zione fondamentale per la risoluzione <strong>di</strong> un sistema <strong>di</strong> equazione con il calcolo<strong>matriciale</strong> è che la matrice dei coefficienti abbia i determinante <strong>di</strong>verso da zero ed esista la suainversa X -1 . Nel caso del sistema <strong>di</strong> equazioni considerato, l’inversa della matrice dei coefficientisaràX−1⎡ 0=⎢1⎢⎢⎣−10.714286 0.142867 ⎤− 2.28571 −0.85714⎥⎥2 1 ⎥⎦Continuando quin<strong>di</strong> a sviluppare l’esempio24


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciotta25⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−−=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−−⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−−−=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡51226851210.857142.2857110.1428670.7142860zyxX


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò MacciottaUso delle matrici per lo stu<strong>di</strong>o delle relazioni fra due variabili.La <strong>di</strong>sponibilità <strong>di</strong> più variabili misurate sulle stesse unità sperimentali può costituire un notevolevantaggio ai fini della comprensione del fenomeno oggetto <strong>di</strong> stu<strong>di</strong>o. Ciò <strong>di</strong>pende dal grado <strong>di</strong>relazione che esiste tra le variabili considerate. Due variabili si <strong>di</strong>cono statisticamente correlatequando la variazione dell’una non è in<strong>di</strong>pendente dalla variazione dell’altra, cioè quando esse inqualche misura covariano. Il termine correlazione, ampiamente utilizzato anche nel linguaggiocomune per in<strong>di</strong>care l’esistenza <strong>di</strong> una relazione fra più aspetti degli stessi oggetti, assume quin<strong>di</strong>nel campo statistico un significato ben preciso ed introduce al concetto della variazione comune adue variabili, cioè della loro covariazione.Nel miglioramento genetico degli animali in produzione zootecnica capita spesso <strong>di</strong> stu<strong>di</strong>arerelazioni fra due variabili, una delle quali è <strong>di</strong> tipo temporale. Ad esempio, nella tabella 1 sonoriportati i valori <strong>di</strong> peso corporeo (espresso in chilogrammi) rilevato a <strong>di</strong>verse età (espresse in mesi)<strong>di</strong> una agnella <strong>di</strong> razza Sarda.Tabella 1. Evoluzione del peso corporeo<strong>di</strong> una agnella <strong>di</strong> razza sarda in funzione dell’età.Età (mesi) Peso (kg)2 15.23 174 18.55 24.16 27.27 30.88 32.89 33.410 33Le due variabili quin<strong>di</strong> sono il peso (un carattere produttivo <strong>di</strong> interesse zootecnico) e l’etàdell’animale (variabile temporale). Una prima valutazione, qualitativa ma efficace, del legameesistente tra due le variabili viene fornita dalla rappresentazione grafica. In figura 1 vengonoriportati i dati della tabella 1, ponendo in ascisse l’età dell’animale ed in or<strong>di</strong>nate il peso corporeo26


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciotta3530Peso (kg)252015100 5 10Età (mesi)Figura 1. Evoluzione del peso corporeo <strong>di</strong> una agnella<strong>di</strong> razza Sarda in funzione dell’etàDall’osservazione del grafico si nota come il peso dell’agnella aumenti all’aumentare dell’età conun andamento <strong>di</strong> tipo sigmoidale, noto come curva <strong>di</strong> crescita o <strong>di</strong> accrescimento. Il fenomenodell’accrescimento, ben noto ed ampiamente stu<strong>di</strong>ato nelle specie <strong>di</strong> mammiferi, è il risultato deiprocessi metabolici che hanno luogo durante la fase <strong>di</strong> crescita <strong>di</strong> un animale: fenomeni <strong>di</strong>moltiplicazione cellulare, che caratterizzano le fasi <strong>di</strong> rapido accrescimento iniziale; fenomeni <strong>di</strong>maturazione e <strong>di</strong>fferenziazione dei tessuti e degli organi, che caratterizzano la seconda fase lentache tende ad un plateau rappresentato dal peso dell’animale maturo.Passiamo ora a considerare il tutto da un punto <strong>di</strong> vista statistico: le due variabili che definiscono ilproblema sono il peso (cioè la variabile <strong>di</strong>pendente) e l’età (la variabile in<strong>di</strong>pendente). La statisticache esprime il grado <strong>di</strong> relazione tra due x e y variabili è la covarianza (S xy ):Sxy=∑( x − x) ⋅( y − y)n −1Essa esprime la quota <strong>di</strong> variabilità comune che presentano due variabili. Maggiore è la covarianzatra le due variabili, più stretta sarà la relazione tra esse. La covarianza relativa alle due variabiliriportate in tabella 1 è 1.73. Essendo un prodotto <strong>di</strong> <strong>di</strong>fferenze, la covarianza ha però lacaratteristica <strong>di</strong> non essere imme<strong>di</strong>atamente interpretabile. Una misura <strong>di</strong> più facile lettura cheesprime l’intensità con la quale due variabili x e y sono legate è il coefficiente <strong>di</strong> correlazione (r),che in effetti esprime la covarianza in termini standar<strong>di</strong>zzati:27


