Уравнение регрессии сумма квадратов ошибок

Часть серии по
Регрессивный анализ
Модели
Линейная регрессия Простая регрессия Полиномиальная регрессия Общая линейная модель
Обобщенная линейная модель Дискретный выбор Биномиальная регрессия Бинарная регрессия Логистическая регрессия Полиномиальный логит Смешанный логит Пробит Полиномиальный пробит Заказал логит Заказал пробит Пуассон
Многоуровневая модель Фиксированные эффекты Случайные эффекты Линейная модель смешанных эффектов Нелинейная модель смешанных эффектов
Нелинейная регрессия Непараметрический Полупараметрический Крепкий Квантиль Изотонический Основные компоненты Наименьший угол Местный Сегментированный
Ошибки в переменных
Оценка
Наименьших квадратов Линейный Нелинейный
Обычный Взвешенный Обобщенный
Частичное Общий Неотрицательный Регрессия хребта Регулярный
Наименьшие абсолютные отклонения Итеративно переназначенный Байесовский Байесовский многомерный
Фон
Проверка регрессии Средний и прогнозируемый ответ Ошибки и остатки Доброту соответствия Студентизованный остаток Теорема Гаусса – Маркова
Математический портал

В статистике и оптимизации ошибки и остатки являются двумя тесно связанными и легко путаемыми мерами отклонения наблюдаемого значения элемента статистической выборки от его «теоретического значения». В ошибка (или же беспокойство) наблюдаемого значения — это отклонение наблюдаемого значения от (ненаблюдаемого) истинный значение интересующей величины (например, среднее значение генеральной совокупности), и остаточный наблюдаемого значения — это разница между наблюдаемым значением и по оценкам значение интересующей величины (например, выборочное среднее). Это различие наиболее важно в регрессионном анализе, где концепции иногда называют ошибки регрессии и остатки регрессии и где они приводят к концепции стьюдентизированных остатков.

Вступление

Предположим, что есть серия наблюдений из одномерное распределение и мы хотим оценить иметь в виду этого распределения (так называемый модель местоположения ). В этом случае ошибки — это отклонения наблюдений от среднего по совокупности, а остатки — это отклонения наблюдений от среднего по выборке.

А статистическая ошибка (или же беспокойство) — это величина, на которую наблюдение отличается от ожидаемое значение, последнее основано на численность населения из которого статистическая единица была выбрана случайным образом. Например, если средний рост среди 21-летних мужчин составляет 1,75 метра, а рост одного случайно выбранного мужчины — 1,80 метра, то «ошибка» составляет 0,05 метра; если рост случайно выбранного мужчины составляет 1,70 метра, то «ошибка» составляет -0,05 метра. Ожидаемое значение, являющееся иметь в виду всего населения, обычно не наблюдается, и, следовательно, статистическая ошибка также не может быть обнаружена.

А остаточный (или подходящее отклонение), с другой стороны, является наблюдаемым оценивать ненаблюдаемой статистической ошибки. Рассмотрим предыдущий пример с ростом мужчин и предположим, что у нас есть случайная выборка п люди. В выборочное среднее может служить хорошей оценкой численность населения иметь в виду. Тогда у нас есть:

• Разница между ростом каждого человека в выборке и ненаблюдаемой численность населения означает это статистическая ошибка, в то время как
• Разница между ростом каждого человека в выборке и наблюдаемым образец означает это остаточный.

Обратите внимание, что из-за определения выборочного среднего, сумма остатков в случайной выборке обязательно равна нулю, и, следовательно, остатки обязательно нет независимый. Статистические ошибки, с другой стороны, независимы, и их сумма в пределах случайной выборки равна почти наверняка не ноль.

Можно стандартизировать статистические ошибки (особенно нормальное распределение ) в z-оценка (или «стандартная оценка») и стандартизируйте остатки в т-статистический, или в более общем смысле стьюдентизированные остатки.

В одномерных распределениях

Если предположить нормально распределенный совокупность со средними μ и стандартное отклонение σ, и выбираем индивидуумов независимо, то имеем

и выборочное среднее

случайная величина, распределенная таким образом, что:

В статистические ошибки тогда

с ожидал значения нуля,^[1] тогда как остатки находятся

Сумма квадратов статистические ошибки, деленное на σ², имеет распределение хи-квадрат с п степени свободы:

Однако это количество не наблюдается, так как среднее значение для населения неизвестно. Сумма квадратов остатки, с другой стороны, наблюдается. Частное этой суммы по σ² имеет распределение хи-квадрат только с п — 1 степень свободы:

Эта разница между п и п — 1 степень свободы дает Поправка Бесселя для оценки выборочная дисперсия популяции с неизвестным средним и неизвестной дисперсией. Коррекция не требуется, если известно среднее значение для генеральной совокупности.

Примечательно, что сумма квадратов остатков и средние выборочные значения могут быть показаны как независимые друг от друга, используя, например, Теорема Басу. Этот факт, а также приведенные выше нормальное распределение и распределение хи-квадрат составляют основу расчетов, включающих t-статистика:

куда представляет ошибки, представляет собой стандартное отклонение выборки для выборки размера п, и неизвестно σ, а член знаменателя учитывает стандартное отклонение ошибок согласно:^[2]

Распределения вероятностей числителя и знаменателя по отдельности зависят от значения ненаблюдаемого стандартного отклонения совокупности σ, но σ появляется как в числителе, так и в знаменателе и отменяется. Это удачно, потому что это означает, что даже если мы не знаемσ, мы знаем распределение вероятностей этого частного: оно имеет Распределение Стьюдента с п — 1 степень свободы. Поэтому мы можем использовать это частное, чтобы найти доверительный интервал заμ. Эту t-статистику можно интерпретировать как «количество стандартных ошибок от линии регрессии».^[3]

Регрессии

В регрессивный анализ, различие между ошибки и остатки тонкий и важный, и ведет к концепции стьюдентизированные остатки. При наличии ненаблюдаемой функции, которая связывает независимую переменную с зависимой переменной — скажем, линии — отклонения наблюдений зависимой переменной от этой функции являются ненаблюдаемыми ошибками. Если запустить регрессию на некоторых данных, то отклонения наблюдений зависимой переменной от приспособленный функции — остатки. Если применима линейная модель, диаграмма рассеяния остатков, построенная против независимой переменной, должна быть случайной около нуля без тенденции к остаткам.^[2] Если данные демонстрируют тенденцию, регрессионная модель, вероятно, неверна; например, истинная функция может быть квадратичным полиномом или полиномом более высокого порядка. Если они случайны или не имеют тенденции, но «разветвляются» — они демонстрируют явление, называемое гетероскедастичность. Если все остатки равны или не разветвляются, они демонстрируют гомоскедастичность.

Однако возникает терминологическая разница в выражении среднеквадратичная ошибка (MSE). Среднеквадратичная ошибка регрессии — это число, вычисляемое из суммы квадратов вычисленных остатки, а не ненаблюдаемые ошибки. Если эту сумму квадратов разделить на п, количество наблюдений, результат — это среднее квадратов остатков. Поскольку это пристрастный Для оценки дисперсии ненаблюдаемых ошибок смещение устраняется путем деления суммы квадратов остатков на df = п − п — 1 вместо п, куда df это количество степени свободы (п минус количество оцениваемых параметров (без учета точки пересечения) p — 1). Это формирует несмещенную оценку дисперсии ненаблюдаемых ошибок и называется среднеквадратической ошибкой.^[4]

Другой метод вычисления среднего квадрата ошибки при анализе дисперсии линейной регрессии с использованием техники, подобной той, что использовалась в ANOVA (они такие же, потому что ANOVA — это тип регрессии), сумма квадратов остатков (иначе говоря, сумма квадратов ошибки) делится на степени свободы (где степени свободы равны п − п — 1, где п — количество параметров, оцениваемых в модели (по одному для каждой переменной в уравнении регрессии, не включая точку пересечения). Затем можно также вычислить средний квадрат модели, разделив сумму квадратов модели за вычетом степеней свободы, которые представляют собой просто количество параметров. Затем значение F можно рассчитать, разделив средний квадрат модели на средний квадрат ошибки, и затем мы можем определить значимость (вот почему вы хотите, чтобы средние квадраты начинались с).^[5]

Однако из-за поведения процесса регрессии распределения остатков в разных точках данных (входной переменной) может отличаться даже если сами ошибки одинаково распределены. Конкретно в линейная регрессия где ошибки одинаково распределены, вариативность остатков входных данных в середине области будет выше чем изменчивость остатков на концах области:^[6] линейные регрессии лучше подходят для конечных точек, чем средние. Это также отражено в функции влияния различных точек данных на коэффициенты регрессии: конечные точки имеют большее влияние.

Таким образом, чтобы сравнить остатки на разных входах, необходимо скорректировать остатки на ожидаемую изменчивость остатки, который называется студенчество. Это особенно важно в случае обнаружения выбросы, где рассматриваемый случай чем-то отличается от другого случая в наборе данных. Например, можно ожидать большой остаток в середине домена, но он будет считаться выбросом в конце домена.

