式展開

間違いしかありません.コメントにてご指摘いただければ幸いです(気が付いた点を特に断りなく頻繁に書き直していますのでご注意ください).

ポアンカレ計量による距離ではX軸に沿った移動では線分が最短にならない

計量による距離

g(x,y)(v,w)=v,wy2,x,y=i=1nxiyiγ(t)=(x(t),y(t))γ,t,γ(a),γ(b)γ(t)=(x(t),y(t))(x(t),y(t))L(γ)=abg(γ(t),γ(t))γ=abγ(t),γ(t)y2dt=abγ(t),γ(t)y2dt=ab||γ(t)||ydt||x||=x,x

(cos(θ),sin(θ))から (cos(θ),sin(θ))までの線分で移動(ただしθ(0,π2))

γ3(t)=((x1x0)t+x0,(y1y0)t+y0)=((cos(θ)cos(θ))t+cos(θ),(sin(θ)sin(θ))t+sin(θ))=((12t)cos(θ),sin(θ))γ3(t)=(2cos(θ),0)L3=L(γ3)=01||γ3(t)||y(t)dt=01(2cos(θ))2+02sin(θ)dt=012cos(θ)sin(θ)dt=012tan(θ)dt=2tan(θ)01dt=2tan(θ)[t]01=2tan(θ)[10]=2tan(θ)1=2tan(θ)

(cos(θ),sin(θ))から (cos(θ),sin(θ))まで,原点を中心とした半径1の円弧で移動(ただし θ(0,π2))

γ4(t)=(cos(θ+(π2θ)t),sin(θ+(π2θ)t))γ4(t)=((π2θ)sin(θ+(π2θ)t),(π2θ)cos(θ+(π2θ)t))L4=L(γ4)=01||γ4(t)||y(t)dt=01((π2θ)sin(θ+(π2θ)t))2+((π2θ)cos(θ+(π2θ)t))2sin(θ+(π2θ)t)dt=01(π2θ)2(sin2(θ+(π2θ)t)+cos2(θ+(π2θ)t))sin(θ+(π2θ)t)dt=01(π2θ)21sin(θ+(π2θ)t)dt=01π2θsin(θ+(π2θ)t)dt=01αsin(β+αt)dt=βα+βαsin(u)1αdu=[ln|tan(u2)|]βα+β1sin(x)dx=ln|tan(x2)|+C=[ln|tan(u2)|]θπ2θ+θ=[ln|tan(u2)|]θπθ=ln|tan(πθ2)|ln|tan(θ2)|=ln|tan(πθ2)tan(θ2)|=ln|cot(θ2)tan(θ2)|=ln|1tan2(θ2)|=ln|tan2(θ2)|=2ln|tan(θ2)|

L3L4

L3L4={2tan(θ)}{2ln(tan(θ2))}=2{1tan(θ)+ln(tan(θ2))}ddθ(L3L4)=2{1sin2(θ)+12cos(θ2)sin(θ2)}=2{1sin2(θ)+1sin(θ)}=2{1sin2(θ)+1sin(θ)sin(θ)sin(θ)}=2{1sin2(θ)+sin(θ)sin2(θ)}=2{sin(θ)1sin2(θ)}0θ(0,π2)(1,0)limθπ20L3L4=0limθπ201tan(θ)=0limθπ20ln(tan(θ2))=0L3L40θ(0,π2)()θ=π20

まとめ

ポアンカレ計量では水平の線分より,x軸から離れる側となる円弧に沿った経路の方が短いことになる.
これは境界xy=0に近いほど計量中にある1y2の効果で値が大きくなり,距離としては長くなることが影響した結果.

ポアンカレ計量による距離でもY軸に沿った移動なら線分が最短になる

計量による距離

g(x,y)(v,w)=v,wy2,x,y=i=1nxiyiγ(t)=(x(t),y(t))γ,t,γ(a),γ(b)γ(t)=(x(t),y(t))(x(t),y(t))L(γ)=abg(γ(t),γ(t))γ=abγ(t),γ(t)y2dt=abγ(t),γ(t)y2dt=ab||γ(t)||ydt||x||=x,x

(0,y0)から(0,y1)までの線分γ1

γ1(t)=(0,(y1y0)t+y0)t[0,1]γ1(t)=(0,y1y0)L1=L(γ1)=01||γ1(t)||y(t)dt=0102+(y1y0)2(y1y0)t+y0dt=01y1y0(y1y0)t+y0dt=y0y1y1y0u1y1y0du=y0y11udu=[log(u)]y0y1=log(y1)log(y0)=log(y1y0)

