Semestrální práce. 3.1 Matematické principy analýzy vícerozměrných dat

Podobné dokumenty
Univerzita Pardubice Chemicko-technologická fakulta Katedra analytické chemie

Univerzita Pardubice. Fakulta chemicko-technologická. Katedra analytické chemie. Semestrální práce. Licenční studium

Základy maticového počtu Matice, determinant, definitnost

2.6. VLASTNÍ ČÍSLA A VEKTORY MATIC

2.6. Vlastní čísla a vlastní vektory matice

Operace s maticemi. 19. února 2018

Matematika 1 MA1. 2 Determinant. 3 Adjungovaná matice. 4 Cramerovo pravidlo. 11. přednáška ( ) Matematika 1 1 / 29

Maticí typu (m, n), kde m, n jsou přirozená čísla, se rozumí soubor mn veličin a jk zapsaných do m řádků a n sloupců tvaru:

Determinanty. Obsah. Aplikovaná matematika I. Pierre Simon de Laplace. Definice determinantu. Laplaceův rozvoj Vlastnosti determinantu.

MATEMATICKÉ PRINCIPY VÍCEROZMĚRNÉ ANALÝZY DAT

ČTVERCOVÉ MATICE. Čtvercová matice je taková matice, kde počet řádků je roven počtu jejích sloupců. det(a) značíme determinant čtvercové matice A

AVDAT Vektory a matice

Úlohy k přednášce NMAG 101 a 120: Lineární algebra a geometrie 1 a 2,

0.1 Úvod do lineární algebry

Vyhodnocení průměrných denních analýz kalcinátu ananasového typu. ( Metoda hlavních komponent )

[1] Motivace. p = {t u ; t R}, A(p) = {A(t u ); t R} = {t A( u ); t R}

Vlastní číslo, vektor

Matematický ústav Slezské univerzity v Opavě Učební texty k přednášce ALGEBRA II, letní semestr 2000/2001 Michal Marvan. 14.

Operace s maticemi

Čtvercové matice. Čtvercová matice je taková matice, jejíž počet řádků je roven počtu jejích sloupců

Vlastní (charakteristická) čísla a vlastní (charakteristické) Pro zadanou čtvercovou matici A budeme řešit maticovou

Počítačová analýza vícerozměrných dat v oborech přírodních, technických a společenských věd

Univerzita Pardubice 8. licenční studium chemometrie

vyjádřete ve tvaru lineární kombinace čtverců (lineární kombinace druhých mocnin). Rozhodněte o definitnosti kvadratické formy κ(x).

Profilování vzorků heroinu s využitím vícerozměrné statistické analýzy

(Cramerovo pravidlo, determinanty, inverzní matice)

SEMESTRÁLNÍ PRÁCE 3.5 Klasifikace analýzou vícerozměrných dat

Všechno, co jste kdy chtěli vědět o maticích, ale báli jste se zeptat

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Soustavy lineárních rovnic a determinanty

10. Soustavy lineárních rovnic, determinanty, Cramerovo pravidlo

Matice. Modifikace matic eliminační metodou. α A = α a 2,1, α a 2,2,..., α a 2,n α a m,1, α a m,2,..., α a m,n

Regresní analýza 1. Regresní analýza

VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY

[1] Determinant. det A = 0 pro singulární matici, det A 0 pro regulární matici

1. LINEÁRNÍ ALGEBRA Vektory Operace s vektory... 8 Úlohy k samostatnému řešení... 8

SEMESTRÁLNÍ PRÁCE. Určení vnitřní struktury analýzou vícerozměrných dat. Ing. Pavel Bouchalík

AVDAT Mnohorozměrné metody metody redukce dimenze

Matematika B101MA1, B101MA2

ekologie Pavel Fibich Vektor a Matice Operace s maticemi Vlastnosti matic Pavel Fibich Shrnutí Literatura

