Пример описания регрессионный анализ в статистике. Какие факторы необходимо учитывать при построении множественной регрессии

Понятия корреляции и регрессии непосредственно связаны меж­ду собой. В корреляционном и регрессионном анализе много общих вычислительных приемов. Они используются для выявления причин­но-следственных соотношений между явлениями и процессами. Одна­ко, если корреляционный анализ позволяет оценить силу и направ­ление стохастической связи, то регрессионный анализ - еще и фор­му зависимости.

Регрессия может быть:

а) в зависимости от числа явлений (переменных):

Простой (регрессия между двумя переменными);

Множественной (регрессия между зависимой переменной (y) и несколькими объясняющими ее переменными (х1, х2...хn);

б) в зависимости от формы:

Линейной (отображается линейной функцией, а между изучае­мыми переменными существуют линейные соотношения);

Нелинейной (отображается нелинейной функцией, между изу­чаемыми переменными связь носит нелинейный характер);

в) по характеру связи между включенными в рассмотрение пе­ременными:

Положительной (увеличение значения объясняющей переменной приводит к увеличению значения зависимой переменной и наоборот);

Отрицательной (с увеличением значения объясняющей переменной значение объясняемой переменной уменьшается);

г) по типу:

Непосредственной (в этом случае причина оказывает прямое воздействие на следствие, т.е. зависимая и объясняющая перемен­ные связаны непосредственно друг с другом);

Косвенной (объясняющая переменная оказывает опосредован­ное действие через третью или ряд других переменных на зависимую переменную);

Ложной (нонсенс регрессия) - может возникнуть при поверх­ностном и формальном подходе к исследуемым процессам и явлениям. Примером бессмысленных является регрессия, устанавливающая связь между уменьшением количества потребляемого алкоголя в нашей стране и уменьшением продажи стирального порошка.

При проведении регрессионного анализа решаются следующие основные задачи:

1. Определение формы зависимости.

2. Определение функции регрессии. Для этого используют ма­тематическое уравнение того или иного типа, позволяющее, во-пер­вых, установить общую тенденцию изменения зависимой перемен­ной, а, во-вторых, вычислить влияние объясняющей переменной (или нескольких переменных) на зависимую переменную.

3. Оценка неизвестных значений зависимой переменной. Полу­ченная математическая зависимость (уравнение регрессии) позволя­ет определять значение зависимой переменной как в пределах ин­тервала заданных значений объясняющих переменных, так и за его пределами. В последнем случае регрессионный анализ выступает в качестве полезного инструмента при прогнозировании изменений со­циально-экономических процессов и явлений (при условии сохране­ния существующих тенденций и взаимосвязей). Обычно длина вре­менного отрезка, на который осуществляется прогнозирование, выбирается не более половины интервала времени, на котором прове­дены наблюдения исходных показателей. Можно осуществить как пас­сивный прогноз, решая задачу экстраполяции, так и активный, ведя рассуждения по известной схеме "если..., то" и подставляя раз­личные значения в одну или несколько объясняющих переменных рег­рессии.

Для построения регрессии используется специальный метод, получивший название метода наименьших квадратов . Этот метод име­ет преимущества перед другими методами сглаживания: сравнительно простое математическое определение искомых параметров и хорошее теоретическое обоснование с вероятностной точки зрения.

При выборе модели регрессии одним из существенных требова­ний к ней является обеспечение наибольшей возможной простоты, позволяющей получить решение с достаточной точностью. Поэтому для установления статистических связей вначале, как правило, рассматривают модель из класса линейных функций (как наиболее простейшего из всех возможных классов функций):

где bi, b2...bj - коэффициенты, определяющие влияние независимых переменных хij на величину yi; аi - свободный член; ei - слу­чайное отклонение, которое отражает влияние неучтенных факторов на зависимую переменную; n - число независимых переменных; N ­число наблюдений, причем должно соблюдаться условие (N . n+1).

Линейная модель может описывать весьма широкий класс различных задач. Однако на практике, в частности в социально-эконо­мических системах, подчас затруднительно применение линейных мо­делей из-за больших ошибок аппроксимации. Поэтому нередко ис­пользуются функции нелинейной множественной регрессии, допускающие линеаризацию. К их числу, например, относится производст­венная функция (степенная функция Кобба-Дугласа), нашедшая при­менение в различных социально-экономических исследованиях. Она имеет вид:

где b 0 - нормировочный множитель, b 1 ...b j - неизвестные коэффи­циенты, e i - случайное отклонение.

Используя натуральные логарифмы, можно преобразовать это уравнение в линейную форму:

Полученная модель позволяет использовать стандартные проце­дуры линейной регрессии, описанные выше. Построив модели двух видов (аддитивные и мультипликативные), можно выбрать наилучшие и провести дальнейшие исследования с меньшими ошибками аппрокси­мации.

