Геометрія забезпечує розуміння, а класичні нерівності дозволяють легко отримати доступ до суворості.
Геометричне рішення
З геометрії найменших квадратів ми знаємо, що є ортогональною проекцією вектора даних на лінійну підпростору, породжену постійним вектором і що прямо пропорційна відстані (евклідова) між і Обмеження, що не мають негативу, є лінійними, а відстань - це опукла функція, звідки крайності відстані повинні досягатися на краях конуса, визначених обмеженнями. Цей конус є позитивним ортантом уx=(x1,x2,…,xn)(1,1,…,1)σxx ˉ x .x¯=(x¯,x¯,…,x¯)x=(x1,x2,…,xn)(1,1,…,1)σxxx¯.Rnі його краї є осями координат, звідки відразу випливає, що всі, крім однієї з повинні бути нульовими на максимальних відстанях. Для такого набору даних прямий (простий) розрахунок показуєσ x / ˉ xxiσx/x¯=n−−√.
Рішення, що використовує класичні нерівності
σx/x¯ оптимізується одночасно з будь-яким монотонним перетворенням. З огляду на це, давайте максимізувати
x21+x22+…+x2n(x1+x2+…+xn)2=1n(n−1n(σxx¯)2+1)=f(σxx¯).
(Формула для може виглядати загадковою, поки ви не зрозумієте, що вона лише записує кроки, які б здійснив алгебраїчно маніпулюючи щоб перетворити його в просту форму, яка є лівою стороною.)fσx/x¯
Простий шлях починається з нерівності власника ,
x21+x22+…+x2n≤(x1+x2+…+xn)max({xi}).
(Для цього не потрібно спеціального доказування в цьому простому контексті: просто замініть один коефіцієнт кожного доданка на максимальний компонент : очевидно, сума квадратів не зменшиться. З загального терміна виходить права частина нерівності.)x2i=xi×ximax({xi})max({xi})
Оскільки не всі (це залишить невизначеним), ділення на квадрат їх суми є дійсним і дає еквівалентну нерівністьxi0σx/x¯
x21+x22+…+x2n(x1+x2+…+xn)2≤max({xi})x1+x2+…+xn.
Оскільки знаменник не може бути меншим за чисельник (що саме є лише одним із доданків у знаменнику), у правій частині домінує значення , яке досягається лише тоді, коли всі, крім одного з дорівнюють . Звідси1xi0
σxx¯≤f−1(1)=(1×(n−1))nn−1−−−−−−−−−−−−−−−√=n−−√.
Альтернативний підхід
Оскільки неотрицательний і не може дорівнювати , значення визначають розподіл ймовірності на . Записуючи для суми , визнаємоxi0p(i)=xi/(x1+x2+…+xn)F{1,2,…,n}sxi
x21+x22+…+x2n(x1+x2+…+xn)2=x21+x22+…+x2ns2=(x1s)(x1s)+(x2s)(x2s)+…+(xns)(xns)=p1p1+p2p2+…+pnpn=EF[p].
Аксіоматичний факт, що жодна ймовірність не може перевищувати означає, що це очікування також не може перевищувати , але легко зробити його рівним , встановивши все, окрім одного з рівного а тому точно один з є ненульовим. Обчисліть коефіцієнт варіації, як в останньому рядку геометричного рішення вище.111pi0xi