0.1 Úvod do lineární algebry

Matematika (CŽV Kadaň) aneb Úvod do lineární algebry Matice a soustavy rovnic

Připomenutí co je to soustava lineárních rovnic

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2011/2012. x + y + 3z = 1 (2a 1)x + (a + 1)y + z = 1 a

Puppy. Rozšířili jsme řadu vakcín Biocan NOVEL! Nadstandardní řešení problému parvovirózy a psinky štěňat 1/2017

Soustavy linea rnı ch rovnic

Testování hypotéz o parametrech regresního modelu

HODNOST A DETERMINANT MATICE, INVERZNÍ MATICE

1 Linearní prostory nad komplexními čísly

Testování hypotéz o parametrech regresního modelu

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2014/2015

Regresní a korelační analýza

Univerzita Pardubice Fakulta chemicko technologická Katedra analytické chemie Licenční studium Management systému jakosti

12. Soustava lineárních rovnic a determinanty

HODNOST A DETERMINANT MATICE, INVERZNÍ MATICE

Vlastní čísla a vlastní vektory

Fakulta chemicko-technologická Katedra analytické chemie. Licenční studium Statistické zpracování dat při managementu jakosti. Semestrální práce:

Soustavy lineárních rovnic

Lineární algebra. Matice, operace s maticemi

Soustavy lineárních rovnic

1. Číselné posloupnosti - Definice posloupnosti, základní vlastnosti, operace s posloupnostmi, limita posloupnosti, vlastnosti limit posloupností,

Základy matematiky pro FEK

Co je obsahem numerických metod?

Podobnost matic. Definice 8.6. Dány matice A, B M n (C). Jestliže existuje regulární matice P M n (C) tak,

Komplexní čísla, Kombinatorika, pravděpodobnost a statistika, Posloupnosti a řady

Iterační metody řešení soustav lineárních rovnic. 27. prosince 2011

1 Řešení soustav lineárních rovnic

Michal Zamboj. December 23, 2016

SVD rozklad a pseudoinverse

Úvod do vícerozměrných metod. Statistické metody a zpracování dat. Faktorová a komponentní analýza (Úvod do vícerozměrných metod)

Numerické metody a programování. Lekce 4

a vlastních vektorů Příklad: Stanovte taková čísla λ, pro která má homogenní soustava Av = λv nenulové (A λ i I) v = 0.

P 1 = P 1 1 = P 1, P 1 2 =

Numerické metody a programování

Matematika I. dvouletý volitelný předmět

Faktorová analýza (FACT)

Příklad. Řešte v : takže rovnice v zadání má v tomto případě jedno řešení. Pro má rovnice tvar

Soustavy. Terminologie. Dva pohledy na soustavu lin. rovnic. Definice: Necht A = (a i,j ) R m,n je matice, b R m,1 je jednosloupcová.

vzorek vzorek

DEFINICE Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

5. Maticová algebra, typy matic, inverzní matice, determinant.

Matematika 2 (Fakulta ekonomická) Cvičení z lineární algebry. TU v Liberci

Michal Zamboj. January 4, 2018

16. Matematický popis napjatosti

Aplikovaná numerická matematika - ANM

Definice 13.1 Kvadratická forma v n proměnných s koeficienty z tělesa T je výraz tvaru. Kvadratická forma v n proměnných je tak polynom n proměnných s

3.4 Určení vnitřní struktury analýzou vícerozměrných dat

Jedná se o soustavy ve tvaru A X = B, kde A je daná matice typu m n,

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE

Číselné vektory, matice, determinanty

Fakulta chemicko technologická Katedra analytické chemie

Regresní a korelační analýza

Skalár- veličina určená jedním číselným údajem čas, hmotnost (porovnej životní úroveň, hospodaření firmy, naše poloha podle GPS )

Vektorový prostor. Př.1. R 2 ; R 3 ; R n Dvě operace v R n : u + v = (u 1 + v 1,...u n + v n ), V (E 3 )...množina vektorů v E 3,