Другое использование слова «ошибка» в статистике

Термин «ошибка», как обсуждалось в предыдущих разделах, используется в смысле отклонения значения от гипотетического ненаблюдаемого значения. По крайней мере, два других использования также встречаются в статистике, оба относятся к наблюдаемым ошибкам прогнозирования:

Средняя квадратичная ошибка или же среднеквадратичная ошибка (MSE) и Средняя квадратическая ошибка (RMSE) относятся к количеству, на которое значения, предсказанные оценщиком, отличаются от оцениваемых количеств (обычно за пределами выборки, на основе которой была оценена модель).

Сумма квадратов ошибок (SSE или же SS_е), обычно сокращенно SSE или SS_е, относится к остаточная сумма квадратов (сумма квадратов остатков) регрессии; это сумма квадратов отклонений фактических значений от прогнозируемых значений в пределах выборки, используемой для оценки. Это также называется оценкой наименьших квадратов, когда коэффициенты регрессии выбираются таким образом, чтобы сумма квадратов была минимальной (т. Е. Ее производная равна нулю).

Точно так же сумма абсолютных ошибок (SAE) — сумма абсолютных значений остатков, которая минимизируется в наименьшие абсолютные отклонения подход к регрессу.

Смотрите также

Рекомендации

• Кук, Р. Деннис; Вайсберг, Сэнфорд (1982). Остатки и влияние на регресс (Ред. Ред.). Нью-Йорк: Чепмен и Холл. ISBN  041224280X. Получено 23 февраля 2013.
• Кокс, Дэвид Р.; Снелл, Э. Джойс (1968). «Общее определение остатков». Журнал Королевского статистического общества, серия B. 30 (2): 248–275. JSTOR  2984505.
• Вайсберг, Сэнфорд (1985). Прикладная линейная регрессия (2-е изд.). Нью-Йорк: Вили. ISBN  9780471879572. Получено 23 февраля 2013.
• «Ошибки, теория», Энциклопедия математики, EMS Press, 2001 [1994]

внешняя ссылка

• СМИ, связанные с Ошибки и остатки в Wikimedia Commons

В этой серии мы внимательно рассмотрим алгоритм машинного обучения и изучим плюсы и минусы каждого алгоритма. Мы рассмотрим алгоритмы вместе с математикой, лежащей в основе алгоритма.

Во-первых, давайте проясним некоторые основные термины, используемые в машинном обучении.

• Контролируемый алгоритм ML: Те алгоритмы, которые используют помеченные данные, известны как контролируемые алгоритмы ml. Контролируемые алгоритмы ml широко используются для двух задач: классификации и регрессии.
• Классификация: Когда задача состоит в том, чтобы классифицировать объекты выборки по определенным категориям (целевая переменная), тогда это называется классификацией. Например, определение того, является ли электронное письмо спамом или нет.
• Регрессия: когда задача состоит в том, чтобы предсказать непрерывную переменную (целевую переменную), тогда это называется регрессией. Например, прогнозирование цен на жилье.
• Неконтролируемый алгоритм ML: те алгоритмы, которые используют немаркированные данные, известны как неконтролируемые алгоритмы ml. Для кластеризации используется неконтролируемый алгоритм.
• Кластеризация: задача поиска групп в заданных немаркированных данных известна как кластеризация.
• Ошибка: разница между фактическим и прогнозируемым значением.
• Градиентный спуск: механизм обновления параметров модели таким образом, чтобы генерировать минимальное значение функции ошибки.

Что такое линейная регрессия в машинном обучении?

Линейная регрессия — это тип контролируемого алгоритма машинного обучения, который используется для прогнозирования непрерывной числовой переменной, известной как цель. Это один из самых простых алгоритмов машинного обучения. Он называется «линейным», потому что алгоритм предполагает, что взаимосвязь между входными характеристиками (также известными как независимые переменные) и выходной переменной (также известной как зависимая или целевая переменная) является линейной. Другими словами, алгоритм пытается найти прямую линию (или гиперплоскость в случае нескольких входных объектов), которая наилучшим образом соответствует данным.

Типы линейной регрессии:

Простая линейная регрессия:

Линейная регрессия известна как простая линейная регрессия, когда прогнозирование выходного значения выполняется с использованием одной входной функции. Мы можем провести линию между зависимыми и независимыми переменными в 2D-пространстве, когда задан один входной признак. здесь b0 — точка пересечения, b1 — коэффициент, x1, x2,…, xn — входные признаки, а y — выходная переменная.

Множественная линейная регрессия:

Линейная регрессия известна как множественная линейная регрессия, когда прогнозирование выходной переменной выполняется с использованием нескольких входных признаков. Мы можем нарисовать плоскость между зависимой и независимой переменными в 3D-пространстве, когда заданы только два входных объекта. В более высоких измерениях визуализация становится затруднительной, но интуиция заключается в том, чтобы найти гиперплоскость в более высоких измерениях. здесь b0 — это перехват, а b1, b2, b3, ......., bn-1, bn известны как коэффициенты, а x1, x2,..., xn известны как входные характеристики, а y — переменная результата.

К этому моменту мы поняли, что линейная регрессия пытается построить линейную границу, но как она это делает?

Как он найдет идеальную линию, которая разделяет данные два класса?

Как указано в уравнении, b0 известен как перехват, а b1, b2,...., bn известны как коэффициенты линейной регрессии, и теперь цель состоит в том, чтобы найти ту линейную границу, которая минимизирует функцию ошибки. Функция ошибки представляет собой квадрат суммы разностей между прогнозируемыми и фактическими значениями целевой переменной. Если мы не сведем ошибку в квадрат, то положительные и отрицательные моменты будут компенсировать друг друга.

Нам нужно найти коэффициенты и перехваты для линейной регрессии таким образом, чтобы сумма квадратов ошибок (SSE) была минимизирована. Градиентный спуск — один из самых популярных методов, который используется для нахождения оптимальных коэффициентов для ml и алгоритмов глубокого обучения.

В приведенном ниже разделе мы обучим модель на базе данных страхования, где мы должны спрогнозировать расходы с учетом входных данных: возраст, пол, ИМТ, расходы на больницу, количество прошлых консультаций и т.д.

Реализация на Python:

Вы можете использовать библиотеку sklearn на python для обучения и тестирования модели линейной регрессии. Мы будем использовать набор данных insurance.csv для обучения модели линейной регрессии. Некоторые этапы предварительной обработки выполняются для описания данных, обработки пропущенных значений и проверки допущений линейной регрессии.

Шаг 1: Загрузите все необходимые библиотеки и наборы данных, используя библиотеку pandas.

import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.linear_model import LinearRegression
from sklearn.model_selection import train_test_split
from statsmodels.stats.outliers_influence import variance_inflation_factor as VIF
from sklearn.metrics import classification_report
insurance=pd.read_csv('new_insurance_data.csv') 
insurance.head()

Шаг 2: Проверьте нулевые значения, форму и тип данных переменных:

# checks for non-null entries, size and datatype
insurance.info()

Мы можем отдельно проверить количество нулей для каждой функции, используя df.isna().sum():

insurance.isnull().sum()
# helps me to check for null values

Шаг 3. Заполните пропущенные значения

Мы можем заполнить недостающие значения объектов объектного типа, используя режим, а объектов целочисленного типа — среднее значение или медиану.

# calculating mode for object data type features which will be used to fill missing values.
# We have 3 features which are of object type
print(f"mode of sex feature: {insurance['sex'].mode()[0]}")
print(f"mode of region feature: {insurance['region'].mode()[0]}")
print(f"mode of smoker feature: {insurance['smoker'].mode()[0]}")

# describe() function will give the descriptive statistics for all numerical features
insurance.describe().transpose()

Мы видим, что для числовых признаков среднее и медиана почти одинаковы. Поэтому теперь мы заменим нулевые значения числовых признаков их медианой, а нулевые значения категориальных переменных — их режимом.

for col_name in list(insurance.columns):
    if insurance[col_name].dtypes=='object':
        # filling null values with mode for object type features
        insurance[col_name] = insurance[col_name].fillna(insurance[col_name].mode()[0])
    else:
        # filling null values with mean for numeric type features
        insurance[col_name] = insurance[col_name].fillna(insurance[col_name].median())
# Now the null count for each feature is zero
print("After filling null values:")
print(insurance.isna().sum())

Шаг 4: Анализ выбросов

Мы построим прямоугольную диаграмму для всех числовых характеристик, кроме целевых переменных зарядов.

i = 1
plt.figure(figsize=(16,15))
for col_name in list(insurance.columns):
    # total 9 box plots will be plotted, therefore 3*3 grid is taken
    if((insurance[col_name].dtypes=='int64' or insurance[col_name].dtypes=='float64') and col_name != 'charges'):
        plt.subplot(3,3, i)
        plt.boxplot(insurance[col_name])
        plt.xlabel(col_name)
        plt.ylabel('count')
        plt.title(f"Box plot for {col_name}")
        i += 1
plt.show()

Мы видим, что характеристики ‘bmi’, ‘Hospital_expenditure’ и ‘Number_of_past_hospitalizations’ имеют выбросы. Мы удалим эти выбросы:

outliers_features = ['bmi', 'Hospital_expenditure', 'Anual_Salary', 'past_consultations']
for col_name in outliers_features:
    Q3 = insurance[col_name].quantile(0.75)
    Q1 = insurance[col_name].quantile(0.25)
    IQR = Q3 - Q1
    upper_limit = Q3 + 1.5*IQR
    lower_limit = Q1 - 1.5*IQR
    prev_size = len(insurance)
    insurance = insurance[(insurance[col_name] >= lower_limit) & (insurance[col_name] <= upper_limit)]
    cur_size = len(insurance)
    print(f"dropped {prev_size - cur_size} rows for {col_name}  due to presence of outliers")

Шаг 5: Проверьте корреляцию:

Существует корреляция между age & charges, age & Anual_salary и т. д., поскольку их корреляция больше 0,5.

import seaborn as sns
sns.heatmap(insurance.corr(),cmap='gist_rainbow',annot=True)
plt.show()

Мы проверим наличие мультиколлинеарности среди признаков:

from statsmodels.stats.outliers_influence import variance_inflation_factor 
col_list = []
for col in insurance.columns:
    if ((insurance[col].dtype != 'object') & (col != 'charges') ):#only num cols except for the charges column
        col_list.append(col)

X = insurance[col_list]
vif_data = pd.DataFrame() 
vif_data["feature"] = X.columns 
vif_data["VIF"] = [variance_inflation_factor(X.values, i) for i in range(len(X.columns))] 
print(vif_data)

Мы видим, что функция num_of_steps имеет самую высокую коллинеарность, равную 61,43, поэтому мы удалим функцию num_of_steps и снова проверим оценку VIF.

