Analysere verkelege datasett med matematikk.
Matematisk modellering med reelle data
I den verkelege verda har vi ofte tilgang til måledata frå eksperiment, observasjonar eller statistikk. Matematisk modellering handlar om å finne matematiske funksjonar som skildrar desse dataa på ein god måte.
Kvifor modellere data?
- Forstå samanhengar: Sjå mønster og trendar i dataa
- Gjere spådommar: Anslå verdiar utanfor måleområdet
- Ta avgjerder: Basert på matematiske analysar
- Kommunisere: Presentere funn på ein presis måte
I dette kapitlet lærer du å:
1. Velje rett regresjonstype
2. Bruke digitale verktøy til regresjon
3. Vurdere kvaliteten på modellen
4. Skilje mellom interpolasjon og ekstrapolasjon
Regresjon
Regresjon er ein statistisk metode for å finne ein funksjon som best tilpassar seg eit sett med datapunkt. Målet er å minimere avstanden mellom funksjonen og datapunkta.
der er datapunkta og er funksjonsverdien.
Denne metoden gir den "beste" tilpassinga i statistisk forstand.
Lineær regresjon
Ved lineær regresjon tilpassar vi ei rett linje til dataa. Dette er den enklaste forma for regresjon og passar når dataa viser ein tilnærma lineær samanheng.
der og er gjennomsnitta.
Tabellen viser folketalet i ein norsk by (i tusen):
| År | Befolkning |
|---|---|
| 2010 | 45,2 |
| 2012 | 47,1 |
| 2014 | 49,3 |
| 2016 | 51,0 |
| 2018 | 53,2 |
| 2020 | 55,1 |
a) Bruk lineær regresjon til å finne ein modell der er talet på år etter 2010.
b) Estimer folketalet i 2025.
, , , , ,
Lineær regresjon i GeoGebra (RegLin) gir , altså
b) For 2025 er :
Dette er ein ekstrapolasjon (utanfor måleområdet), så overslaget er usikkert.
Svar: a) b) Folkemengda i 2025 vert rekna til om lag 60 000.
Tabellen viser gjennomsnittleg årstemperatur i ein by (i C):
| År | Temp |
|---|---|
| 2015 | 7,2 |
| 2016 | 7,5 |
| 2017 | 7,8 |
| 2018 | 8,0 |
| 2019 | 8,1 |
| 2020 | 8,4 |
a) Finn ein lineær modell der er tal år etter 2015.
b) Kva spår modellen for 2025?
Eksponentiell regresjon
Når data viser prosentvis vekst eller nedgang, passar ofte ein eksponentiell modell:
eller på eksponentialform:
der .
- Folketalsvekst
- Radioaktiv nedbryting
- Rentevekst
- Spreiing av sjukdommar
- Teknologisk utvikling (Moores lov)
Kjenneteikn: Dataa viser tilnærma konstant prosentvis endring.
I eit eksperiment blir talet på bakteriar i ein kultur målt:
| Timer (t) | Tal (N) |
|---|---|
| 0 | 1000 |
| 2 | 1480 |
| 4 | 2190 |
| 6 | 3240 |
| 8 | 4790 |
a) Bruk eksponentiell regresjon til å finne ein modell .
b) Finn doblingstida.
c) Estimer talet på bakteriar etter 12 timar.
RegEksp) gir , altsåSidan , kan modellen òg skrivast .
b) Doblingstida finn ein ved :
c)
Svar: a) b) Doblingstida er om lag 3,5 timar. c) Etter 12 timar er det om lag 10 500 bakteriar.
Ein radioaktiv prøve har følgjande aktivitet (i Becquerel):
| Dagar | Aktivitet |
|---|---|
| 0 | 800 |
| 5 | 565 |
| 10 | 400 |
| 15 | 283 |
| 20 | 200 |
a) Finn ein eksponentiell modell .
b) Bestem halveringstida.
c) Når er aktiviteten redusert til 50 Bq?
Polynomisk regresjon
Når data har kruming som ikkje passar lineært eller eksponentielt, kan vi bruke polynom:
- Andregrads (parabel):
- Tredjegrads:
- Høgare grader: Blir brukte sjeldnare
Jo høgare grad, jo betre tilpassing til dataa - men òg større risiko for overtilpassing.