Statistické metody a zpracování dat. IX Faktorová a komponentní analýza (Úvod do vícerozměrných metod) Petr Dobrovolný

Statistika (KMI/PSTAT)

1 Vektorové prostory.

a + b + c = 2 b + c = 1 a b = a 1 2a 1 + a a 3 + a 5 + 2a 2 + a 2 + a

Soustava m lineárních rovnic o n neznámých je systém

Transkript:

Semestrální práce 3.1 Matematické principy analýzy vícerozměrných dat RNDr.Raimund HEDBÁVNÝ Bioveta, a.s. Komenského 212, 683 23 Ivanovice na Hané 2007

3.1 Matematické principy analýzy vícerozměrných dat Úloha 1 Najděte vlastní (charakteristická) čísla a vlastní vektory, determinant, stopu a odmocninu od této jednoduché matice 1 2 3 2 8 2 3 2 10 Determinant - Determinant je definován pouze pro čtvercové matice. - Pokud je determinant roven nule je matice singulární a neexistuje inverzní matice. - Pokud je determinant nenulový je matice nesingulární a inverzní matice existuje. - Pokud je determinant větší než nula má soustava n rovnic o n neznámých reprezentovaná maticí právě jedno řešení. Determinant matice 2 x 2 se vypočítá jako rozdíl součinů prvků na hlavní a vedlejší diagonále det (A) = a 11 a 22 a 12 a 21 Pro výpočet determinantu matice 3 x 3 existuje několik způsobů (Gaussova eliminace, kofaktorová metoda, apod). K výpočtu determinantu matice 3 x 3 lze použít Sarrusova pravidla, jak ukazuje následující postup K matici 1 2 3 2 8 2 3 2 10 připíšeme první dva sloupce. Od součtu součinů trojic čísel ve směru černých šipek odečteme součet součinů ve směru šipek červených. 1 2 3 1 2 2 8 2 2 8 3 2 10 3 2 Výsledek: det(a) = (80 + 12 + 12) (72 + 4 + 40) = -12 Stopa matice Stopa matice je součet diagonálních prvků matice V případě zadané matice tr(a) = 1 + 8 + 10 = 19

-2-1,5-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12 12,5 13 13,5 14 Vlastní čísla Pro výpočet vlastních čísel matice je třeba řešit rovnici det (A λe) = 0. Pro zadanou matici 1-λ 2 3 det (A λe) = det 2 8-λ 2 = 0 3 2 10-λ Výsledkem je následující kubická rovnice x 3 19x 2 + 81x + 12 = 0 Kořeny této rovnice, které jsou vlastními čísly matice, byly určeny graficky. Průběh funkce y = x 3 19x 2 + 81x + 12 ukazuje graf 125 100 75 50 25 0-25 -50-75 -100 Kořeny rovnice jsou λ 1 = 12,3776, λ 2 = 6,7657, λ 3 = - 0,1433 Pro kontrolu

Σλ i = tr(a) = 19, Πλ i = det(a) = -12 Výpočet vlastních čísel a vlastních vektorů matice byl proveden i v programu OPgm. Byla nalezena stejná vlastní čísla a k nim odpovídající vlastní vektory 0,30189 0,50689 0,8074 0,014312 0,84444-0,53546 v 1 v 2 v 3 0,9532-0,17326-0,24776 Dosazením vypočítaných vlastních čísel λ i a vlastních vektorů v i do vztahu A = Σλ i v i v i T dostaneme 1,1281 1,8941 3,0170 0,0014 0,0818-0,0518-0,1302 0,0237 0,0338 1,8941 3,1803 5,0657 + 0,0818 4,8245-3,0592 + 0,0237-0,0043-0,0062 3,0170 5,0657 8,0689-0,0518-3,0592 1,9398 0,0338-0,0062-0,0088 což po sečtení a zaokrouhlení dává původní matici 0,9992 1,9995 2,9990 1,9995 8,0004 2,0003 2,9990 2,0003 9,9999 = 1 2 3 2 8 2 3 2 10 Odmocnina z matice Odmocnina z matice A je definována vztahem A 1/2 = Σλ i ½ v i v i T Vzhledem ke skutečnosti, že λ 3 < 0 není odmocnina z matice v oboru reálných čísel definována.