# deleting num_of_steps feature
insurance.drop('num_of_steps', axis = 1, inplace= True)
from statsmodels.stats.outliers_influence import variance_inflation_factor 
col_list = []
for col in insurance.columns:
    if ((insurance[col].dtype != 'object') & (col != 'charges') ):#only num cols except for the charges column
        col_list.append(col)
X = insurance[col_list]

X = insurance[col_list]
vif_data = pd.DataFrame() 
vif_data["feature"] = X.columns 
vif_data["VIF"] = [variance_inflation_factor(X.values, i) for i in range(len(X.columns))] 
print(vif_data)

После удаления функции num_of_steps age имеет самую высокую коллинеарность, равную 14,63, поэтому мы удалим функцию age и снова проверим оценку VIF.

# deleting age feature
insurance.drop('age', axis = 1, inplace= True)
from statsmodels.stats.outliers_influence import variance_inflation_factor 
col_list = []
for col in insurance.columns:
    if ((insurance[col].dtype != 'object') & (col != 'charges') ):#only num cols except for the charges column
        col_list.append(col)
X = insurance[col_list]

X = insurance[col_list]
vif_data = pd.DataFrame() 
vif_data["feature"] = X.columns 
vif_data["VIF"] = [variance_inflation_factor(X.values, i) for i in range(len(X.columns))] 
print(vif_data)

После удаления функции возраста BMI имеет самую высокую коллинеарность, равную 10,36, поэтому мы удалим BMI и снова проверим показатель VIF.

# deleting bmi feature
insurance.drop('bmi', axis = 1, inplace= True)
from statsmodels.stats.outliers_influence import variance_inflation_factor 
col_list = []
for col in insurance.columns:
    if ((insurance[col].dtype != 'object') & (col != 'charges') ):#only num cols except for the charges column
        col_list.append(col)
X = insurance[col_list]

X = insurance[col_list]
vif_data = pd.DataFrame() 
vif_data["feature"] = X.columns 
vif_data["VIF"] = [variance_inflation_factor(X.values, i) for i in range(len(X.columns))] 
print(vif_data)

Шаг 6: Разделение входных функций и целевой переменной:

x=insurance.loc[:,['children','Claim_Amount','past_consultations','Hospital_expenditure','NUmber_of_past_hospitalizations','Anual_Salary']]
y=insurance.loc[:,'charges']
x_train, x_test, y_train, y_test=train_test_split(x,y,train_size=0.8, random_state=0)
print("length of train dataset: ",len(x_train) )
print("length of test dataset: ",len(x_test) )

Шаг 7: Обучение модели линейной регрессии на наборе поездов и ее оценка на тестовом наборе данных:

from sklearn.linear_model import LinearRegression
from sklearn.metrics import classification_report, recall_score, r2_score, f1_score, accuracy_score

model = LinearRegression()
# train the model
model.fit(x_train, y_train)
print("trained model coefficients:", model.coef_, " and intercept is: ", model.intercept_)
# model.intercept_ is b0 term in linear boundary equation, and model.coef_ is
#  the array of weights assigned to ['children','Claim_Amount','past_consultations','Hospital_expenditure',
#                    'NUmber_of_past_hospitalizations','Anual_Salary'] respectively

y_pred = model.predict(x_test)
error_pred=pd.DataFrame(columns={'Actual_data','Prediction_data'})
error_pred['Prediction_data'] = y_pred
error_pred['Actual_data'] = y_test
error_pred["error"] = y_test - y_pred
sns.distplot(error_pred['error'])
plt.show()

Мы можем построить остаточные графики между фактической целью и остатками или ошибками:

sns.scatterplot(x = y_test,y =  (y_test - y_pred), c = 'g', s = 40)
plt.hlines(y = 0, xmin = 0, xmax=20000)
plt.title("residual plot")
plt.xlabel("actural target")
plt.ylabel("residula error")

Оценка R-квадрата:

R-квадрат известен как коэффициент детерминации. R Squared — это статистическая мера, которая представляет долю дисперсии зависимой переменной, объясненную независимыми переменными в регрессии. Это значение находится в диапазоне от 0 до 1. Значение «1» указывает, что предиктор полностью учитывает все изменения в Y. Значение «0» указывает, что предиктор «x» не учитывает никаких изменений в «y». Значение R-Squared содержит три термина SSE, SSR и SST.

SSE — это сумма квадратов ошибок. Его также называют остаточной суммой квадратов (RSS).

SSR — это сумма квадратов регрессии.

SST (Сумма в квадрате) — это квадрат разницы между наблюдаемой зависимой переменной и ее средним значением.

# check for model performance
print(f'r2 score of trained model: {r2_score(y_pred=y_pred, y_true= y_test)}')

Предположения линейной регрессии

• Линейная связь: линейная регрессия предполагает линейную связь между прогнозируемой переменной и независимой переменной. Вы можете использовать точечную диаграмму, чтобы визуализировать взаимосвязь между независимой переменной и зависимой переменной в 2D-пространстве.
• Небольшая мультиколлинеарность или отсутствие мультиколлинеарности между функциями: линейная регрессия предполагает, что функции должны быть независимыми друг от друга, т. Е. Никакой корреляции между функциями. Вы можете использовать функцию VIF, чтобы найти значение мультиколлинеарности признаков. Общее предположение гласит, что если значение признака VIF больше 5, то признаки сильно коррелированы.
• Однородность: линейная регрессия предполагает, что члены ошибок имеют постоянную дисперсию, т. е. разброс членов ошибок должен быть постоянным. Это предположение можно проверить, построив остаточную диаграмму. Если предположение нарушается, то точки образуют форму воронки, в противном случае они будут постоянными.
• Нормальность: линейная регрессия предполагает, что каждая функция данного набора данных следует нормальному распределению. Вы можете строить гистограммы и графики KDE для каждой функции, чтобы проверить, нормально ли они распределены или нет.
• Ошибка: линейная регрессия предполагает, что условия ошибки также должны быть нормально распределены. Вы можете строить гистограммы, а KDE строит графики ошибок, чтобы проверить, нормально ли они распределены или нет.

Вот ссылка GitHub для кода и набора данных.

В статистике и оптимизации ошибки и остатки тесно связаны и легко запутанные меры отклонения наблюдаемого значения элемента статистической выборки от его «теоретического значения». ошибка (или возмущение ) наблюдаемого значения — это отклонение наблюдаемого значения от (ненаблюдаемого) истинного значения интересующей величины (например, среднего генерального значения), и остаток наблюдаемого значения представляет собой разность между наблюдаемым значением и оценочным значением представляющей интерес величины (например, выборочное среднее). Это различие наиболее важно в регрессионном анализе, где концепции иногда называют ошибками регрессии и остатками регрессии, и где они приводят к концепции студентизированных остатков.

Содержание

• 1 Введение
• 2 В одномерных распределениях
  • 2.1 Замечание
• 3 Регрессии
• 4 Другие варианты использования слова «ошибка» в статистике
• 5 См. Также
• 6 Ссылки
• 7 Внешние ссылки

Введение

Предположим, есть серия наблюдений из одномерного распределения, и мы хотим оценить среднее этого распределения. (так называемая локационная модель ). В этом случае ошибки — это отклонения наблюдений от среднего по совокупности, а остатки — это отклонения наблюдений от среднего по выборке.

A статистическая ошибка (или нарушение ) — это величина, на которую наблюдение отличается от его ожидаемого значения, последнее основано на всей генеральной совокупности из которого статистическая единица была выбрана случайным образом. Например, если средний рост среди 21-летних мужчин составляет 1,75 метра, а рост одного случайно выбранного мужчины — 1,80 метра, то «ошибка» составляет 0,05 метра; если рост случайно выбранного мужчины составляет 1,70 метра, то «ошибка» составляет -0,05 метра. Ожидаемое значение, являющееся средним для всей генеральной совокупности, обычно ненаблюдаемо, и, следовательно, статистическая ошибка также не может быть обнаружена.