Eit polynom av høg nok grad vil gå gjennom alle datapunkta, men det betyr ikkje at modellen er god!
Overtilpassing oppstår når modellen fangar opp støy i dataa i staden for den underliggjande trenden. Ein god modell skal vere enkel nok til å generalisere.
Ein ball blir kasta oppover. Høgda (i meter) blir målt ved ulike tidspunkt:
| Tid (s) | Høgd (m) |
|---|---|
| 0 | 1,5 |
| 0,5 | 6,3 |
| 1,0 | 9,1 |
| 1,5 | 9,9 |
| 2,0 | 8,7 |
| 2,5 | 5,5 |
a) Forklar kvifor ein andregradsfunksjon er passande.
b) Finn modellen .
c) Finn maksimal høgd og når ho blir nådd.
Dette er ein andregradsfunksjon med negativt andregradsledd.
b) Andregradsregresjon i GeoGebra (RegPoly(A1:B6, 2)) gir
med : alle målepunkta ligg på parabelen.
c) Toppunktet finn ein der :
Svar: a) Høgda under fritt fall er ein andregradsfunksjon av tida. b) c) Ballen når maksimal høgd om lag 9,9 m etter 1,45 s.
Bremselengda (i meter) for ein bil ved ulike fartar:
| Fart (km/h) | Bremselengde (m) |
|---|---|
| 30 | 6 |
| 50 | 15 |
| 70 | 28 |
| 90 | 45 |
| 110 | 66 |
a) Finn ein andregradsmodell .
b) Kva er bremselengda ved 100 km/h?
c) Ved kva for fart er bremselengda 80 m?
Bruk av digitale verktøy
I praksis bruker vi alltid digitale verktøy for regresjon. Her er dei vanlegaste:
GeoGebra:
1. Lag ei liste med x-verdiar: L1 = {x1, x2, ...}
2. Lag ei liste med y-verdiar: L2 = {y1, y2, ...}
3. Bruk kommandobar som:
- RegLin(L1, L2) - lineær regresjon
- RegEksp(L1, L2) - eksponensiell regresjon
- RegPoly(L1, L2, n) - polynom av grad n
Kalkulator (TI/Casio):
- Legg inn data i statistikkmodulen
- Vel regresjonstype
- Les av koeffisientane
Gjør dette i GeoGebra
Interaktiv regresjon i GeoGebra
Skriv inn én linje om gangen i inntastingsfeltet:
L1 = {0, 2, 4, 6, 8, 10}
L2 = {45.2, 47.1, 49.3, 51.0, 53.2, 55.1}
P = Zip((u, w), u, L1, w, L2)
FitLine(P)Med språket satt til norsk forstår GeoGebra kommandonavnene både på norsk og engelsk.
Målt CO2-konsentrasjon (ppm) ved Mauna Loa-observatoriet:
| År | CO2 |
|---|---|
| 1960 | 317 |
| 1970 | 326 |
| 1980 | 339 |
| 1990 | 354 |
| 2000 | 370 |
| 2010 | 390 |
| 2020 | 414 |
a) Bruk GeoGebra til å finne både lineær og andregradstilpassing.
b) Kva for ein modell passar best?
c) Estimer CO2-nivået i 2030.
Lineær (RegLin): ()
Andregrads (RegPoly(A1:B7, 2)): ()
b) Andregradstilpassinga har høgare og fangar opp at veksten akselererer. Ho er fysisk rimelege fordi utsleppa har auka over tid.
c) For (år 2030):
Lineær: ppm
Andregrads: ppm
Svar: a) og b) Andregradsmodellen passar best. c) Andregradsmodellen gir om lag 439 ppm i 2030 (den lineære om lag 423 ppm).
Verdsrekorden på 100 m sprint (menn) over tid:
| År | Tid (s) |
|---|---|
| 1912 | 10,6 |
| 1936 | 10,2 |
| 1968 | 9,95 |
| 1988 | 9,92 |
| 1999 | 9,79 |
| 2009 | 9,58 |
a) Lag ein lineær modell i GeoGebra.
b) Kva spår modellen for 2050?
c) Er dette realistisk? Diskuter avgrensingar.
