Et eksempel fra STX 2.g
SRO om Mindste kvadraters metode i Matematik og Kemi
Brug materialet til at undersøge opbygning, metode og faglige valg.
Lær af eksemplet på 15 minutter
Læs med de tre spørgsmål herunder, og skriv et kort svar på hvert, gerne med et sidetal. Så har du noget konkret at tage med over i din egen opgave.
- 4 min
Find de to fag i problemformuleringen. Hvilket spørgsmål skal hvert fag svare på?
- 4 min
Find det sted, hvor opgaven skriver om metode. Kan du se, hvordan det ene fag arbejder anderledes end det andet?
- 4 min
Læs konklusionen. Find et resultat, der kun kunne komme frem, fordi fagene blev brugt sammen.
- 3 min
Din egen opgave: Har din egen SRO en sætning, der siger, hvad hvert fag kan, som det andet ikke kan?
Skal du selv skrive SRO? Metoden står her: SRO i kemi
Om opgaven
Ophavet er ikke dokumenteret for denne post. Katalogoplysninger: STX 2.g, SRO, Kemi B, Matematik A, 10 sider. Brug materialet til at se, hvordan teksten er bygget op, og hvilke faglige valg der er truffet.
Skriver du selv SRO i 2.g? Læs, hvordan du gør hvert fags bidrag synligt, før det gælder SRP: SRO, generalprøven på din SRP.
Læs, hvilke metoder kemi giver dig, og hvad du kan skrive en stor opgave om: Kemi i gymnasiet.
Hele opgavens tekst
Se originaldokumentetLæs teksten direkte her på siden. Figurer og den præcise opsætning af tabeller og formler finder du i originaldokumentet.
Gå til en side
Side 1
STX 2.g
SRO, Matematik & Kemi
[navn fjernet] & [navn fjernet]
Side 1 af 10
Abstract
The study investigates aims to demonstrate the deduce of least squares method and linear regression through the use of emissions, to count regression on different experiments in chemistry. Through two chemical experiments, we have results which we use for regression. In this way, we have shown that our mathematical approach of least squares method. The results say that there are a significant relationship between linear regression and the chemical graphs. These chemical graphs have proved to fit similar to calculations drawn from the least squares method.
Finally, I evaluate and concluded on the use of our methods, was correct.
Side 2
SRO, Matematik & Kemi
[navn fjernet] & [navn fjernet]
Side 2 af 10
Indholdsfortegnelse
Side 1 Indledning
Side 1 Regression & mindste kvadraters metode
Side 2 Udledning af mindste kvadraters metode
Side 3 Kobberindhold i en 50-øre
Side 4 Databehandling af kobberindhold i en 50-øre
Side 5 Opløselighedsdiagram for kaliumchlorat
Side 6 Samlet konklusion og underskrift
Side 7 Henvisninger
Side 8 Litteraturliste
Side 9 Bilag
Side 3
SRO, Matematik & Kemi
[navn fjernet] & [navn fjernet]
Side 3 af 10 d (x,y)
1 d (x,y)
2 d
3 (x,y)
y = ax
Indledning
De fleste kender regression fra deres TI-89 lommeregner, men regression er faktisk også noget end bare at være en knap på en lommeregner. Der ligger en del teori bag regressionsanalysen, blandt andet ”mindste kvadraters metode”. Jeg vil på de følgende side redegøre for mindste kvadraters metode, og ved hjælp af mindste kvadraters metode, vil jeg foretage regressionsanalyse af mine data som jeg har fået ud fra mine kemiske forsøg. Derved vil jeg vise at regression ikke bare er en knap på lommeregneren, men faktisk er noget man kan bruge i praksis.
Regression & Mindste Kvadraters Metode
Regression kan bruges til at finde en sammenhæng mellem en afhængig variabel i vores tilfælde a, og én eller flere uafhængige variable. Når man bruger regression prøver man at finde en sammenhæng mellem de forskellige data og den model som er bedst tilnærmet. Dette gøres vha. r, som er kvadratet af korrelationskoefficienten. Prøver man forskellige typer regressioner (fx eksponentiel, lineær) på
dataene, kan der udregnes r^{1} som er mindste kvadraters metode. Er r tæt ved 1, har man måske denmest præcise graf og resultat. Man kan desværre komme ud for, at r er tæt på 1, uden at punkterne nødvendigvis ligger pænt på en ret linje, så man skal altid have en graf at kigge efter på.