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciottarxy=SSxy2xS2ydove S xy = covarianza <strong>di</strong> x e y, S 2 x = varianza <strong>di</strong> x, S 2 y = varianza <strong>di</strong> y. Nel nostro caso, lacorrelazione fra peso ed età (r peso,età ) è pari a 0.967. Tale valore del coefficiente <strong>di</strong> correlazionein<strong>di</strong>ca un legame stretto e positivo tra le due variabili (cioè variano nello stesso senso, all’aumentaredell’una aumenta l’altra e viceversa), peraltro ampiamente deducibile dell’andamento grafico(questa è una ottima ragione per iniziare qualsiasi processo <strong>di</strong> elaborazione dati con unarappresentazione grafica!).Per scopi pratici, però accade che una delle due variabili sia <strong>di</strong> <strong>di</strong>fficile o costosa misurazione:ritornando all’esempio <strong>di</strong> figura 1, la rilevazione del peso delle agnelle (soprattutto nel caso <strong>di</strong>greggi numerosi) potrebbe rilevarsi piuttosto costosa o comunque non applicabile con la dovutafrequenza e complicata per poter essere applicata <strong>di</strong> routine, mentre la rilevazione dell’età nonrichiede particolari sforzi (tranne la corretta identificazione dell’animale e la registrazione della suadata <strong>di</strong> nascita). Lo sviluppo <strong>di</strong> un modello in grado <strong>di</strong> stimare il peso <strong>di</strong> una agnella in base alla suaetà potrebbe avere pertanto una certa rilevanza pratica. Osservando i dati riportati nella figura 1, sinota come la relazione tra le due variabili possa essere considerata con buona approssimazione <strong>di</strong>tipo lineare e quin<strong>di</strong> rappresentabile con una retta. In realtà la curva <strong>di</strong> crescita viene stu<strong>di</strong>ata confunzioni più complesse della retta, come la logistica o l’equazione <strong>di</strong> Gompertz. Nel nostro caso,però, considerato l’andamento dei dati e lo scopo <strong>di</strong>dattico dell’esempio, si può utilizzare una rettaper modellizzare la curva. Dalla geometria analitica, l’equazione della rettay = b 0 + bxdove b 0 è l’intercetta, cioè il valore <strong>di</strong> y in corrispondenza del quale la retta interseca l’asse delleor<strong>di</strong>nate; b è la pendenza (o coefficiente angolare) della retta, fornisce cioè la variazione <strong>di</strong> y alvariare <strong>di</strong> una unità <strong>di</strong> x. I termini b e b 0 sono anche detti parametri della funzione (nel nostro caso,della retta).Nel caso in esame, la retta che rappresenta l’accrescimento in funzione dell’età si <strong>di</strong>rà retta <strong>di</strong>regressione dell’età sul peso, la cui formula èy = b 0 + bx + edove e rappresenta il residuo, cioè la <strong>di</strong>fferenza tra il dato previsto dalla retta <strong>di</strong> regressione ed ildato reale osservato.La retta <strong>di</strong> regressione non è una retta qualsiasi, ma è quella retta che sod<strong>di</strong>sfa la con<strong>di</strong>zionematematica <strong>di</strong> minimizzare la somma dei quadrati delle <strong>di</strong>stanze dei punti reali da essa. In altreparole, è la retta che passa più vicina a tutti i punti dell’insieme <strong>di</strong> dati. Il metodo matematico che28


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciottaconsente <strong>di</strong> stimare, sulla base dei dati reali, i valori <strong>di</strong> b 0 e b della retta che sod<strong>di</strong>sfa tale con<strong>di</strong>zioneè detto metodo dei minimi quadrati (Least Squares). Lo sviluppo <strong>di</strong> tale metodo fornisce le seguentiformule, che consentono <strong>di</strong> calcolare la pendenza e l’intercetta della retta <strong>di</strong> regressione:Syb = [1]rxyS Xdove r xy è il coefficiente <strong>di</strong> correlazione fra le due variabili, S x e S y sono le rispettive deviazionistandardb= y − bx0 [2]dove x e y sono le me<strong>di</strong>e delle variabili x e y rispettivamenteApplichiamo ora le formule [1] e [2] per il calcolo dei parametri della retta <strong>di</strong> regressioneall’esempio del peso corporeo sull’età dell’animale:7.34b = 0 .967 × = 2.5952.74b 0 = 25.78 –(2.595*6) = 10.208Quin<strong>di</strong> l’equazione della retta <strong>di</strong> regressione sarà:y = 10.208 + 2.595x + e [3]o, in altri terminipeso = 10.208 + 2.595 · età + eIn precedenza si è detto che il coefficiente <strong>di</strong> regressione rappresenta la variazione della variabile<strong>di</strong>pendente al variare <strong>di</strong> una unità della variabile in<strong>di</strong>pendente. Nel caso specifico della retta che cisiamo calcolati, quin<strong>di</strong>, il valore del coefficiente <strong>di</strong> regressione in<strong>di</strong>ca che il peso aumenta <strong>di</strong> 2.5929