Gjør dette i GeoGebra
Start med å skrive inn dette, én linje om gangen:
L1 = {12, 36, 68, 88, 99, 109}
L2 = {10.6, 10.2, 9.95, 9.92, 9.79, 9.58}Med språket satt til norsk forstår GeoGebra kommandonavnene både på norsk og engelsk.
Residualar og modellvurdering
Eit residual er skilnaden mellom observert verdi og verdien til modellen:
der er observert verdi og er den predikerte verdien til modellen.
- Residualane bør vere tilfeldige (ingen mønster)
- Residualane bør vere små samanlikna med y-verdiane
- Residualane bør vere omtrent normalfordelte
Teikn på dårleg modell:
- Systematisk mønster i residualane (t.d. kurve)
- Store residualar
- Residualar som veks med x
Tolking:
- : Perfekt tilpassing
- : Modellen forklarer ingenting
- : Svært god tilpassing
- : God tilpassing
angir delen av variasjonen i som blir forklart av modellen.
For folketalseksemplet (Eksempel 1) hadde vi modellen .
Rekn ut residualane og vurder modellen.
| x | y |
|---|---|
| 0 | 45,2 |
| 2 | 47,1 |
| 4 | 49,3 |
| 6 | 51,0 |
| 8 | 53,2 |
| 10 | 55,1 |
| x | |||
|---|---|---|---|
| 0 | 45,2 | 45,20 | 0,00 |
| 2 | 47,1 | 47,18 | -0,08 |
| 4 | 49,3 | 49,16 | 0,14 |
| 6 | 51,0 | 51,14 | -0,14 |
| 8 | 53,2 | 53,12 | 0,08 |
| 10 | 55,1 | 55,10 | 0,00 |
Vurdering:
- Residuala er små (alle )
- Ikkje noko tydeleg mønster
- (svært god tilpassing)
Svar: Residuala er små og utan mønster, og . Den lineære modellen passar godt til dataa.
Regresjonen i Eksempel 2 ga . Ein elev rundar av og bruker modellen .
a) Rekn ut residuala for modellen til eleven for .
b) Vurder modellen til eleven.
Interpolasjon vs ekstrapolasjon
Når vi bruker ein modell til å anslå verdiar, skil vi mellom to tilfelle:
- Relativt sikre anslag
- Modellen er testa mot data i området
Ekstrapolasjon: Anslå verdiar utanfor måleområdet.
- Usikre anslag
- Modellen er ikkje testa i dette området
- Risiko for store feil
Tommelfingerregel: Ver forsiktig med ekstrapolasjon, særleg langt utanfor måleområdet!
Ein elev måler temperaturen i ein kopp kaffi medan ho kjølnar ned:
| Tid (min) | Temp (°C) |
|---|---|
| 0 | 80 |
| 5 | 65 |
| 10 | 54 |
| 15 | 45 |
| 20 | 38 |
Eleven bruker lineær regresjon og får modellen .
a) Kva spår modellen for min?
b) Kva er problemet med denne spådommen?
b) Modellen gir negativ temperatur. Det er umogeleg for ein kopp kaffi som står i romtemperatur.
Avkjøling av kaffi følgjer Newtons avkjølingslag:
Temperaturen nærmar seg romtemperaturen og kjem aldri under han. Den lineære modellen er berre god for kort tid.
Dette illustrerer faren ved ekstrapolasjon langt utanfor måleområdet.
Svar: a) C b) Spådommen er fysisk umogeleg: kaffien kan ikkje bli kaldare enn rommet. Den lineære modellen gjeld berre innanfor måleområdet.
1. Fysisk rimelegheit: Gir modellen meining? Kan temperaturen bli negativ?
2. Tidshorisont: Jo lenger ut du ekstrapolerer, jo større usikkerheit.
3. Modellval: Ein modell som passar lokalt, passar ikkje nødvendigvis globalt.
4. Konfidensintervall: Ved ekstrapolasjon bør usikkerheita alltid oppgivast.
Folkemengda i Noreg (i millionar):
| År | Bef. |
|---|---|
| 1900 | 2,2 |
| 1950 | 3,3 |
| 1980 | 4,1 |
| 2000 | 4,5 |
| 2020 | 5,4 |
a) Lag både ein lineær og ein eksponensiell modell.
b) Samanlikn spådommane for år 2050.
c) Kva modell er mest rimelege? Grunngje.