Существует хорошо развитая система подбора аппроксимирующих функций - методика группового учета аргументов (МГУА) .

О правильности подобранной модели можно судить по результа­там исследования остатков, являющихся разностями между наблю­даемыми величинами y i и соответствующими прогнозируемыми с по­мощью регрессионного уравнения величинами y i . В этом случае для проверки адекватности модели рассчитывается средняя ошибка ап­проксимации:

Модель считается адекватной, если e находится в пределах не более 15%.

Особо подчеркнем, что применительно к социально-экономичес­ким системам далеко не всегда выполняются основные условия адек­ватности классической регрессионной модели.

Не останавливаясь на всех причинах возникающей неадекват­ности, назовем лишь мультиколлинеарность - самую сложную пробле­му эффективного применения процедур регрессионного анализа при изучении статистических зависимостей. Под мультиколлинеарностью понимается наличие линейной связи между объясняющими переменны­ми.

Это явление:

а) искажает смысл коэффициентов регрессии при их содержа­тельной интерпретации;

б) снижает точность оценивания (возрастает дисперсия оце­нок);

в) усиливает чувствительность оценок коэффициентов к выбо­рочным данным (увеличение объема выборки может сильно повлиять на значения оценок).

Существуют различные приемы снижения мультиколлинеарности. Наиболее доступный способ - устранение одной из двух переменных, если коэффициент корреляции между ними превышает значение, рав­ное по абсолютной величине 0,8. Какую из переменных оставить ре­шают, исходя из содержательных соображений. Затем вновь прово­дится расчет коэффициентов регрессии.

Использование алгоритма пошаговой регрессии позволяет пос­ледовательно включать в модель по одной независимой переменной и анализировать значимость коэффициентов регрессии и мультиколли­неарность переменных. Окончательно в исследуемой зависимости ос­таются только те переменные, которые обеспечивают необходимую значимость коэффициентов регрессии и минимальное влияние мульти­коллинеарности.

Метод регрессивного анализа применяется для определения технико-экономических параметров продукции, относящейся к конкретному параметрическому ряду, с целью построения и выравнивания ценностных соотношений. Этот метод используется для анализа и обоснования уровня и соотношений цен продукции, характеризующейся наличием одного или нескольких технико-экономических параметров, отражающих основные потребительские свойства. Регрессивный анализ позволяет найти эмпирическую формулу, описывающую зависимость цены от технико-экономических параметров изделий:

P=f(X1X2,...,Xn),

где Р - значение цены единицы изделия, руб.; (Х1, Х2, ... Хп) - технико-экономические параметры изделий.

Метод регрессивного анализа - наиболее совершенный из используемых нормативно-параметрических методов - эффективен при проведении расчетов на основе применения современных информационных технологий и систем. Применение его включает следующие основные этапы:

• определение классификационных параметрических групп изделий;
• отбор параметров, в наибольшей степени влияющих на цену изделия;
• выбор и обоснование формы связи изменения цены при изменении параметров;
• построение системы нормальных уравнений и расчет коэффициентов регрессии.

Основной квалификационной группой изделий, цена которых подлежит выравниванию, является параметрический ряд, внутри которого изделия могут группироваться по различному исполнению в зависимости от их применения, условий и требований эксплуатации и т. д. При формировании параметрических рядов могут быть применены методы автоматической классификации, которые позволяют из общей массы продукции выделять ее однородные группы. Отбор технико-экономических параметров производится исходя из следующих основных требований:

• в состав отобранных параметров включаются параметры, зафиксированные в стандартах и технических условиях; помимо технических параметров (мощности, грузоподъемности, скорости и т.д.) используются показатели серийности продукции, коэффициенты сложности, унификации и др.;
• совокупность отобранных параметров должна достаточно полно характеризовать конструктивные, технологические и эксплуатационные свойства изделий, входящих в ряд, и иметь достаточно тесную корреляционную связь с ценой;
• параметры не должны быть взаимозависимы.

Для отбора технико-экономических параметров, существенно влияющих на цену, вычисляется матрица коэффициентов парной корреляции. По величине коэффициентов корреляции между параметрами можно судить о тесноте их связи. При этом близкая к нулю корреляция показывает незначительное влияние параметра на цену. Окончательный отбор технико-экономических параметров производится в процессе пошагового регрессивного анализа с использованием компьютерной техники и соответствующих стандартных программ.

