YaChudo

Вагова функція

Переглядів: 0. Оновлено 04.11.2026.

Вагова функція — спеціальна математична конструкція, яка використовується при підсумовуванні, інтегруванні чи усередненні, щоб надати більшої «ваги» певним елементам в кінцевому результаті порівняно з іншими елементами[1]. Потреба у введені таких функцій часто виникає в статистиці та математичному аналізі. Поняття вагової функції тісно пов'язане з теорією міри. Вагові функції можуть використовуватись як із дискретними, так і з неперервними величинами.

Дискретний випадок

Дискретна вагова функція w : A → R + {\displaystyle w:A\to {\mathbb {R} }^{+}}  — невід'ємна функція, визначена на дискретній множині значень A {\displaystyle A} , яка зазвичай скінченна або зліченна. Одинична вагова функція w ( a ) := 1 {\displaystyle w(a):=1} відповідає звичайному, незваженому випадку, коли всі елементи мають однакову вагу.

Нехай задано деякий набір дійсних значень, які занумеровані елементами множини A {\displaystyle A} :

{ f ( a ) , a ∈ A } . {\displaystyle \{f(a),a\in A\}.}

Тоді звичайна незважена сума елементів f ( a ) {\displaystyle f(a)} по множині A {\displaystyle A} визначається як

S = ∑ a ∈ A f ( a ) . {\displaystyle S=\sum _{a\in A}f(a).}

У зваженій сумі з вагою w {\displaystyle w} , ми кожному елементу f ( a ) {\displaystyle f(a)} надаємо відповідну вагу w ( a ) {\displaystyle w(a)} , домножуючи його на значення ваги, і тоді зважена сума визначається таким чином:

S w = ∑ a ∈ A f ( a ) w ( a ) . {\displaystyle S_{w}=\sum _{a\in A}f(a)w(a).}

Незваженим середнім значенням по скінченній множині A {\displaystyle A} називається сума вигляду

1 | A | ∑ a ∈ A f ( a ) {\displaystyle {\frac {1}{|A|}}\sum _{a\in A}f(a)} ,

де | A | {\displaystyle |A|}  — потужність множини A {\displaystyle A} , тобто кількість її елементів.

У зваженому середньому потужність | A | {\displaystyle |A|} замінюють на зважену потужність, суму ваг всіх елементів

∑ a ∈ A w ( a ) . {\displaystyle \sum _{a\in A}w(a).}

Зважене середнє арифметичне у такому випадку визначається як

f ¯ = ∑ a ∈ A f ( a ) w ( a ) ∑ a ∈ A w ( a ) . {\displaystyle {\bar {f}}={\frac {\sum _{a\in A}f(a)w(a)}{\sum _{a\in A}w(a)}}.}

Застосування

Термін вагова функція виник з механіки: при обчисленні цента мас системи з n {\displaystyle n} точкових тіл з масами w 1 , … , w n {\displaystyle w_{1},\ldots ,w_{n}} , центри мас яких розміщенні в точках з координатами x 1 , … , x n {\displaystyle {\boldsymbol {x}}_{1},\ldots ,{\boldsymbol {x}}_{n}} центр мас системи буде розміщений в точці з координатами

∑ i = 1 n w i x i ∑ i = 1 n w i {\displaystyle {\frac {\sum _{i=1}^{n}w_{i}{\boldsymbol {x}}_{i}}{\sum _{i=1}^{n}w_{i}}}} ,

яку можна інтерпретувати як середнє зважене координат x i {\displaystyle {\boldsymbol {x}}_{i}} .

Найпоширеніші області застосування зважених сум — чисельне інтегрування та цифрова фільтрація сигналів.

Зважені суми використовуються у задачах багатокритеріальної оптимізації для переходу від декількох часткових критеріїв оптимальності до єдиного інтегрального критерію, який часто є зваженою сумою часткових критеріїв[2].

Також широко застосовуються у економіко-математичних методах аналізу даних та задачах машинного навчання.

Зважене середнє часто використовується у статистиці для компенсації похибок в оцінках. Нехай, для істинного значення f {\displaystyle f} , отримано незалежно один від одного декілька значень f i {\displaystyle f_{i}} з дисперсіями σ i 2 {\displaystyle \sigma _{i}^{2}} , тоді найкраще наближення істинного значення отримуємо як середнє зважене часткових результатів з вагами w i = 1 σ i 2 {\displaystyle w_{i}={\frac {1}{\sigma _{i}^{2}}}} : дисперсія так отриманого наближення буде меншою за кожну з часткових дисперсій σ 2 = 1 / ∑ w i {\displaystyle \sigma ^{2}=1/\sum w_{i}} . Також застосовується в методі максимальної правдоподібності.