Regression er en matematisk model, der bruges til at beskrive talmateriale. Under regression hører lineær- eksponentiel- og potensregression. Regression bruges til at bestemme den bedste rette linje for nogle punkter. Regression betyder at gå tilbage, eller bare tilbagegang, dvs. tilbageskrivning, men bruges også til at fremskrive bl.a. når man finder en forskrift.
Lineær regression er en slags model til ”den bedste rette linje”, og metoden hertil kaldes mindste kvadraters metode. Mindste kvadraters metode siger at summen af kvadraterne på de lodrette afstande skal være så lille som muligt. Ud fra dette kan man finde den lodrette afstand mellem punkt, og tendenslinjen. Se figur. D er lig med summen af den lodrette afstands kvadrat fra de målte punkter til den bedste rette linje.
Kort sagt kan man sige at mindste kvadraters metode går ud på at minimere summen af kvadraterne.
Der tages udgangspunkt for nogle punkter i et
koordinatsystem ( ) ( ) ,,, yxyx ,… ( ) yx , , som
2211 nnSide 4
SRO, Matematik & Kemi
[navn fjernet] & [navn fjernet]
Side 4 af 10
man vil bestemme den bedste rette linje til givet ved y = ax
D = d^{2} + d^{2} + d^{2} … + d^{2}1 2 3 n
d^{2} = (y – ax)^{2}i i i
d_{1}^{2} kan også skrives som (y1 –ax1)^{2}∑_{i}_{=}_{1} i^{2}n
Dd =
D sættes som summen af d^{2}i
2
∑_{i}^{n}_{=}_{1}^{()}D y ax_{ii} =−
vi sætter (y -ax)^{2} ind i stedet for d^{2}i i i
2
∑_{i}_{=}^{n}_{1}D a y ax '( ) (( ) )'_{ii} =−vi differentier og sætter lig med 0 da dette må give det mindste areal mellem kvadratet på d og den bedste rette linje.
g a y ax=− ()
iiman laver en sammensat funktion og sætter g(a) til at være den indre f(a) er den ydre.
2 ()f a a=
D a y ax y ax '( ) ((( ) )' ( )')^{2} = − ⋅ −
∑_{i}_{=}^{n}_{1} i i i iMan differentiere i henhold til a hvilket betyder at man forholder sig til a som man normalt forholder sig til x
∑_{i}_{=}^{n}_{1}D a y ax x '( ) (2( ) ( )) = − ⋅ −
ii∑_{i}_{=}^{n}_{1}0 (2( ) ( )) = − ⋅ − y ax x
iiLigningen sættes lig med 0, derefter reducerer og isolerer vi a.
∑_{i}^{n}_{=}_{1}0 ((2 2 ) ( )) = − ⋅ − y ax x
ii0 ( 2 2 ) = − + y x ax^{2}
∑_{i}^{n}_{=}_{1} i i i2
22 = ∑∑ i i i ii == 11
nn y x ax
Her vælger jeg at sætte 2 uden for sum tegnet, så man nemmere kan se at der går lige op.
i = 1
a = a =
n∑_{i}_{=}_{1}^{2}^{ax^{2}} i∑^{2}^{yx} iin
S_{x^{2}}S_{xy}Dette sker fordi S = ∑^{𝑛}_{𝑖=1} 2𝑦_{𝑖} 𝑥_{𝑖} og sådan er det også under brøkstregen.xy
Side 5
SRO, Matematik & Kemi
[navn fjernet] & [navn fjernet]
Side 5 af 10
Skulle man udregne dette for en almindelig lineær funktion ax +b ville det være sværere da man har
to ubekendte a og b. Man ville derfor skulle udregne dem hvor for sig.
Kobberindhold af 50-øre
Teori:
Hvis man opløser en kobberholdig metallegering i salpetersyre vil kobberet omdannes til kobberioner.
Kobberioner er blå. Opløsningens farvestyrke afhænger af hvor meget kobber der er opløst. Ud fra dette kan man bestemme kobberindholdet ved at sammenligne farvestyrken af en møntopløsning med forskellige opløsninger med kendt kobberindhold. Kobber er et ædelt metal, og der derfor meget svær at opløse i almindelig syre. Derfor er forsøget lavet med salpetersyre, der er den stærkeste syre Hvis man skal forstå brugen af vores målemetode, spektofotomerti, skal man også vide lidt om farver.