Úloha 2 Pro typická data z vašeho pracoviště, minimálně 4 rozměrná, určete projekci do prvních dvou komponent, dvojný graf a diskutujte jeho význam. V průběhu klinického ověřování polyvalentní vakcíny pro psy, která jako jednu ze složek obsahuje i antigeny navozující tvorbu protilátek proti třem nejčastěji se vyskytujícím sérovarům leptospir, bylo vakcinováno a následně revakcinováno 30 štěňat. Dalších 30 štěňat bez protilátek proti leptospirám sloužilo jako kontroly. Čtyři týdny po revakcinaci byla provedena čelenž virulentními sérovary Leptospira grippotyphosa, Leptospira icterohaemorhagiae a Leptospira canicola (vždy 10 vakcinovaných a 10 kontrolních). Zvířata byla pozorována 4 týdny po infekci. V tomto období byla štěňatům odebírána krev a testována moč. Následně byla zvířata utracena a byla provedena pitva. Testy Biochemická a hematologická vyšetření krve: jaterní testy (ALT,ALP), bilirubin, podíl bílých krvinek (WBC count) Mikrobiologické testy: přítomnost leptospir v krvi a moči (blood cult. a urine cult.) Klinické příznaky: icterus (žloutenka), conjuktivitis (zánět spojivek) Patologické vyšetření Mezi sledované parametry byla zařazena i hmotnost v době čelenže. Znak vacc. je rozlišení mezi vakcinovanými a kontrolními skupinami. Získaná data ukazuje následující tabulka 1