A невязка (или аппроксимирующее отклонение), с другой стороны, представляет собой наблюдаемую оценку ненаблюдаемой статистической ошибки. Рассмотрим предыдущий пример с ростом мужчин и предположим, что у нас есть случайная выборка из n человек. среднее значение выборки может служить хорошей оценкой среднего значения генеральной совокупности. Тогда у нас есть:

• Разница между ростом каждого человека в выборке и ненаблюдаемым средним по совокупности является статистической ошибкой, тогда как
• разница между ростом каждого человека в выборке и наблюдаемой выборкой среднее — это остаток.

Обратите внимание, что из-за определения выборочного среднего, сумма остатков в случайной выборке обязательно равна нулю, и, таким образом, остатки не обязательно независимы. Статистические ошибки, с другой стороны, независимы, и их сумма в случайной выборке почти наверняка не равна нулю.

Можно стандартизировать статистические ошибки (особенно нормального распределения ) в z-балле (или «стандартном балле») и стандартизировать остатки в t-статистика или, в более общем смысле, стьюдентизированные остатки.

в одномерном распределении

Если мы предположим нормально распределенную совокупность со средним μ и стандартным отклонением σ и независимо выбираем людей, тогда мы имеем

X 1,…, X n ∼ N (μ, σ 2) { displaystyle X_ {1}, dots, X_ {n} sim N ( mu, sigma ^ {2}) ,}

и выборочное среднее

X ¯ = X 1 + ⋯ + X nn { displaystyle { overline {X}} = {X_ { 1} + cdots + X_ {n} over n}}

— случайная величина, распределенная так, что:

X ¯ ∼ N (μ, σ 2 n). { displaystyle { overline {X}} sim N left ( mu, { frac { sigma ^ {2}} {n}} right).}

Тогда статистические ошибки

ei = X i — μ, { displaystyle e_ {i} = X_ {i} — mu, ,}

с ожидаемыми значениями нуля, тогда как остатки равны

ri = X i — X ¯. { displaystyle r_ {i} = X_ {i} — { overline {X}}.}

Сумма квадратов статистических ошибок, деленная на σ, имеет хи -квадратное распределение с n степенями свободы :

1 σ 2 ∑ i = 1 nei 2 ∼ χ n 2. { displaystyle { frac {1} { sigma ^ {2}}} sum _ {i = 1} ^ {n} e_ {i} ^ {2} sim chi _ {n} ^ {2}.}

Однако это количество не наблюдается, так как среднее значение для генеральной совокупности неизвестно. Сумма квадратов остатков, с другой стороны, является наблюдаемой. Частное этой суммы по σ имеет распределение хи-квадрат только с n — 1 степенями свободы:

1 σ 2 ∑ i = 1 n r i 2 ∼ χ n — 1 2. { displaystyle { frac {1} { sigma ^ {2}}} sum _ {i = 1} ^ {n} r_ {i} ^ {2} sim chi _ {n-1} ^ { 2}.}

Эта разница между n и n — 1 степенями свободы приводит к поправке Бесселя для оценки выборочной дисперсии генеральной совокупности с неизвестным средним и неизвестной дисперсией. Коррекция не требуется, если известно среднее значение для генеральной совокупности.

Замечание

Примечательно, что сумма квадратов остатков и выборочного среднего могут быть показаны как независимые друг от друга, используя, например, Теорема Басу. Этот факт, а также приведенные выше нормальное распределение и распределение хи-квадрат составляют основу вычислений с использованием t-статистики :

T = X ¯ n — μ 0 S n / n, { displaystyle T = { frac {{ overline {X}} _ {n} — mu _ {0}} {S_ {n} / { sqrt {n}}}},}

где X ¯ n — μ 0 { displaystyle { overline {X}} _ {n} — mu _ {0}}представляет ошибки, S n { displaystyle S_ {n}}представляет стандартное отклонение для выборки размера n и неизвестного σ, а член знаменателя S n / n { displaystyle S_ {n} / { sqrt {n}}}учитывает стандартное отклонение ошибок в соответствии с:

Var ⁡ (X ¯ n) = σ 2 n { displaystyle operatorname {Var} ({ overline {X}} _ {n}) = { frac { sigma ^ {2}} {n}}}

Распределения вероятностей числителя и знаменателя по отдельности зависят от значения ненаблюдаемого стандартного отклонения генеральной совокупности σ, но σ появляется как в числителе, так и в знаменателе и отменяет. Это удачно, потому что это означает, что, хотя мы не знаем σ, мы знаем распределение вероятностей этого частного: оно имеет t-распределение Стьюдента с n — 1 степенями свободы. Таким образом, мы можем использовать это частное, чтобы найти доверительный интервал для μ. Эту t-статистику можно интерпретировать как «количество стандартных ошибок от линии регрессии».

Регрессии

В регрессионном анализе различие между ошибками и остатками является тонким и важным, и приводит к концепции стьюдентизированных остатков. Для ненаблюдаемой функции, которая связывает независимую переменную с зависимой переменной — скажем, линии — отклонения наблюдений зависимой переменной от этой функции являются ненаблюдаемыми ошибками. Если запустить регрессию на некоторых данных, то отклонения наблюдений зависимой переменной от подобранной функции являются остатками. Если линейная модель применима, диаграмма рассеяния остатков, построенная против независимой переменной, должна быть случайной около нуля без тенденции к остаткам. Если данные демонстрируют тенденцию, регрессионная модель, вероятно, неверна; например, истинная функция может быть квадратичным полиномом или полиномом более высокого порядка. Если они случайны или не имеют тенденции, но «разветвляются» — они демонстрируют явление, называемое гетероскедастичностью. Если все остатки равны или не разветвляются, они проявляют гомоскедастичность.

Однако терминологическое различие возникает в выражении среднеквадратическая ошибка (MSE). Среднеквадратичная ошибка регрессии — это число, вычисляемое из суммы квадратов вычисленных остатков, а не ненаблюдаемых ошибок. Если эту сумму квадратов разделить на n, количество наблюдений, результатом будет среднее квадратов остатков. Поскольку это смещенная оценка дисперсии ненаблюдаемых ошибок, смещение устраняется путем деления суммы квадратов остатков на df = n — p — 1 вместо n, где df — число степеней свободы (n минус количество оцениваемых параметров (без учета точки пересечения) p — 1). Это формирует объективную оценку дисперсии ненаблюдаемых ошибок и называется среднеквадратической ошибкой.

Другой метод вычисления среднего квадрата ошибки при анализе дисперсии линейной регрессии с использованием техники, подобной той, что использовалась в ANOVA (они одинаковы, потому что ANOVA — это тип регрессии), сумма квадратов остатков (иначе говоря, сумма квадратов ошибки) делится на степени свободы (где степени свободы равно n — p — 1, где p — количество параметров, оцениваемых в модели (по одному для каждой переменной в уравнении регрессии, не включая точку пересечения). Затем можно также вычислить средний квадрат модели, разделив сумму квадратов модели за вычетом степеней свободы, которые представляют собой просто количество параметров. Затем значение F можно рассчитать путем деления среднего квадрата модели на средний квадрат ошибки, и затем мы можем определить значимость (вот почему вы хотите, чтобы средние квадраты начинались с.).

Однако из-за поведения процесса регрессии распределения остатков в разных точках данных (входной переменной) могут различаться, даже если сами ошибки распределены одинаково. Конкретно, в линейной регрессии , где ошибки одинаково распределены, изменчивость остатков входных данных в середине области будет выше, чем изменчивость остатков на концах области: линейные регрессии соответствуют конечным точкам лучше среднего. Это также отражено в функциях влияния различных точек данных на коэффициенты регрессии : конечные точки имеют большее влияние.

Таким образом, чтобы сравнить остатки на разных входах, нужно скорректировать остатки на ожидаемую изменчивость остатков, что называется стьюдентизацией. Это особенно важно в случае обнаружения выбросов, когда рассматриваемый случай каким-то образом отличается от другого в наборе данных. Например, можно ожидать большой остаток в середине домена, но он будет считаться выбросом в конце домена.

Другое использование слова «ошибка» в статистике

Использование термина «ошибка», как обсуждалось в разделах выше, означает отклонение значения от гипотетического ненаблюдаемого значение. По крайней мере, два других использования также встречаются в статистике, оба относятся к наблюдаемым ошибкам прогнозирования:

Среднеквадратичная ошибка или Среднеквадратичная ошибка (MSE) и Среднеквадратичная ошибка (RMSE) относятся к величине, на которую значения, предсказанные оценщиком, отличаются от оцениваемых количеств (обычно за пределами выборки, на основе которой была оценена модель).

Сумма квадратов ошибок (SSE или SSe), обычно сокращенно SSE или SS e, относится к остаточной сумме квадратов (сумма квадратов остатков) регрессии; это сумма квадратов отклонений фактических значений от прогнозируемых значений в пределах выборки, используемой для оценки. Это также называется оценкой методом наименьших квадратов, где коэффициенты регрессии выбираются так, чтобы сумма квадратов минимально (т.е. его производная равна нулю).

Аналогично, сумма абсолютных ошибок (SAE) является суммой абсолютных значений остатков, которая минимизирована в наименьшие абсолютные отклонения подход к регрессии.