(0,y0)から(0,y1)までの任意の曲線γ2

γ2(t)=(x(t),y(t))t[0,1]γ2(t)=(x(t),y(t))L2=L(γ2)=01||γ2(t)||y(t)dt=01x(t)2+y(t)2y(t)dt01y(t)2y(t)dtx(t)2(0)=01|y(t)|y(t)dt=[log(y(t))]01=log(y(1))log(y(0))=log(y1)log(y0)=log(y1y0)=L1L2L1y

独立なガウス分布に従う誤差を含む回帰モデルがn個の同時確率を考える

独立なガウス分布N(μi,σi2)に従う誤差ϵiを含む回帰モデルyi=βxi+α+ϵin個の同時確率を考える

準備

x¯=1ni=1nxiy¯=1ni=1nyii=1n(xix¯)(yiy¯)=i=1n(xiyixiy¯x¯yi+x¯y¯)=i=1nxiyiy¯i=1nxix¯i=1nyi+x¯y¯i=1n1=i=1nxiyiy¯nx¯x¯ny¯+x¯y¯n=i=1nxiyi2nx¯y¯+nx¯y¯=i=1nxiyinx¯y¯Sxyi=1n(xix¯)2=i=1n(xi22xix¯+x¯2)=i=1nxi22x¯i=1nxi+x¯2i=1n1=i=1nxi22x¯nx¯+x¯2n=i=1nxi22nx¯2+nx¯2=i=1nxi2nx¯2Sxx

同時確率を考える

p(ϵ1,ϵ2,,ϵn)=12πσ12e(ϵ1μ1)22σ12×12πσ22e(ϵ2μ2)22σ22××12πσn2e(ϵnμn)22σn2=(i=1n12πσi2)(i=1ne(ϵiμi)22σi2)=(i=1n(2πσi2)12)(i=1ne(yiβxiαμi)22σi2)yi=βxi+α+ϵi,ϵi=yiβxiα

負の対数によって情報量を求める

ln(p)=ln((i=1n(2πσi2)12)(i=1ne12σi2(yiβxiαμi)2))=ln(i=1n(2πσi2)12)ln(i=1ne12σi2(yiβxiαμi)2)=i=1nln((2πσi2)12)i=1nln(e12σi2(yiβxiαμi)2)=i=1n{12ln(2πσi2)}i=1n(12σi2(yiβxiαμi)2)=i=1n{12ln(2πσi2)}+i=1n12σi2(yiβxiαμi)2=i=1n{12ln(2πσi2)}+i=1n12σi2(yi2+β2xi2+α2+μi22βxiyi2αyi2yiμi+2αβxi+2βxiμi+2αμi)

回帰モデルの係数で微分する

βについて. β(ln(p))=0+i=1n12σi2(0+2βxi2+0+02xiyi00+2αxi+2xiμi+0)=i=1n1σi2(βxi2xiyi+αxi+xiμi)=βi=1nxi2σi2i=1nxi(yiαμi)σi2 αについて. α(ln(p))=0+i=1n12σi2(0+0+2α+002yi0+2βxi+0+2μi)=i=1n1σi2(αyi+βxi+μi)=αi=1n1σi2i=1nyiβxiμiσi2

微分が0となるα^,β^,つまり極値となるパラメータを求める

β^について. 0=β(ln(p))=β^i=1nxi2σi2i=1nxi(yiα^μi)σi2β^i=1nxi2σi2=i=1nxi(yiα^μi)σi2β^=i=1nxi(yiα^μi)σi2i=1nxi2σi2 α^について. 0=α(ln(p))=α^i=1n1σi2i=1nyiβ^xiμiσi2α^i=1n1σi2=i=1nyiβ^xiμiσi2α^=i=1nyiβ^xiμiσi2i=1n1σi2

誤差の発生が全て同一モデルϵiN(0,σ2)から発生しているとする

α^について. α^=1σ2i=1n(yiβ^xi0)nσ2ϵiN(0,σ2)=1ni=1n(yiβ^xi)=i=1nyinβ^i=1nxin=y¯β^x¯ β^について. β^=1σ2i=1nxi(yiα^0)1σ2i=1nxi2ϵiN(0,σ2)=i=1nxiyiα^i=1nxii=1nxi2=i=1nxiyiα^nx¯i=1nxi2=i=1nxiyi(y¯β^x¯)nx¯i=1nxi2α^=y¯β^x¯,α^=i=1nxiyinx¯y¯+β^nx¯2i=1nxi2β^β^nx¯2i=1nxi2=i=1nxiyinx¯y¯i=1nxi2β^(i=1nxi2nx¯2i=1nxi2)=i=1nxiyinx¯y¯i=1nxi2β^=i=1nxiyinx¯y¯i=1nxi2nx¯2=i=1n(xix¯)(yiy¯)i=1n(xix¯)2

まとめ

{β^=i=1nxiyinx¯y¯i=1nxi2nx¯2=i=1n(xix¯)(yiy¯)i=1n(xix¯)2α^=y¯β^x¯