Tabulka 1 Výsledky klinického testování leptospirové složky vakcíny ID vaccin. weight (kg) conjunctivitis icterus cross patology blood cult. urine cult. ALP (ukat/l) ALT (ukat/l) Bilirubin (umol/l) WBC count (g/l) grippo_v_253 1 3,7 0 0 0 0 0 3,655 0,6875 0,575 10,35 grippo_v_254 1 3,7 0 0 0 0 0 3,3425 0,73 0,75 10,1 grippo_v_255 1 3,8 0 0 0 0 0 2,6275 0,6425 0,6 11,525 grippo_v_256 1 3,8 11 0 0 1 0 3,24 0,7925 0,6 11,625 grippo_v_257 1 3,6 0 0 0 0 0 3,085 0,5625 0,425 9,975 grippo_v_258 1 3,1 0 0 0 1 0 2,81 0,68 0,825 11,65 grippo_v_259 1 3,6 0 0 0 0 0 3,455 0,525 1,025 11,5 grippo_v_260 1 4,1 6 0 0 0 0 2,4325 0,62 0,85 11,275 grippo_v_239 1 3 0 0 0 0 0 3,125 0,5475 0,825 12,025 grippo_v_240 1 3,1 0 0 0 0 0 2,63 0,5325 1,15 8,15 grippo_c_223 0 3,6 9 0 5 3 0 3,36 0,605 0,725 9,475 grippo_c_224 0 3,5 17 0 5 4 0 12,4525 2,0175 1,45 10,425 grippo_c_225 0 3,2 6 1 3 4 0 9,19 1,5875 1,225 12,275 grippo_c_226 0 3 17 4 5 4 6 4,3425 0,4225 1,25 11 grippo_c_227 0 4 7 0 0 3 3 3,1475 0,505 0,6 8,7 grippo_c_229 0 3,2 15 0 10 4 0 3,6775 0,4875 0,625 10,6 grippo_c_230 0 3,5 17 0 10 4 3 3,6675 0,5675 0,9 12,05 grippo_c_231 0 2,8 19 1 10 4 0 3,9125 0,5675 0,625 10,275 grippo_c_232 0 3,1 20 0 8 4 0 3,9075 0,5475 0,775 9,725 can_v_317 1 3,8 0 0 0 3 0 2,776 0,47 1,26 11,28 can_v_318 1 5 8 0 0 0 0 2,692 0,528 0,96 13,8 can_v_319 1 4,5 0 0 0 0 0 2,924 0,648 1,08 12,48 can_v_320 1 3,9 10 0 0 0 0 3,03 0,562 1,06 9,7 can_v_321 1 3,5 0 0 0 3 0 2,856 0,746 0,98 14,24 can_v_322 1 3,7 5 0 0 0 0 3,112 0,7 0,82 10,76 can_v_323 1 3,4 9 0 0 0 0 3,02 0,54 1,2 9,36 can_v_324 1 3,5 0 0 0 0 0 2,67 0,658 1,52 12,96 can_v_325 1 3,2 10 0 0 0 0 3,092 0,564 1,1 10,44 can_v_326 1 3,6 0 0 0 0 0 2,736 0,514 1,44 12 can_c_327 0 3,1 24 0 8 3 0 3,404 0,656 0,72 10,48 can_c_328 0 2,8 22 0 8 0 0 2,744 0,862 0,96 9,84 can_c_329 0 3,1 40 1 8 4 9 3,45 0,576 1,24 8,52 can_c_330 0 4 17 17 0 3 0 2,61 0,682 1,06 7,36 can_c_331 0 4,3 17 0 10 3 6 2,152 0,824 1,26 9,04 can_c_332 0 4,1 17 17 8 3 0 2,578 0,724 1,12 10,28 can_c_333 0 4,3 40 8 8 2 0 2,734 0,614 0,9 6,32 can_c_334 0 4,2 25 0 8 6 6 2,458 0,47 0,76 9,72 can_c_335 0 3,5 24 0 0 0 0 1,932 0,724 0,96 7,96 can_c_336 0 3 40 8 8 6 6 2,794 0,586 0,82 10,56 ictero_v_337 1 2,6 9 0 0 1 0 3,364 0,406 1 14,6 ictero_v_338 1 3,1 0 0 0 0 0 4,096 0,456 1,64 16,4 ictero_v_339 1 3,4 0 0 0 0 0 3,956 0,624 1,58 10,16 ictero_v_340 1 3,7 7 0 0 0 0 4,1825 0,4325 1,45 11,48 ictero_v_341 1 3,1 0 0 0 0 0 3,166 0,592 1,54 14,52 ictero_v_342 1 3 0 0 0 0 0 2,99 1,058 1,4 15,52 ictero_v_343 1 3,4 10 0 0 3 0 3,484 0,498 1,82 13,12 ictero_v_344 1 3 0 0 0 0 0 3,72 0,792 1,42 12,92 ictero_v_345 1 3,1 0 0 0 0 0 3,978 0,68 1,78 9,32