См. также

• Портал математики

• Абсолютное отклонение
• Консенсус-прогнозы
• Обнаружение и исправление ошибок
• Объясненная сумма квадраты
• Инновация (обработка сигналов)
• Неподходящая сумма квадратов
• Погрешность
• Средняя абсолютная погрешность
• Погрешность наблюдения
• Распространение ошибки
• Вероятная ошибка
• Случайные и систематические ошибки
• Разбавление регрессии
• Среднеквадратичное отклонение
• Ошибка выборки
• Стандартная ошибка
• Стьюдентизированная невязка
• Ошибки типа I и типа II

Ссылки

• Кук, Р. Деннис; Вайсберг, Сэнфорд (1982). Остатки и влияние на регресс (Отредактированный ред.). Нью-Йорк: Чепмен и Холл. ISBN 041224280X. Проверено 23 февраля 2013 г.
• Кокс, Дэвид Р. ; Снелл, Э. Джойс (1968). «Общее определение остатков». Журнал Королевского статистического общества, серия B. 30(2): 248–275. JSTOR 2984505.
• Вайсберг, Сэнфорд (1985). Прикладная линейная регрессия (2-е изд.). Нью-Йорк: Вили. ISBN 9780471879572. Проверено 23 февраля 2013 г.
• , Энциклопедия математики, EMS Press, 2001 [1994]

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с ошибками и остатками на Викимедиа Commons

Оценка значимости параметров уравнения парной линейной регрессии

Парная регрессия представляет собой регрессию между двумя переменными

—у и х, т.е. модель вида ₊ Е

, где у — результативный признак,т.е зависимая переменная; х — признак-фактор.

Линейная регрессия сводится к нахождению уравнения вида или

Уравнение вида позволяет по заданным значениям фактора x иметь теоретические значения результативного признака, подставляя в него фактические значения фактора х.

Построение линейной регрессии сводится к оценке ее пара­метров а и в.

Оценки параметров линейной регрессии могут быть найдены разными методами.

1.

2.

Параметр b называется коэффициентом регрессии. Его вели­чина показывает

среднее изменение результата с изменением фактора на одну единицу.

Формально а — значение у при х = 0. Если признак-фактор

не имеет и не может иметь нулевого значения, то вышеуказанная

трактовка свободного члена, а не имеет смысла. Параметр, а может

не иметь экономического содержания. Попытки экономически

интерпретировать параметр, а могут привести к абсурду, особенно при а 0,

то относительное изменение результата происходит медленнее, чем изменение

проверка качества найденных параметров и всей модели в целом:

-Оценка значимости коэффициента регрессии (b) и коэффициента корреляции

-Оценка значимости всего уравнения регрессии. Коэффициент детерминации

Уравнение регрессии всегда дополняется показателем тесноты связи. При

использовании линейной регрессии в качестве такого показателя выступает

линейный коэффициент корреляции r_xy. Существуют разные

модификации формулы линейного коэф­фициента корреляции.

Линейный коэффициент корреляции находится и границах: -1≤.r_xy

≤ 1. При этом чем ближе r к 0 тем слабее корреляция и наоборот чем

ближе r к 1 или -1, тем сильнее корреляция, т.е. зависимость х и у близка к

линейной. Если r в точности =1или -1 все точки лежат на одной прямой.

Если коэф. регрессии b>0 то 0 ≤.r_xy ≤ 1 и

в модели факторов.

МНК позволяет получить такие оценки параметров а и b, которых

сумма квадратов отклонений фактических значений ре­зультативного признака

(у) от расчетных (теоретических)

Иными словами, из

всего множества линий линия регрессии на графике выбирается так, чтобы сумма

квадратов расстояний по вертикали между точками и этой линией была бы

минималь­ной.

Решается система нормальных уравнений

ОЦЕНКА СУЩЕСТВЕННОСТИ ПАРАМЕТРОВ ЛИНЕЙНОЙ РЕГРЕССИИ.

Оценка значимости уравнения регрессии в целом дается с по­мощью F-критерия

Фишера. При этом выдвигается нулевая ги­потеза, что коэффициент регрессии равен

нулю, т. е. b = 0, и следовательно, фактор х не оказывает

влияния на результат у.

Непосредственному расчету F-критерия предшествует анализ дисперсии.

Центральное место в нем занимает разложе­ние общей суммы квадратов отклонений

переменной у от средне го значения у на две части —

«объясненную» и «необъясненную»:

— общая сумма квадратов отклонений

— сумма квадратов

отклонения объясненная регрессией

— остаточная сумма квадратов отклонения.

Любая сумма квадратов отклонений связана с числом степе­ней свободы, т.

е. с числом свободы независимого варьирования признака. Число степеней свободы связано с числом единиц совокупности nис числом определяемых по ней констант. Применительно к исследуемой проблеме число cтепеней свободы должно показать, сколько независимых откло­нений из п возможных требуется для

образования данной суммы квадратов.

Дисперсия на одну степень свободы D.

F-отношения (F-критерий):

Ecли нулевая гипотеза справедлива, то факторная и остаточная дисперсии не

отличаются друг от друга. Для Н₀ необходимо опровержение, чтобы

факторная дисперсия превышала остаточную в несколько раз. Английским

статистиком Снедекором раз­работаны таблицы критических значений F-отношений

при разных уровнях существенности нулевой гипотезы и различном числе степеней

свободы. Табличное значение F-критерия — это максимальная величина отношения

дисперсий, которая может иметь место при случайном их расхождении для данного

уровня вероятности наличия нулевой гипотезы. Вычисленное значение F-отношения

признается достоверным, если о больше табличного. В этом случае нулевая

гипотеза об отсутствии связи признаков отклоняется и делается вывод о

существенности этой связи: F_факт > F_табл Н₀

Если же величина окажется меньше табличной F_факт ‹, F_табл

, то вероятность нулевой гипотезы выше заданного уровня и она не может быть

отклонена без серьезного риска сделать неправильный вывод о наличии связи. В

этом случае уравнение регрессии считается статистически незначимым. Н_о

Пример нахождения статистической значимости коэффициентов регрессии

Числитель в этой формуле может быть рассчитан через коэффициент детерминации и общую дисперсию признака-результата: .
Для параметра a критерий проверки гипотезы о незначимом отличии его от нуля имеет вид:
,
где — оценка параметра регрессии, полученная по наблюдаемым данным;
μ_a – стандартная ошибка параметра a.
Для линейного парного уравнения регрессии:
.
Для проверки гипотезы о незначимом отличии от нуля коэффициента линейной парной корреляции в генеральной совокупности используют следующий критерий:
, где r_yx — оценка коэффициента корреляции, полученная по наблюдаемым данным; m_r – стандартная ошибка коэффициента корреляции r_yx.
Для линейного парного уравнения регрессии:
.
В парной линейной регрессии между наблюдаемыми значениями критериев существует взаимосвязь: t _{( b =0)} = t _(r=0).

Пример №1 . Уравнение имеет вид y=ax+b
1. Параметры уравнения регрессии.
Средние значения

Связь между признаком Y фактором X сильная и прямая
Уравнение регрессии

Коэффициент детерминации
R 2 = 0.73 2 = 0.54, т.е. в 54% случаев изменения х приводят к изменению y . Другими словами — точность подбора уравнения регрессии — средняя.

2. Оценка параметров уравнения регрессии
Значимость коэффициента корреляции

По таблице Стьюдента находим Tтабл
T_табл (n-m-1;a) = (10;0.05) = 1.812
Поскольку Tнабл > Tтабл , то отклоняем гипотезу о равенстве 0 коэффициента корреляции. Другими словами, коэффициента корреляции статистически — значим.

Анализ точности определения оценок коэффициентов регрессии

S _a = 0.2704
Доверительные интервалы для зависимой переменной

Рассчитаем границы интервала, в котором будет сосредоточено 95% возможных значений Y при неограниченно большом числе наблюдений и X = 88,16
(128.06;163.97)
Проверка гипотез относительно коэффициентов линейного уравнения регрессии
1) t-статистика

Статистическая значимость коэффициента регрессии a подтверждается (3.41>1.812).

Статистическая значимость коэффициента регрессии b подтверждается (2.7>1.812).
Доверительный интервал для коэффициентов уравнения регрессии
Определим доверительные интервалы коэффициентов регрессии, которые с надежность 95% будут следующими (t_табл=1.812):
(a — t_табл·S _a; a + t_табл·S_a)
(0.4325;1.4126)
(b — t_табл·S _b; b + t_табл·S_b)
(21.3389;108.3164)
2) F-статистики

Fkp = 4.96
Поскольку F > Fkp, то коэффициент детерминации статистически значим.

Пример №2 . По территориям региона приводятся данные за 199Х г.;

Требуется:
1. Построить линейное уравнение парной регрессии у от х.
2. Рассчитать линейный коэффициент парной корреляции и среднюю ошибку аппроксимации.
3. Оценить статистическую значимость параметров регрессии и корреляции.
4. Выполнить прогноз заработной платы у при прогнозном значении среднедушевого прожиточного минимума х , составляющем 107% от среднего уровня.
5. Оценить точность прогноза, рассчитав ошибку прогноза и его доверительный интервал.