Årleg minimum isutbreiing i Arktis (millionar km):
| År | Is |
|---|---|
| 1980 | 7,8 |
| 1990 | 6,2 |
| 2000 | 6,3 |
| 2005 | 5,6 |
| 2010 | 4,9 |
| 2015 | 4,6 |
| 2020 | 3,9 |
a) Bruk lineær regresjon til å modellere utviklinga.
b) Når spår modellen at Arktis er isfritt om sumaren?
RegLin) gir()
b) Set :
Dette tilsvarar året .
Dette er ein grov ekstrapolasjon. Klimasystem er komplekse, og modellen tek ikkje omsyn til tilbakekoblingsmekanismar eller tiltak mot klimaendringar.
Svar: a) b) Modellen gir isfritt Arktis rundt 2066.
Del av nordmenn med smarttelefon (%):
| År | % |
|---|---|
| 2010 | 30 |
| 2012 | 55 |
| 2014 | 75 |
| 2016 | 85 |
| 2018 | 92 |
| 2020 | 95 |
a) Forklar kvifor verken lineær eller eksponentiell modell passar.
b) Føreslå ein betre modelltype.
Lineær modell: Ville spå over 100 % etter kvart, noko som er umogeleg.
Eksponensiell modell: Veksten avtek når marknaden vert metta. Eksponensiell vekst passar berre i byrjinga.
b) Betre modell: Logistisk vekst
Ein logistisk funksjon flatar ut mot ei øvre grense:
La vere tal år etter 2000. Logistisk regresjon i GeoGebra (RegLogist) gir
()
Den øvre grensa er om lag 95 %. Modellen gir 31, 54, 75, 87, 92 og 94 % for åra i tabellen.
Logistisk vekst kjenneteiknar seg ved:
- Sakte start
- Rask vekst i midtfasen
- Avtakande vekst når metting nærmar seg
Svar: a) Ein lineær modell passerer 100 %, og ein eksponensiell modell veks stadig raskare, medan dataa flatar ut. b) Ein logistisk modell, til dømes .
Straumforbruket i eit hus målt gjennom eit døgn (kWh):
| Kl. | kWh |
|---|---|
| 00 | 0,8 |
| 04 | 0,5 |
| 08 | 2,5 |
| 12 | 1,8 |
| 16 | 3,2 |
| 20 | 2,0 |
a) Kvifor passar ikkje eit polynom av låg grad?
b) Føreslå ein modell som kan fange opp det periodiske mønsteret.
BNP i Noreg (milliardar NOK, faste 2015-prisar):
| År | BNP |
|---|---|
| 2000 | 2450 |
| 2005 | 2750 |
| 2010 | 2900 |
| 2015 | 3100 |
| 2020 | 3050 |
a) Finn ein passande regresjonsmodell.
b) Rekn ut gjennomsnittleg årleg vekstrate.
c) Diskuter kvifor BNP fall i 2020.
Lineær tilpassing (RegLin): ()
Eksponensiell tilpassing (RegEksp): ()
Ingen av modellane fangar opp fallet i 2020.
b) Frå den eksponentielle modellen: , altså om lag 1,1 % per år.
Direkte frå første og siste måling:
c) BNP fall i 2020 på grunn av koronapandemien. Dette er eit døme på eit eksternt sjokk som modellen ikkje kan føreseie. Måledata frå kriseperiodar bør behandlast varsamt i modellering.
Svar: a) (eller ) b) om lag 1,1 % per år c) Koronapandemien, eit ytre sjokk som ingen av modellane fangar opp.
Målt effekt (kW) frå ei vindturbin ved ulike vindfarter:
| v (m/s) | P (kW) |
|---|---|
| 3 | 15 |
| 5 | 70 |
| 7 | 190 |
| 9 | 400 |
| 11 | 730 |
| 13 | 1200 |
a) Forklar teoretisk kva for samanheng vi ventar.
b) Test hypotesen med regresjon.