ictero_v_346 1 2,8 0 0 0 0 0 2,706 0,634 1,74 13,68 ictero_c_347 0 3 24 0 0 3 0 4,436 0,506 1,68 10,04 ictero_c_348 0 2,3 9 0 5 2 0 4,952 0,626 1,4 11,48 ictero_c_349 0 2,4 1 1 7 0 0 3,176 0,604 1,58 14,36 ictero_c_350 0 3,4 21 0 10 3 9 2,628 0,78 1,26 13,92 ictero_c_351 0 2 18 0 9 2 0 2,582 0,504 1,42 15,08 ictero_c_352 0 2,3 7 0 6 0 0 2,758 0,528 1,84 12,68 ictero_c_353 0 2,5 26 3 7 6 3 3,452 0,518 1,68 15,48 ictero_c_354 0 1,9 20 0 11 5 0 3,334 0,614 1,14 11,96 ictero_c_355 0 2,2 12 1 9 5 3 2,86 0,67 1,625 13,6 ictero_c_356 0 2,1 13 1 15 5 9 3,4 1,036 1,5 12,4 Ze skupiny grippo_c byl vyřazen pes č. 228, u kterého došlo pravděpodobně vlivem jiného onemocnění ke zkreslení výsledků. Variabilita znaků je vidět na krabicovém grafu na obr. 1 Obr.1 Krabicový graf (STATISTICA) 35 30 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 weight(0) conj icterus blood cult ALP cros patol. urine cult. ALT Bil. WBC count U znaků weight, ALT a Bil. pozorujeme malou variabilitu. Data jsou v různých jednotkách, proto byla provedena standardizace. Na standardizované zdrojové matici byla prověřena přítomnost významných korelací mezi znaky. Výsledek ukazuje maticový graf na obr.2.

Obr.2 Korelace znaků (STATISTICA) weight(0) conj icterus cros patol. blood cult urine cult. ALP ALT Bil. WBC count Mezi znaky se vyskytují významné korelace Metodou PCA pro aktivní proměnné conj., icterus, cross patol., blood cult., urine cult., ALP a WBC count; pomocné proměnné vacc., weight, ALT a Bil. byla v programu Statistica získána následující projekce znaků (obr. 3a) a objektů (obr. 3b) do prvních dvou latentních proměnných.

Obr 3a Graf komponentních vah (STATISTICA) 1,0 icterus 0,5 *weight(0) Faktor 2 : 18,43% 0,0 conj blood cros urine patol. cult cult. *ALT ALP *Bil. *vaccin. -0,5 WBC count -1,0-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 Faktor 1 : 42,58% Obr 3b Rozptylový diagram komponentního skóre (STATISTICA) 4 can_c_330 3 can_c_333 can_c_332 Faktor 2: 18,43% 2 1 0-1 -2 can_c_335 grippo_v_240 can_c_336 can_c_329 can_v_323 can_v_320 can_c_328 can_v_325 ictero_v_345 grippo_v_257 grippo_c_227 grippo_v_260 can_v_322 grippo_v_254 ictero_c_347 grippo_v_253 ictero_v_339 grippo_c_223 grippo_v_255 grippo_v_256 grippo_v_258 grippo_v_259 can_v_326 can_c_331 grippo_c_232 can_c_327 can_v_317 ictero_v_340 grippo_v_239 grippo_c_231 can_v_319 grippo_c_226 can_v_324 can_c_334 grippo_c_229 ictero_c_352 can_v_318 ictero_v_344 ictero_v_346 ictero_c_348 ictero_v_343 ictero_c_354 ictero_v_337 ictero_v_341 ictero_c_349 can_v_321 grippo_c_230 ictero_v_342 ictero_c_351 ictero_c_355 ictero_c_353 ictero_v_338 grippo_c_225 ictero_c_350 ictero_c_356 grippo_c_224-4 -3-2 -1 0 1 2 Faktor 1: 42,58%

Sloučením výše uvedených grafů do jednoho dostáváme dvojný graf (Biplot). Na obr.4 je uveden dvojný graf vytvořený v QC Expertu 2.7. Ke konstrukci byly použity pouze proměnné uvedené výše jako aktivní. Obr.4 Biplot (QC Expert 2.7) V grafu jsou čísly označena zvířata z kontrolních skupin. Modré body představují vakcinovaná štěňata. Poloha objektů koresponduje se směry znaků. Většina kontrol bez protilátek jerozptýlena kolem polopřímek reprezentujících příznaky infekce leptospirou, zatímco vakcinovaná zvířata tvoří kompaktní shluk mimo průvodiče znaků. Závěr Protilátková odezva vakcínovaných zvířat je dostatečná ke zvládnutí leptospirové infekce.