Решение находим с помощью калькулятора.
Использование графического метода .
Этот метод применяют для наглядного изображения формы связи между изучаемыми экономическими показателями. Для этого в прямоугольной системе координат строят график, по оси ординат откладывают индивидуальные значения результативного признака Y, а по оси абсцисс — индивидуальные значения факторного признака X.
Совокупность точек результативного и факторного признаков называется полем корреляции.
На основании поля корреляции можно выдвинуть гипотезу (для генеральной совокупности) о том, что связь между всеми возможными значениями X и Y носит линейный характер.
Линейное уравнение регрессии имеет вид y = bx + a + ε
Здесь ε — случайная ошибка (отклонение, возмущение).
Причины существования случайной ошибки:
1. Невключение в регрессионную модель значимых объясняющих переменных;
2. Агрегирование переменных. Например, функция суммарного потребления – это попытка общего выражения совокупности решений отдельных индивидов о расходах. Это лишь аппроксимация отдельных соотношений, которые имеют разные параметры.
3. Неправильное описание структуры модели;
4. Неправильная функциональная спецификация;
5. Ошибки измерения.
Так как отклонения ε_i для каждого конкретного наблюдения i – случайны и их значения в выборке неизвестны, то:
1) по наблюдениям x_i и y_i можно получить только оценки параметров α и β
2) Оценками параметров α и β регрессионной модели являются соответственно величины а и b, которые носят случайный характер, т.к. соответствуют случайной выборке;
Тогда оценочное уравнение регрессии (построенное по выборочным данным) будет иметь вид y = bx + a + ε, где e_i – наблюдаемые значения (оценки) ошибок ε_i, а и b соответственно оценки параметров α и β регрессионной модели, которые следует найти.
Для оценки параметров α и β — используют МНК (метод наименьших квадратов).
Система нормальных уравнений.
Для наших данных система уравнений имеет вид
12a+1027b=1869
1027a+89907b=161808
Из первого уравнения выражаем а и подставим во второе уравнение. Получаем b = 0.92, a = 76.98
Уравнение регрессии: y = 0.92 x + 76.98
1. Параметры уравнения регрессии.
Выборочные средние.

Коэффициент корреляции
Рассчитываем показатель тесноты связи. Таким показателем является выборочный линейный коэффициент корреляции, который рассчитывается по формуле:

Линейный коэффициент корреляции принимает значения от –1 до +1.
Связи между признаками могут быть слабыми и сильными (тесными). Их критерии оцениваются по шкале Чеддока:
0.1 0 – прямая связь, иначе — обратная). В нашем примере связь прямая.
Коэффициент эластичности.
Коэффициенты регрессии (в примере b) нежелательно использовать для непосредственной оценки влияния факторов на результативный признак в том случае, если существует различие единиц измерения результативного показателя у и факторного признака х.
Для этих целей вычисляются коэффициенты эластичности и бета — коэффициенты. Коэффициент эластичности находится по формуле:

Он показывает, на сколько процентов в среднем изменяется результативный признак у при изменении факторного признака х на 1%. Он не учитывает степень колеблемости факторов.
Коэффициент эластичности меньше 1. Следовательно, при изменении среднедушевого прожиточного минимума в день на 1%, среднедневная заработная плата изменится менее чем на 1%. Другими словами — влияние среднедушевого прожиточного минимума Х на среднедневную заработную плату Y не существенно.
Бета – коэффициент показывает, на какую часть величины своего среднего квадратичного отклонения изменится в среднем значение результативного признака при изменении факторного признака на величину его среднеквадратического отклонения при фиксированном на постоянном уровне значении остальных независимых переменных:

Т.е. увеличение x на величину среднеквадратического отклонения этого показателя приведет к увеличению средней среднедневной заработной платы Y на 0.721 среднеквадратичного отклонения этого показателя.
1.4. Ошибка аппроксимации.
Оценим качество уравнения регрессии с помощью ошибки абсолютной аппроксимации.

Поскольку ошибка меньше 15%, то данное уравнение можно использовать в качестве регрессии.
Коэффициент детерминации.
Квадрат (множественного) коэффициента корреляции называется коэффициентом детерминации, который показывает долю вариации результативного признака, объясненную вариацией факторного признака.
Чаще всего, давая интерпретацию коэффициента детерминации, его выражают в процентах.
R 2 = 0.72 2 = 0.5199, т.е. в 51.99 % случаев изменения среднедушевого прожиточного минимума х приводят к изменению среднедневной заработной платы y. Другими словами — точность подбора уравнения регрессии — средняя. Остальные 48.01% изменения среднедневной заработной платы Y объясняются факторами, не учтенными в модели.

2. Оценка параметров уравнения регрессии.
2.1. Значимость коэффициента корреляции.

По таблице Стьюдента с уровнем значимости α=0.05 и степенями свободы k=10 находим t_крит:
t_крит = (10;0.05) = 1.812
где m = 1 — количество объясняющих переменных.
Если t_набл > t_критич, то полученное значение коэффициента корреляции признается значимым (нулевая гипотеза, утверждающая равенство нулю коэффициента корреляции, отвергается).
Поскольку t_набл > t_крит, то отклоняем гипотезу о равенстве 0 коэффициента корреляции. Другими словами, коэффициент корреляции статистически — значим.
В парной линейной регрессии t 2 _r = t 2 _b и тогда проверка гипотез о значимости коэффициентов регрессии и корреляции равносильна проверке гипотезы о существенности линейного уравнения регрессии.

2.3. Анализ точности определения оценок коэффициентов регрессии.
Несмещенной оценкой дисперсии возмущений является величина:

S 2 _y = 157.4922 — необъясненная дисперсия (мера разброса зависимой переменной вокруг линии регрессии).

12.5496 — стандартная ошибка оценки (стандартная ошибка регрессии).
S _a — стандартное отклонение случайной величины a.

S_b — стандартное отклонение случайной величины b.

2.4. Доверительные интервалы для зависимой переменной.
Экономическое прогнозирование на основе построенной модели предполагает, что сохраняются ранее существовавшие взаимосвязи переменных и на период упреждения.
Для прогнозирования зависимой переменной результативного признака необходимо знать прогнозные значения всех входящих в модель факторов.
Прогнозные значения факторов подставляют в модель и получают точечные прогнозные оценки изучаемого показателя.
(a + bx_p ± ε)
где
Рассчитаем границы интервала, в котором будет сосредоточено 95% возможных значений Y при неограниченно большом числе наблюдений и X _p = 94

(76.98 + 0.92*94 ± 7.8288)
(155.67;171.33)
С вероятностью 95% можно гарантировать, что значения Y при неограниченно большом числе наблюдений не выйдет за пределы найденных интервалов.
2.5. Проверка гипотез относительно коэффициентов линейного уравнения регрессии.
1) t-статистика. Критерий Стьюдента.
Проверим гипотезу H₀ о равенстве отдельных коэффициентов регрессии нулю (при альтернативе H₁ не равно) на уровне значимости α=0.05.
t_крит = (10;0.05) = 1.812

Поскольку 3.2906 > 1.812, то статистическая значимость коэффициента регрессии b подтверждается (отвергаем гипотезу о равенстве нулю этого коэффициента).

Поскольку 3.1793 > 1.812, то статистическая значимость коэффициента регрессии a подтверждается (отвергаем гипотезу о равенстве нулю этого коэффициента).
Доверительный интервал для коэффициентов уравнения регрессии.
Определим доверительные интервалы коэффициентов регрессии, которые с надежность 95% будут следующими:
(b — t_крит S_b; b + t_крит S_b)
(0.9204 — 1.812·0.2797; 0.9204 + 1.812·0.2797)
(0.4136;1.4273)
С вероятностью 95% можно утверждать, что значение данного параметра будут лежать в найденном интервале.
(a-t_a)
(76.9765 — 1.812·24.2116; 76.9765 + 1.812·24.2116)
(33.1051;120.8478)
С вероятностью 95% можно утверждать, что значение данного параметра будут лежать в найденном интервале.
2) F-статистики. Критерий Фишера.
Проверка значимости модели регрессии проводится с использованием F-критерия Фишера, расчетное значение которого находится как отношение дисперсии исходного ряда наблюдений изучаемого показателя и несмещенной оценки дисперсии остаточной последовательности для данной модели.
Если расчетное значение с k1=(m) и k2=(n-m-1) степенями свободы больше табличного при заданном уровне значимости, то модель считается значимой.

где m – число факторов в модели.
Оценка статистической значимости парной линейной регрессии производится по следующему алгоритму:
1. Выдвигается нулевая гипотеза о том, что уравнение в целом статистически незначимо: H₀: R 2 =0 на уровне значимости α.
2. Далее определяют фактическое значение F-критерия:

где m=1 для парной регрессии.
3. Табличное значение определяется по таблицам распределения Фишера для заданного уровня значимости, принимая во внимание, что число степеней свободы для общей суммы квадратов (большей дисперсии) равно 1 и число степеней свободы остаточной суммы квадратов (меньшей дисперсии) при линейной регрессии равно n-2.
4. Если фактическое значение F-критерия меньше табличного, то говорят, что нет основания отклонять нулевую гипотезу.
В противном случае, нулевая гипотеза отклоняется и с вероятностью (1-α) принимается альтернативная гипотеза о статистической значимости уравнения в целом.
Табличное значение критерия со степенями свободы k1=1 и k2=10, Fkp = 4.96
Поскольку фактическое значение F > Fkp, то коэффициент детерминации статистически значим (Найденная оценка уравнения регрессии статистически надежна).