Hvorfor er væsken blå? Det er den fordi den absorberer alle de andre farver end lige præcis blå. Farven absorberer dog kun synligt lys med en bølgelængde der svarer nogenlunde til blå som er ca. 420-
550nm^{2}. Der er dog andre farver som absorberer farver ved andre bølgelængder. Fx er 550-650nm den
røde nuance som ses ved andre stoffer fx MnO^{-}4
3Cu + 8HNO 🡪 3Cu(NO) + 2NO + 4H O
(s) 3 (aq) 3 2(aq) (g) 2 (l)
Man ser hurtigt at der er tale om en redoxreaktion, hvor salpetersyre er den oxiderende syre. På
3 produktsiden har kobber et oxidationstal
på 2, men på regentsiden har den et oxidationstal på 0. Derfor er salpetersyre et glimrende valg, for som jeg har omtalt tidligere, ligger kobber langt til højre på
spændingsrækken^{4} og der skal derfor en stærk syre til at opløse det – som salpetersyre.Forsøgsbeskrivelsen er at finde i bilag!
Databehandling:
Mønt:
g. kobber: 0,165g
Absorbans: 0,845 A
Antal mL kobberopløsning
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Antal g kobber (x)
0,015 0,030 0,045 0,06 0,075 0,09 0,105 0,120 0,135
Absorbans (y) 0,4 0,106 0,188 0,218 0,322 0,362 0,370 0,478 0,626
Side 6
SRO, Matematik & Kemi
[navn fjernet] & [navn fjernet]
Side 6 af 10
Kobberindholdet i en 50 øre
250mL vand. Møntens y = 4,223x
0
0,1
grafen, i vores tilfælde^{0,2}0,3
0,4
0,5 absorbans bestemmes til at 0,6
0,7
0,8
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16
Kobber (g)
Absorbans (abs)
Serie1
Lineær (Serie1)
Mønten er opløst i en 250mL opløsning. Man kan sige at der er 25 gange mere mønt i den, end i de små reagensglas, da mønten er fortyndet med være 0,845 A
Vi udvælger et punkt på
(0,478;0,120)
Absorbansen er kendt ud fra en formel der hedder:
A=ε ∙ l ∙ c
opl
ε = bølgelændgen
0,478𝐴
Man kan isolere ε 🡪 ε = = = 3,983 l/mol
1 ∙0,120650nm
𝐴 𝑙 ∙𝐶 𝑜𝑝𝑙
Ligeledes kan koncentrationen isoleres:
C = 🡪 = 0,21 mol/L
𝑙
𝜀650𝑛𝑚 ∙𝑙
3,9831
𝑚𝑜𝑙opl
𝐴 0,845𝐴
∙1
Derefter kan kobberindholdet af mønten beregnes således:
m = n ∙M =c ∙ V ∙ M = 0,2121 mol/L ∙ 0,250 L ∙ 63,54 ∙10^{3} mg/mol = 3369,78mgcu cu cu cu opl cu
m_{(mønt)} = 4,3 g 3369,78𝑚𝑔
Cu = ∙ 100 % = 78,36 %
4300𝑚𝑔En 50-øre består altså af 78,36 % kobber.
N
Ved at bruge denne formel ( ) ⋅++⋅+⋅== yxyxyxyxS kan jeg finde mit x i min
NNiixy∑_{i}_{=}_{1} 2211^{...}
ligning: fx 0,015∙0,4 + 0,03∙0,106 + 0,045∙0,188 +… n.. = 0,26817Jeg bruger altså mine observationer hvor g kobber er x, og absorbans er y.
Derefter har vi en regressions formel der hedder: a = xy har vi lige regnet ud til at være 0,26817.
S_{x^{2}}S_{xy}S^{2} udregnes ved at lægge alle x’erne i anden sammen. Fx 0,015^{2} + 0,030^{2} + 0,045^{2} …. n^{2} = 0,064125x
Side 7
SRO, Matematik & Kemi
[navn fjernet] & [navn fjernet]
Side 7 af 10
Opløselighed for kaliumchlorat
y = 2,2484x
stof kan ikke opløses ubegrænset^{0}ved hjælp af varme får opløst alt_{20}Vores teori går ud på at hvis vi_{40}60
80
100 hvis det kommer i forbindelse 120
0 50 60
Opløselighed i g/100 mL
Temperatur (C)
Serie1
Lineær (Serie1)
0,26817
Derefter kan vi sætte det ind i formelen: a= = 4,18
0,064125Vores graf siger at formelen skal hedde 4,223x, mens vores udledning får resultatet 4,18x. Det kan der være mange grunde til, deriblandt er den største nok afrundingsfejl osv.
Fejlkilder er at finde i bilag!