Teorien seier at vindkraft følgjer:
der er vindhastigheita. Vi forventar altså .
b) Test med regresjon
Vi bruker potensregresjon eller tilpassar .
Potensregresjon i GeoGebra (RegPot) gir
Eksponenten stadfestar teorien.
Svar: a) Vi forventar . b) Regresjonen gir , så dataa stemmer godt med at effekten er proporsjonal med .
Bilen sitt drivstofforbruk (liter/mil) ved ulike hastigheiter:
| Hastigheit (km/h) | Forbruk (l/mil) |
|---|---|
| 50 | 0,52 |
| 70 | 0,48 |
| 90 | 0,50 |
| 110 | 0,58 |
| 130 | 0,72 |
a) Finn eit andregradspolynom som modellerer forbruket.
b) Ved kva hastigheit er forbruket lågast?
Presentasjon av resultat
Når du presenterer ein matematisk modell, bør du inkludere:
1. Datakjelda: Kvar kjem dataa frå? Er dei pålitelege?
2. Modellval: Kva type modell vart vald og kvifor?
3. Parametrane til modellen: Skriv ut funksjonen med koeffisientar.
4. Tilpassingsmål: Oppgi eller andre kvalitetsmål.
5. Grafisk framstilling: Vis data og modell saman.
6. Residualanalyse: Er det systematiske avvik?
7. Gyldigheitsområde: Kvar gjeld modellen?
8. Usikkerheit: Vurder avgrensingar og usikkerheit.
Skriv ein kort rapport for folketalsmodellen frå Eksempel 1.
Data
Folketal (i tusen) for byen i perioden 2010–2020, frå Eksempel 1.
Modellval
Lineær modell, fordi dataa viser jamn vekst utan akselerasjon.
Modell
der er tal på år etter 2010 og er folket i tusen.
Tilpassing
, svært god tilpassing.
Residualanalyse
Residuala viser ikkje noko systematisk mønster og er alle under 0,15 (tusen).
Gyldigheitsområde
Modellen er gyldig for interpolasjon i perioden 2010–2020. Ekstrapolasjon meir enn 5–10 år fram er usikker.
Konklusjon
Folketalet veks med ca. 1000 personar per år. Modellen kan brukast til kortsiktige prognosar.
Svar: Rapporten over: lineær modell med og små residualar utan mønster, gyldig for 2010–2020 og berre for korte prognosar utanfor perioden.
Skriv ein kort modellrapport for eitt av dei tidlegare eksempla (bakterievekst, CO2-konsentrasjon, eller vindkraft). Inkluder alle punkta frå seksjonen om presentasjon.
Tabellen viser oppdikta tal for iskremsal og drukningsulukker i eit land:
| År | Iskremsalg (mill. dollar) | Drukningsulykker |
|---|---|---|
| 2015 | 6,8 | 3200 |
| 2016 | 7,2 | 3400 |
| 2017 | 7,5 | 3550 |
| 2018 | 7,9 | 3700 |
| 2019 | 8,3 | 3850 |
a) Finn korrelasjonen mellom iskremsalg og drukningsulykker.
b) Betyr dette at iskrem forårsaker drukning?
KorrelasjonsKoeffisient(A1:B5) i GeoGebra gir
(svært sterk positiv korrelasjon)
b) Kausalitet?
Nei! Dette er eit klassisk eksempel på spuriøs korrelasjon.
Begge variablane vert påverka av ein tredje faktor: varmt vêr.
- Når det er varmt, et folk meir iskrem
- Når det er varmt, badar fleire menneske, og dermed skjer fleire drukningsulykker
Korrelasjon inneber ikkje kausalitet. Sjølv ein perfekt matematisk samanheng betyr ikkje at den eine variabelen forårsaker den andre.
Svar: a) b) Nei. Begge variablane vert styrte av ein tredje faktor, varmt vêr.