Неперервний випадок

У випадку неперервних величин, вагова функція — міра w ( x ) d x {\displaystyle w(x)dx} задана в деякій області Ω {\displaystyle \Omega } . Міру, в певному сенсі, можна вважати узагальненням поняття вагової функції.

У випадку якщо Ω {\displaystyle \Omega } є підмножиною евклідового простору R n {\displaystyle {\mathbb {R} }^{n}} , то під d x {\displaystyle dx} розуміють міру Лебега на R n {\displaystyle {\mathbb {R} }^{n}} , а w : Ω → R + {\displaystyle w:\Omega \to \mathbb {R} ^{+}}  — невід'ємна функція. В даному контексті вагова функція w ( x ) {\displaystyle w(x)} часто розуміється як густина.

Нехай f : Ω → R {\displaystyle f:\Omega \to {\mathbb {R} }}  — дійснозначна функція, то окрім незваженого інтеграла

∫ Ω f ( x )   d x {\displaystyle \int _{\Omega }f(x)\ dx}

можна розглядати зважений інтеграл

∫ Ω f ( x ) w ( x ) d x . {\displaystyle \int _{\Omega }f(x)w(x)\,dx.}

Оскільки за означенням інтеграл

v o l ( E ) := ∫ E 1   d x , E ⊂ Ω , {\displaystyle \mathrm {vol} (E):=\int _{E}1\ dx,\quad E\subset \Omega ,}

виступає як об'єм множини E {\displaystyle E} , то можна ввести поняття зваженого об'єму

v o l w ( E ) := ∫ E w ( x )   d x {\displaystyle \mathrm {vol} _{w}(E):=\int _{E}w(x)\ dx}

та, відповідно, зваженого середнього значення функції f {\displaystyle f} по множині E {\displaystyle E} :

∫ Ω f ( x )   w ( x ) d x ∫ Ω w ( x )   d x = 1 v o l w ( E ) ∫ Ω f ( x ) w ( x ) d x . {\displaystyle {\frac {\int _{\Omega }f(x)\ w(x)dx}{\int _{\Omega }w(x)\ dx}}={\frac {1}{\mathrm {vol} _{w}(E)}}\int _{\Omega }f(x)w(x)dx.}

Введення вагової функції дозволяє узагальнити поняття інтеграла, як границі відповідної зваженої суми. Такі узагальнення інтеграла часто використовують у статистиці, теорії випадкових процесів, теорії стохастичних диференціальних рівнянь.

У випадку, коли міра є дискретною, ми отримуємо попередній дискретний випадок — всі інтеграли замінюються підсумовуванням.

Скалярний добуток

Нехай f : Ω → R {\displaystyle f:\Omega \to {\mathbb {R} }} та g : Ω → R {\displaystyle g:\Omega \to {\mathbb {R} }}  — дві задані функції. Тоді крім звичайного скалярного добутку

⟨ f , g ⟩ := ∫ Ω f ( x ) g ( x )   d x {\displaystyle \langle f,g\rangle :=\int _{\Omega }f(x)g(x)\ dx}

можна розглядати зважений скалярний добуток[3]

⟨ f , g ⟩ := ∫ Ω f ( x ) g ( x )   w ( x ) d x . {\displaystyle \langle f,g\rangle :=\int _{\Omega }f(x)g(x)\ w(x)dx.}

Прикладами зважених ортогональних функцій (у просторі L 2 {\displaystyle L^{2}} ) є ортогональні поліноми і пов'язані з ними функції, а також ряд інших спеціальних функцій.

Див. також

Примітки

  1. ↑ Архівована копія. Архів оригіналу за 28 березня 2020. Процитовано 28 березня 2020.{{cite web}}: Обслуговування CS1: Сторінки з текстом «archived copy» як значення параметру title (посилання)
  2. ↑ Архівована копія. Архів оригіналу за 28 березня 2020. Процитовано 28 березня 2020.{{cite web}}: Обслуговування CS1: Сторінки з текстом «archived copy» як значення параметру title (посилання)
  3. ↑ Бейтмен, 1974, с. 156.

Література

  • Виноградов И.М. Математическая энциклопедия. — М. : Сов. энциклопедия, 1977. — Т. 1. — С. 662.
  • Бейтмен Г., Эрдейи А. Высшие трансцендентные функции. — М. : Наука, 1974. — Т. 2. — 296 с.

Посилання

Джерело: стаття у Вікіпедії та історія редагувань (автори).