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciottakg per un aumento <strong>di</strong> un mese <strong>di</strong> età (ovviamente nell’agnella che abbiamo consideratonell’esempio).L’equazione [3] può essere adesso utilizzata per la stima dei valori del peso a partire dall’età. Ivalori della variabile <strong>di</strong>pendente stimati con la retta <strong>di</strong> regressione si in<strong>di</strong>cano convenzionalmenteŷ . Ad esempio, il valore stimato del peso per un’età <strong>di</strong> 10 mesi sarà:ŷ = 10.208 + 2.595*10= 36.158Poiché però il vero valore <strong>di</strong> peso misurato a 10 mesi era pari a kg 33, la <strong>di</strong>fferenzay - ŷ = 33-36.158 = -3.158rappresenta il residuo dalla retta <strong>di</strong> regressione (e) e, graficamente, costituisce la <strong>di</strong>stanza dal puntosperimentale dalla retta <strong>di</strong> regressione. Allo stesso modo, utilizziamo l’equazione [3] per calcolare ilpeso stimato per tutte le età:Età (mesi) Peso reale Peso stimato Residuo2 15.2 15.397 -0.1973 17 17.992 -0.9924 18.5 20.588 -2.0885 24.1 23.183 0.9176 27.2 25.778 1.4227 30.8 28.373 2.4278 32.8 30.968 1.839 33.4 33.563 -0.16310 33 36.158 -3.158Si possono ora aggiungere i dati del peso stimato al grafico riportato in figura 130


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciotta40Peso (kg)3530252015100 5 10Età (mesi)Figura 2. Valori del peso osservato (♦) e stimato con la retta <strong>di</strong> regressioneSi può notare come i valori del peso stimato si trovino sulla retta <strong>di</strong> regressione. Le <strong>di</strong>stanze fra irombi (che rappresentano il valore realmente osservato del peso) ed il corrispondente valore sullaretta, rappresentano i residui.Una regressione può essere rappresentata da un sistema <strong>di</strong> equazioniy 1 = b 0 + b 1 x 1 + e 1y 2 = b 0 + b 1 x 2 + e 2……………….y n = b 0 + b 1 x n + e nCome detto nel paragrafo precedente, un sistema <strong>di</strong> equazioni può essere scritto in forma <strong>matriciale</strong>.Nel caso della retta <strong>di</strong> regressione, quin<strong>di</strong>:⎡ y1⎤⎡1⎢y⎥ ⎢2 1⎢ ⎥ = ⎢⎢...⎥ ⎢...⎢ ⎥ ⎢⎣ yn⎦⎣1x1⎤x⎥2⎥⎡b... ⎥⎢⎣b⎥xn⎦00ì⎡e1⎤⎢ ⎥⎤ e2⎢ ⎥⎥ +⎦ ⎢...⎥⎢ ⎥⎣en⎦[4]Si può notare come la matrice dei coefficienti contenga la prima colonna con gli elementi tutti pariad uno. Questa colonna è necessaria perché nel modello è prevista l’intercetta (in terminigeometrici, cioè, la retta non passa per l’origine ma interseca l’asse delle y in un punto b 0 ).L’equazione della retta <strong>di</strong> regressione, detta anche regressione lineare semplice, può essere scrittain forma sintetica come31


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciottay = Xb + edovey = vettore della variabile in<strong>di</strong>pendenteX = matrice dei valori della variabile in<strong>di</strong>pendenteb = vettore dei parametri del modello <strong>di</strong> regressionee = vettore dei residuiAnalogamenteŷ = Xbŷ = vettore dei valori stimati della variabile in<strong>di</strong>pendenteX = matrice dei valori della variabile in<strong>di</strong>pendenteb = vettore dei parametri del modello <strong>di</strong> regressioneAnche per il sistema <strong>di</strong> equazioni scritto in forma <strong>matriciale</strong>, il metodo dei minimi quadraticonsente <strong>di</strong> ricavare delle soluzioni che permettono <strong>di</strong> stimare i parametri della retta <strong>di</strong> regressione.La seguenti equazioni( X ' X) bˆ= X'ysono dette equazioni normali della regressione lineare semplice, la cui soluzione−( X'X) X'yˆ 1b = [5]consente <strong>di</strong> stimare il vettore delle soluzioni b della regressione lineare semplice che sod<strong>di</strong>sfano lacon<strong>di</strong>zione dei minimi quadrati.Ritorniamo all’esempio della regressione lineare semplice applicata alla curva <strong>di</strong> crescitadell’agnella <strong>di</strong> razza Sarda. Il sistema <strong>di</strong> equazioni scritto in forma <strong>matriciale</strong>, secondo la formula[4], è32