Парная линейная регрессия. Задачи регрессионного анализа

Будут и задачи для самостоятельного решения, к которым можно посмотреть ответы.

Понятие линейной регрессии. Парная линейная регрессия

Линейная регрессия — выраженная в виде прямой зависимость среднего значения какой-либо величины от некоторой другой величины. В отличие от функциональной зависимости y = f(x) , когда каждому значению независимой переменной x соответствует одно определённое значение величины y, при линейной регрессии одному и тому же значению x могут соответствовать в зависимости от случая различные значения величины y.

Если в результате наблюдения установлено, что при каждом определённом значении x существует сколько-то (n) значений переменной y, то зависимость средних арифметических значений y от x и является регрессией в статистическом понимании.

Если установленная зависимость может быть записана в виде уравнения прямой

то эта регрессионная зависимость называется линейной регрессией.

О парной линейной регрессии говорят, когда установлена зависимость между двумя переменными величинами (x и y). Парная линейная регрессия называется также однофакторной линейной регрессией, так как один фактор (независимая переменная x) влияет на результирующую переменную (зависимую переменную y).

В уроке о корреляционной зависимости были разобраны примеры того, как цена на квартиры зависит от общей площади квартиры и от площади кухни (две различные независимые переменные) и о том, что результаты наблюдений расположены в некотором приближении к прямой, хотя и не на самой прямой. Если точки корреляционной диаграммы соединить ломанной линией, то будет получена линия эмпирической регрессии. А если эта линия будет выровнена в прямую, то полученная прямая будет прямой теоретической регрессии. На рисунке ниже она красного цвета (для увеличения рисунка щёлкнуть по нему левой кнопкой мыши).

По этой прямой теоретической регрессии может быть сделан прогноз или восстановление неизвестных значений зависимой переменной по заданным значениям независимой переменной.

В случае парной линейной регрессии для данных генеральной совокупности связь между независимой переменной (факториальным признаком) X и зависимой переменной (результативным признаком) Y описывает модель

,

— свободный член прямой парной линейной регрессии,

— коэффициент направления прямой парной линейной регрессии,

— случайная погрешность,

N — число элементов генеральной совокупности.

Уравнение парной линейной регрессии для генеральной совокупности можно построить, если доступны данные обо всех элементах генеральной совокупности. На практике данные всей генеральной совокупности недоступны, но доступны данные об элементах некоторой выборки.

Поэтому параметры генеральной совокупности оценивают при помощи соответствующих параметров соответствующей выборки: свободный член прямой парной линейной регрессии генеральной совокупности заменяют на свободный член прямой парной линейной регрессии выборки , а коэффициент направления прямой парной линейной регрессии генеральной совокупности — на коэффициент направления прямой парной линейной регрессии выборки .

В результате получаем уравнение парной линейной регрессии выборки

— оценка полученной с помощью модели линейной регрессии зависимой переменной Y,

— погрешность,

n — размер выборки.

Чтобы уравнение парной линейной регрессии было более похоже на привычное уравнение прямой, его часто также записывают в виде

.

Уравнение парной линейной регрессии и метод наименьших квадратов

Определение коэффициентов уравнения парной линейной регрессии

Если заранее известно, что зависимость между факториальным признаком x и результативным признаком y должна быть линейной, выражающейся в виде уравнения типа , задача сводится к нахождению по некоторой группе точек наилучшей прямой, называемой прямой парной линейной регрессии. Следует найти такие значения коэффициентов a и b , чтобы сумма квадратов отклонений была наименьшей:

.

Если через и обозначить средние значения признаков X и Y,то полученная с помощью метода наименьших квадратов функция регрессии удовлетворяет следующим условиям:

• прямая парной линейной регрессии проходит через точку ;
• среднее значение отклонений равна нулю: ;
• значения и не связаны: .

Условие метода наименьших квадратов выполняется, если значения коэффициентов равны:

,

.

Пример 1. Найти уравнение парной линейной регрессии зависимости между валовым внутренним продуктом (ВВП) и частным потреблением на основе данных примера урока о корреляционной зависимости (эта ссылка, которая откроется в новом окне, потребуется и при разборе следующих примеров).

Решение. Используем рассчитанные в решении названного выше примера суммы:

Используя эти суммы, вычислим коэффициенты:

Таким образом получили уравнение прямой парной линейной регрессии:

Составить уравнение парной линейной регрессии самостоятельно, а затем посмотреть решение

Пример 2. Найти уравнение парной линейной регрессии для выборки из 6 наблюдений, если уже вычислены следующие промежуточные результаты:

;

;

;

;

Анализ качества модели линейной регрессии

Метод наименьших квадратов имеет по меньшей мере один существенный недостаток: с его помощью можно найти уравнение линейной регрессии и в тех случаях, когда данные наблюдений значительно рассеяны вокруг прямой регрессии, то есть находятся на значительном расстоянии от этой прямой. В таких случаях за точность прогноза значений зависимой переменной ручаться нельзя. Существуют показатели, которые позволяют оценить качество уравнения линейной регрессии прежде чем использовать модели линейной регрессии для практических целей. Разберём важнейшие из этих показателей.

Коэффициент детерминации

Коэффициент детерминации принимает значения от 0 до 1 и в случае качественной модели линейной регрессии стремится к единице. Коэффициент детерминации показывает, какую часть общего рассеяния зависимой переменной объясняет независимая переменная:

,

— сумма квадратов отклонений, объясняемых моделью линейной регрессии, которая характеризует рассеяние точек прямой регрессии относительно арифметического среднего,

— общая сумма квадратов отклонений, которая характеризует рассеяние зависимой переменной Y относительно арифметического среднего,

— сумма квадратов отклонений ошибки (не объясняемых моделью линейной регрессии), которая характеризует рассеяние зависимой переменной Y относительно прямой регресии.

Пример 3. Даны сумма квадратов отклонений, объясняемых моделью линейной регрессии (3500), общая сумма квадратов отклонений (5000) и сумма квадратов отклонений ошибки (1500). Найти коэффициент детерминации двумя способами.

F-статистика (статистика Фишера) для проверки качества модели линейной регрессии

Минимальное возможное значение F-статистики — 0. Чем выше значение статистики Фишера, тем качественнее модель линейной регрессии. Этот показатель представляет собой отношение объясненной суммы квадратов (в расчете на одну независимую переменную) к остаточной сумме квадратов (в расчете на одну степень свободы):

где m — число объясняющих переменных.

Сумма квадратов остатков

Сумма квадратов остатков (RSS) измеряет необъясненную часть дисперсии зависимой переменной:

—

остатки — разности между реальными значениями зависимой переменной и значениями, оценёнными уравнением линейной регрессии.

В случае качественной модели линейной регрессии сумма квадратов остатков стремится к нулю.

Стандартная ошибка регрессии

Стандартная ошибка регрессии (SEE) измеряет величину квадрата ошибки, приходящейся на одну степень свободы модели:

Чем меньше значение SEE, тем качественнее модель.

Пример 4. Рассчитать коэффициент детерминации для данных из примера 1.

Решение. На основании данных таблицы (она была приведена в примере урока о корреляционной зависимости) получаем, что SST = 63 770,593 , SSE = 10 459,587 , SSR = 53 311,007 .

Можем убедиться, что выполняется закономерность SSR = SST — SSE :

Получаем коэффициент детерминации:

.

Таким образом, 83,6% изменений частного потребления можно объяснить моделью линейной регресии.

Интерпретация коэффициентов уравнения парной линейной регрессии и прогноз значений зависимой переменной

Итак, уравнение парной линейной регрессии:

.

В этом уравнении a — свободный член, b — коэффициент при независимой переменной.

Интерпретация свободного члена: a показывает, на сколько единиц график регрессии смещён вверх при x=0, то есть значение переменной y при нулевом значении переменной x.

Интерпретация коэффициента при независимой переменной: b показывает, на сколько единиц изменится значение зависимой переменной y при изменении x на одну единицу.

Пример 5. Зависимость частного потребления граждан от ВВП (истолкуем это просто: от дохода) описывается уравнением парной линейной регрессии . Сделать прогноз потребления при доходе в 20 000 у.е. Выяснить, на сколько увеливается потребление при увеличении дохода на 5000 у.е. Меняется ли потребление, если доход не меняется?

Решение. Подставляем в уравнение парной линейной регрессии x i = 20000 и получаем прогноз потребления при доходе в 20 000 у.е. y i = 17036,4662 .

Подставляем в уравнение парной линейной регрессии x i = 5000 и получаем прогноз увеличения потребления при увеличении дохода на 5000 у.е. y i = 4161,9662 .

Если доход не меняется, то x i = 0 и получаем, что потребление уменьшается на 129,5338 у.е.

Задачи регрессионного анализа

Регрессионный анализ — раздел математической статистики, объединяющий практические методы исследования регрессионной зависимости между величинами по статистическим данным.

Наиболее частые задачи регрессионного анализа:

• установление факта наличия или отсутствия статистических зависимостей между переменными величинами;
• выявление причинных связей между переменными величинами;
• прогноз или восстановление неизвестных значений зависимых переменных по заданным значениям независимых переменных.