Kva type regresjon (lineær, eksponensiell, polynomisk eller logistisk) ville du brukt for følgjande situasjonar? Grunngje valet.
a) Høgda til ei plante som funksjon av tid (frå spire til fullvaksen plante)
b) Farten til ein bil som akselererer frå stillstand, dei første sekunda
c) Folkevekst i eit utviklingsland
d) Temperatur i ein steikeomn som vert varma opp
Eit firma måler talet på selde einingar av eit nytt produkt:
| Maned | Salg |
|---|---|
| 1 | 120 |
| 2 | 180 |
| 3 | 260 |
| 4 | 350 |
| 5 | 420 |
| 6 | 470 |
a) Finn både lineær og andregradstilpassing.
b) Rekn ut for begge modellane.
c) Kva for modell spår mest sal i månad 12?
Vassføringa i ei elv (i ) varierer gjennom året:
| Månad | |
|---|---|
| Jan | 25 |
| Mar | 41 |
| Mai | 41 |
| Jul | 25 |
| Sep | 9 |
| Nov | 9 |
Ein sinusmodell som passar med dataa, er
der er tal på månadar etter januar.
Rekn ut total vassmengd som renn forbi i løpet av eit år.
Total vassmengd er integralet av vassføringa over eitt år (12 månadar):
For å få :
Svar: Ca. 780 millionar kubikkmeter vatn renn forbi i løpet av året.
(i tusen)
der er talet på år etter 2000.
a) Finn og tolk denne.
b) Når er folketalsveksten størst?
La . Då er .
Tolking: er vekstraten (tal på tusen nye innbyggjarar per år).
b) Maksimal vekst
For logistisk vekst er veksten maksimal når , altså .
Svar: a) , vekstfarten i tusen innbyggjarar per år. b) Folkeveksten er størst rundt år 2022.
der er tid i timar og er i grader Celsius.
a) Kva er starttemperaturen?
b) Kva nærmar temperaturen seg når ?
c) Finn og tolk forteiknet.
d) Når synk temperaturen raskast?
for
der er timar etter soloppgang og er i watt.
a) Når er effekten maksimal?
b) Rekn ut total energiproduksjon gjennom dagen (i kWh).
Nedanfor er temperaturen i ein innsjø målt på ulike djup om sumaren:
| Djup (m) | Temp (°C) |
|---|---|
| 0 | 22 |
| 2 | 21 |
| 4 | 18 |
| 6 | 12 |
| 8 | 8 |
| 10 | 6 |
a) Finn ein passande regresjonsmodell (prøv både lineær, eksponensiell og polynom).
b) Rekn ut gjennomsnittstemperaturen i dei øvste 10 metrane ved integrasjon.
c) Bruk derivasjon til å finne ved kva djup temperaturen synk raskast.
Gjør dette i GeoGebra
Start med å skrive inn dette, én linje om gangen:
L1 = {0, 2, 4, 6, 8, 10}
L2 = {22, 21, 18, 12, 8, 6}Med språket satt til norsk forstår GeoGebra kommandonavnene både på norsk og engelsk.
Oppsummering
I dette kapitlet har du lært:
Regresjonstypar:
- Lineær: - for jamn vekst/nedgang
- Eksponentiell: - for prosentvis vekst
- Polynomisk: - for meir komplekse mønster
Modellvurdering:
- Bruk for å måle tilpassing
- Analyser residualar for systematiske avvik
- Vurder fysisk rimelegheit
Interpolasjon vs ekstrapolasjon:
- Interpolasjon (innanfor data): Relativt sikkert
- Ekstrapolasjon (utanfor data): Krev forsiktigheit
Presentasjon:
- Oppgi datakjelde og modellval
- Vis graf med data og modell
- Diskuter gyldigheitsområde og usikkerheit
Derivasjon og integrasjon:
- Derivasjon gir endringsrate
- Integrasjon gir totalmengder
Dette kapitlet er skrevet av Anthropics toppmodeller (Claude Opus og Claude Fable) og er foreløpig ikke manuelt gjennomgått — kvalitetskontrollen gjøres av uavhengige KI-agenter, og innmeldte feil rettes fortløpende. Funnet en feil? Meld fra, så retter vi den. Les mer om hvordan innholdet lages.