Konklusion:
Vi har ud fra målinger af absorbans og g kobber indhold bestemt kobberindholdet i en 50-øre til at være 78,36 %. De sidste 21 % af mønten består af andre forskellige stoffer, der i blandt tin.
Opløselighedsdiagram for kaliumchlorat
Formål:
Undersøgelsen formål er at bestemme opløseligheden af kaliumchlorat, KCIO, i vand ved
3 forskellige temperaturer.
Forsøgsbeskrivelse findes i bilag!
Teori:
Kaliumchlorat er et hvidt pulver som kan være ret sprængfarlig med visse andre stoffer, men i forbindelse med vand, er det ganske uskadeligt.
kaliumchloraten i vand. Et fast
i en væske^{5}. Der vil altid være engrænse, som svarer til, at opløsningen bliver mættet, i vores tilfælde når vi får opløst alt kaliumchloraten i vandet.
Når vores opløsning afkøler, vil der på et tidspunkt igen ske en dannelse af kaliumchlorat. På det tidspunkt hvor vi igen kan se kaliumchloraten igen, kaldes for ligevægtstemperatur.
Vi kan bestemme opløseligheden for kaliumchlorat i 100mL/g ved denne formel:
𝑇𝑖𝑙𝑠𝑎𝑡 𝐾𝐶𝐿𝑂3 𝑡𝑖𝑙𝑠𝑎𝑡 𝑣𝑎𝑛𝑑 𝑚𝐿
∙ 100mL
Side 8
SRO, Matematik & Kemi
[navn fjernet] & [navn fjernet]
Side 8 af 10
Man kan også se en sammenhæng mellem heterogene og homogene
6 opløsninger . Dette forsøg er et heterogent forsøg, da de to reaktanter ikke er på samme fase.
2KClO + H O 🡪 K O + 2HClO
3 2 2 3
𝑇𝑖𝑙𝑠𝑎𝑡 𝐾𝐶𝐿𝑂3 5𝑔 𝑡𝑖𝑙𝑠𝑎𝑡 𝑣𝑎𝑛𝑑 𝑚𝐿
∙ 100mL eks._{15𝑚𝐿} ∙ 100mL = 33,33gLigesom i forsøget med 50-øren kan vi bestemme en forskrift ud fra regression. Grafen har en formel
der hedder y=2,2484x. Vi kan nu prøve at regne den ud ved hjælp af den matematiske udledning til at
finde x: ( ) ⋅++⋅+⋅== yxyxyxyxS
NNiixy∑_{i}^{N}_{=}_{1} 2211^{...}
5g∙50g + 5g∙33,33g + 5g∙25g +…. n= 847,45
Derefter har vi en regressions formel der hedder: a = xy har vi lige regnet ud til at være 847,45. S^{2}
S_{x^{2}}S_{xy}x
udregnes ved at lægge alle x’erne i anden sammen. Fx 5g^{2} + 5g^{2} + 5g^{2} …. n^{2} = 200 847,45
Derefter kan vi sætte det ind i formelen: a= = 4,23x
200Da vores forskrift næsten er dobbelt så stor som den forskrift vores graf udregner, kan noget tyde på at der ikke er en lineær sammenhæng i dette forsøg. Eftersom at r er en lille smule højere i en ligning svarende til en potens funktion, må vi gå ud fra at grunden til at regressionen med en lineær model ikke virker, er fordi grafen er en potens funktion.
Tilsat vand 10mL 15mL 20mL 30mL 35mL 45mL 50mL 55mL
Tilsat KClO_{3}(x)
5g 5g 5g 5g 5g 5g 5g 5g
Opløselighed i
g/100mL (y)
50g 33,33g 25g 16,67g 14,29g 11,11g 10g 9,09g
Side 9
SRO, Matematik & Kemi
[navn fjernet] & [navn fjernet]
Side 9 af 10
Samlet konklusion:
Ud fra min matematiske udledning af mindste kvadraters metode, har jeg lavet en forskrift der beviser hvordan lineær regression også kan udregnes. Udledningen har jeg brugt på de to forsøg jeg har lavet i kemi, og ud fra det har jeg konkluderet at der i det ene forsøg er en lineær sammenhæng.
Jeg har gennem denne opgave vist at min udledning af mindste kvadraters metode, kan bruges i kemi verdenen.
Side 10
SRO, Matematik & Kemi
[navn fjernet] & [navn fjernet]
Side 10 af 10
9/3-2009
Elevens underskrift:
Se opgaven i originaldokumentet eller gå til tekstens begyndelse.
Materialet
Fuld skærmOpgaven åbner, når du ruller ned til den.