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciotta⎡15.2⎤⎡12 ⎤ ⎡ e1⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢17⎥ ⎢1 3⎥ ⎢17⎥⎢18.5⎥⎢14 ⎥ ⎢18.5⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢24.1⎥⎢15 ⎥⎡ ⎤⎢24.1b ⎥0⎢27.2⎥= ⎢16 ⎥⎢ ⎥ + ⎢27.2⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣b ⎦ ⎢ ⎥⎢30.8⎥⎢17 ⎥ ⎢30.8⎥⎢32.8⎥⎢18 ⎥ ⎢32.8⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢33.4⎥⎢19 ⎥ ⎢33.4⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ 33 ⎦ ⎣110⎦⎣ 33 ⎦y = X b + eapplichiamo ora la relazione [5] per trovare le stime del vettore dei parametri della regressione b.X 'X⎡1= ⎢⎣213141516171819⎡1⎢⎢1⎢1⎢⎢11 ⎤⎥⎢110⎦⎢⎢1⎢1⎢⎢1⎢⎣12 ⎤3⎥⎥4 ⎥⎥5 ⎥⎥⎡ 96 = ⎢⎥ ⎣457 ⎥8 ⎥⎥9 ⎥10⎥⎦45 ⎤285⎥⎦Dall’osservazione della struttura della matrice X’X si può notare come il primo elemento della<strong>di</strong>agonale si uguale al numero dei dati considerati nella regressione (9), il secondo sia pari allasomma dei quadrati delle x, mentre gli elementi fuori <strong>di</strong>agonale sono pari alla somma delle x. Cioèla struttura generale della matrice X’X è⎡X ' X = ⎢⎢⎣n∑x∑∑x ⎤2⎥x ⎥⎦Ora calcoliamo l’inversa0.711111⎢⎣ − 0.1− 0.1−1⎡⎤( X ' X) =⎥ ⎦0.01666733


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò MacciottaSi calcola quin<strong>di</strong> il prodotto X’yX 'y⎡1= ⎢⎣213141516171819⎡15.2⎤⎢ ⎥⎢17⎥⎢18.5⎥⎢ ⎥⎢24.11 ⎤⎥⎥⎡ 232 ⎤⎥⎢27.2=10⎢ ⎥⎦⎢⎥ ⎣1547.7⎦⎢30.8⎥⎢32.8⎥⎢ ⎥⎢33.4⎥⎢ ⎥⎣ 33 ⎦Infine si moltiplica (X’X) -1 per X’yb =0.711111⎢⎣ − 0.1− 0.1 2320.016667⎥⎢⎥⎦⎣1547.7⎦10.20778⎢⎣ 2.595−1⎡⎤⎡⎤ ⎡ ⎤( X'X) X'y == ⎥ ⎦Come si può notare, il vettore delle soluzione dei parametri della regressione lineare semplicecontiene gli stessi valori che erano stati precedentemente ottenuti con le formule [1] e [2].Abbiamo quin<strong>di</strong> visto come la stima dei parametri <strong>di</strong> una retta <strong>di</strong> regressione semplice possa essereottenuta attraverso l’impiego del calcolo <strong>matriciale</strong>. Per semplicità <strong>di</strong>dattica, l’esempio consideratosi riferiva ad un insieme <strong>di</strong> dati <strong>di</strong> numerosità estremamente ridotto, per cui, dal punto <strong>di</strong> vistacalcolistico è in<strong>di</strong>fferente l’uso delle formule [1] e [2] o quello delle soluzioni matriciali [5]. Nelcaso però in cui debbano essere utilizzate gran<strong>di</strong> quantità <strong>di</strong> dati, come spesso capita nellevalutazioni genetiche, allora l’impiego del metodo <strong>matriciale</strong> è praticamente obbligato in quanto èl’unico che consente <strong>di</strong> gestire una grande mole <strong>di</strong> dati.Sviluppo dell’esempio soprariportato con RY


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò MacciottaX1XinvX1X


Algebra <strong>matriciale</strong> – a.a. 2007/2008 – Nicolò Macciotta36

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