Также делаются проверки статистических гипотез о регрессии. Кроме того, при изучении связи между двумя величинами по результатам наблюдений в соответствии с теорией регрессии предполагается, что зависимая переменная имеет некоторое распределение вероятностей при фиксированном значении независимой переменной.

В исследованиях поведения человека, чтобы они претендовали на объективность, важно не только установить зависимость между факторами, но и получить все необходимые статистические показатели для результата проверки соответствующей гипотезы.

Проверка гипотезы о равенстве нулю коэффициента направления прямой парной линейной регрессии

Одна из важнейших гипотез в регрессионном анализе — гипотеза о том, что коэффициент направления прямой регрессии генеральной совокупности равен нулю.

Если это предположение верно, то изменения независимой переменной X не влияют на изменения зависимой переменной Y: переменные X и Y не коррелированы, то есть линейной зависимости Y от X нет.

рассматривают во взаимосвязи с альтернативной гипотезой

.

Статистика коэффициента направления

соответствует распределению Стьюдента с числом степеней свободы v = n — 2 ,

где — стандартная погрешность коэффициента направления прямой линейной регресии b 1 .

Доверительный интервал коэффициента направления прямой линейной регрессии:

.

Критическая область, в которой с вероятностью P = 1 — α отвергают нулевую гипотезу и принимают альтернативную гипотезу:

Пример 6. На основе данных из предыдущих примеров (о ВВП и частном потреблении) определить доверительный интервал коэффициента направления прямой линейной регресии 95% и проверить гипотезу о равенстве нулю коэффициента направления прямой парной линейной регрессии.

Можем рассчитать, что , а стандартная погрешность регрессии .

Таким образом, стандартная погрешность коэффициента направления прямой линейной регресии b 1 :

.

Так как и (находим по таблице в приложениях к учебникам по статистике), то доверительный интервал 95% коэффициента направления прямой парной линейной регрессии:

.

Так как гипотетическое значение коэффициента — нуль — не принадлежит доверительному интервалу, с вероятностью 95% можем отвергнуть основную гипотезу и принять альтернативную гипотезу, то есть считать, что зависимая переменная Y линейно зависит от независимой переменной X.

Оценка значимости параметров уравнения парной линейной регрессии

Парная регрессия представляет собой регрессию между двумя переменными

—у и х, т.е. модель вида ₊ Е

, где у — результативный признак,т.е зависимая переменная; х — признак-фактор.

Линейная регрессия сводится к нахождению уравнения вида или

Уравнение вида позволяет по заданным значениям фактора x иметь теоретические значения результативного признака, подставляя в него фактические значения фактора х.

Построение линейной регрессии сводится к оценке ее пара­метров а и в.

Оценки параметров линейной регрессии могут быть найдены разными методами.

1.

2.

Параметр b называется коэффициентом регрессии. Его вели­чина показывает

среднее изменение результата с изменением фактора на одну единицу.

Формально а — значение у при х = 0. Если признак-фактор

не имеет и не может иметь нулевого значения, то вышеуказанная

трактовка свободного члена, а не имеет смысла. Параметр, а может

не иметь экономического содержания. Попытки экономически

интерпретировать параметр, а могут привести к абсурду, особенно при а 0,

то относительное изменение результата происходит медленнее, чем изменение

проверка качества найденных параметров и всей модели в целом:

-Оценка значимости коэффициента регрессии (b) и коэффициента корреляции

-Оценка значимости всего уравнения регрессии. Коэффициент детерминации

Уравнение регрессии всегда дополняется показателем тесноты связи. При

использовании линейной регрессии в качестве такого показателя выступает

линейный коэффициент корреляции r_xy. Существуют разные

модификации формулы линейного коэф­фициента корреляции.

Линейный коэффициент корреляции находится и границах: -1≤.r_xy

≤ 1. При этом чем ближе r к 0 тем слабее корреляция и наоборот чем

ближе r к 1 или -1, тем сильнее корреляция, т.е. зависимость х и у близка к

линейной. Если r в точности =1или -1 все точки лежат на одной прямой.

Если коэф. регрессии b>0 то 0 ≤.r_xy ≤ 1 и

в модели факторов.

МНК позволяет получить такие оценки параметров а и b, которых

сумма квадратов отклонений фактических значений ре­зультативного признака

(у) от расчетных (теоретических)

Иными словами, из

всего множества линий линия регрессии на графике выбирается так, чтобы сумма

квадратов расстояний по вертикали между точками и этой линией была бы

минималь­ной.

Решается система нормальных уравнений

ОЦЕНКА СУЩЕСТВЕННОСТИ ПАРАМЕТРОВ ЛИНЕЙНОЙ РЕГРЕССИИ.

Оценка значимости уравнения регрессии в целом дается с по­мощью F-критерия

Фишера. При этом выдвигается нулевая ги­потеза, что коэффициент регрессии равен

нулю, т. е. b = 0, и следовательно, фактор х не оказывает

влияния на результат у.

Непосредственному расчету F-критерия предшествует анализ дисперсии.

Центральное место в нем занимает разложе­ние общей суммы квадратов отклонений

переменной у от средне го значения у на две части —

«объясненную» и «необъясненную»:

— общая сумма квадратов отклонений

— сумма квадратов

отклонения объясненная регрессией

— остаточная сумма квадратов отклонения.

Любая сумма квадратов отклонений связана с числом степе­ней свободы, т.

е. с числом свободы независимого варьирования признака. Число степеней свободы связано с числом единиц совокупности nис числом определяемых по ней констант. Применительно к исследуемой проблеме число cтепеней свободы должно показать, сколько независимых откло­нений из п возможных требуется для

образования данной суммы квадратов.

Дисперсия на одну степень свободы D.

F-отношения (F-критерий):

Ecли нулевая гипотеза справедлива, то факторная и остаточная дисперсии не

отличаются друг от друга. Для Н₀ необходимо опровержение, чтобы

факторная дисперсия превышала остаточную в несколько раз. Английским

статистиком Снедекором раз­работаны таблицы критических значений F-отношений

при разных уровнях существенности нулевой гипотезы и различном числе степеней

свободы. Табличное значение F-критерия — это максимальная величина отношения

дисперсий, которая может иметь место при случайном их расхождении для данного

уровня вероятности наличия нулевой гипотезы. Вычисленное значение F-отношения

признается достоверным, если о больше табличного. В этом случае нулевая

гипотеза об отсутствии связи признаков отклоняется и делается вывод о

существенности этой связи: F_факт > F_табл Н₀

Если же величина окажется меньше табличной F_факт ‹, F_табл

, то вероятность нулевой гипотезы выше заданного уровня и она не может быть

отклонена без серьезного риска сделать неправильный вывод о наличии связи. В

этом случае уравнение регрессии считается статистически незначимым. Н_о

Пример нахождения статистической значимости коэффициентов регрессии

Числитель в этой формуле может быть рассчитан через коэффициент детерминации и общую дисперсию признака-результата: .
Для параметра a критерий проверки гипотезы о незначимом отличии его от нуля имеет вид:
,
где — оценка параметра регрессии, полученная по наблюдаемым данным;
μ_a – стандартная ошибка параметра a.
Для линейного парного уравнения регрессии:
.
Для проверки гипотезы о незначимом отличии от нуля коэффициента линейной парной корреляции в генеральной совокупности используют следующий критерий:
, где r_yx — оценка коэффициента корреляции, полученная по наблюдаемым данным; m_r – стандартная ошибка коэффициента корреляции r_yx.
Для линейного парного уравнения регрессии:
.
В парной линейной регрессии между наблюдаемыми значениями критериев существует взаимосвязь: t _{( b =0)} = t _(r=0).

Пример №1 . Уравнение имеет вид y=ax+b
1. Параметры уравнения регрессии.
Средние значения

Связь между признаком Y фактором X сильная и прямая
Уравнение регрессии

Коэффициент детерминации
R 2 = 0.73 2 = 0.54, т.е. в 54% случаев изменения х приводят к изменению y . Другими словами — точность подбора уравнения регрессии — средняя.

2. Оценка параметров уравнения регрессии
Значимость коэффициента корреляции

По таблице Стьюдента находим Tтабл
T_табл (n-m-1;a) = (10;0.05) = 1.812
Поскольку Tнабл > Tтабл , то отклоняем гипотезу о равенстве 0 коэффициента корреляции. Другими словами, коэффициента корреляции статистически — значим.

Анализ точности определения оценок коэффициентов регрессии

S _a = 0.2704
Доверительные интервалы для зависимой переменной

Рассчитаем границы интервала, в котором будет сосредоточено 95% возможных значений Y при неограниченно большом числе наблюдений и X = 88,16
(128.06;163.97)
Проверка гипотез относительно коэффициентов линейного уравнения регрессии
1) t-статистика

Статистическая значимость коэффициента регрессии a подтверждается (3.41>1.812).

Статистическая значимость коэффициента регрессии b подтверждается (2.7>1.812).
Доверительный интервал для коэффициентов уравнения регрессии
Определим доверительные интервалы коэффициентов регрессии, которые с надежность 95% будут следующими (t_табл=1.812):
(a — t_табл·S _a; a + t_табл·S_a)
(0.4325;1.4126)
(b — t_табл·S _b; b + t_табл·S_b)
(21.3389;108.3164)
2) F-статистики