В практике ценообразования применяется следующий набор функций:

линейная

P = ao + alXl + ... + antXn,

линейно-степенная

Р = ао + а1Х1 + ... + аnХп + (ап+1Хп) (ап+1Хп) +... + (ап+nХп2) (ап+nХп2)

обратного логарифма

Р = а0 + а1: In Х1 + ... + ап: In Xn,

степенная

P = a0 (X1^a1) (X2^a2) .. (Xn^an)

показательная

P = e^(а1+а1X1+...+аnХn)

гиперболическая

Р = ао + а1:Х1 + а2:Х2 + ... + ап:Хп,

где Р - выравнивание цены; X1 X2,..., Хп - значение технико-экономических параметров изделий ряда; a0, a1 ..., аn - вычисляемые коэффициенты уравнения регресии.

В практической работе по ценообразованию в зависимости от формы связи цен и технико-экономических параметров могут использоваться другие уравнения регрессии. Вид функции связи между ценой и совокупностью технико-экономических параметров может быть задан предварительно или выбран автоматически в процессе обработки на ЭВМ. Теснота корреляционной связи между ценой и совокупностью параметров оценивается по величине множественного коэффициента корреляции. Близость его к единице говорит о тесной связи. По уравнению регрессии получают выравненные (расчетные) значения цен изделий данного параметрического ряда. Для оценки результатов выравнивания вычисляют относительные величины отклонения расчетных значений цен от фактических:

Цр = Рф - Рр: Р х 100

где Рф, Рр - фактическая и расчетная цены.

Величина Цр не должна превышать 8-10%. В случае существенных отклонений расчетных значений от фактических необходимо исследовать:

• правильность формирования параметрического ряда, так как в его составе могут оказаться изделия, по своим параметрам резко отличающиеся от других изделий ряда. Их надо исключить;
• правильность отбора технико-экономических параметров. Возможна совокупность параметров, слабо коррелируемая с ценой. В этом случае необходимо продолжить поиск и отбор параметров.

Порядок и методика проведения регрессивного анализа, нахождения неизвестных параметров уравнения и экономическая оценка полученных результатов осуществляются в соответствии с требованиями математической статистики.

Регрессионный анализ является одним из самых востребованных методов статистического исследования. С его помощью можно установить степень влияния независимых величин на зависимую переменную. В функционале Microsoft Excel имеются инструменты, предназначенные для проведения подобного вида анализа. Давайте разберем, что они собой представляют и как ими пользоваться.

Но, для того, чтобы использовать функцию, позволяющую провести регрессионный анализ, прежде всего, нужно активировать Пакет анализа. Только тогда необходимые для этой процедуры инструменты появятся на ленте Эксель.

Теперь, когда мы перейдем во вкладку «Данные» , на ленте в блоке инструментов «Анализ» мы увидим новую кнопку – «Анализ данных» .

Виды регрессионного анализа

Существует несколько видов регрессий:

• параболическая;
• степенная;
• логарифмическая;
• экспоненциальная;
• показательная;
• гиперболическая;
• линейная регрессия.

О выполнении последнего вида регрессионного анализа в Экселе мы подробнее поговорим далее.

Линейная регрессия в программе Excel

Внизу, в качестве примера, представлена таблица, в которой указана среднесуточная температура воздуха на улице, и количество покупателей магазина за соответствующий рабочий день. Давайте выясним при помощи регрессионного анализа, как именно погодные условия в виде температуры воздуха могут повлиять на посещаемость торгового заведения.

Общее уравнение регрессии линейного вида выглядит следующим образом: У = а0 + а1х1 +…+акхк. В этой формуле Y означает переменную, влияние факторов на которую мы пытаемся изучить. В нашем случае, это количество покупателей. Значение x – это различные факторы, влияющие на переменную. Параметры a являются коэффициентами регрессии. То есть, именно они определяют значимость того или иного фактора. Индекс k обозначает общее количество этих самых факторов.

Разбор результатов анализа

Результаты регрессионного анализа выводятся в виде таблицы в том месте, которое указано в настройках.

Одним из основных показателей является R-квадрат . В нем указывается качество модели. В нашем случае данный коэффициент равен 0,705 или около 70,5%. Это приемлемый уровень качества. Зависимость менее 0,5 является плохой.

Ещё один важный показатель расположен в ячейке на пересечении строки «Y-пересечение» и столбца «Коэффициенты» . Тут указывается какое значение будет у Y, а в нашем случае, это количество покупателей, при всех остальных факторах равных нулю. В этой таблице данное значение равно 58,04.

Значение на пересечении граф «Переменная X1» и «Коэффициенты» показывает уровень зависимости Y от X. В нашем случае — это уровень зависимости количества клиентов магазина от температуры. Коэффициент 1,31 считается довольно высоким показателем влияния.

Как видим, с помощью программы Microsoft Excel довольно просто составить таблицу регрессионного анализа. Но, работать с полученными на выходе данными, и понимать их суть, сможет только подготовленный человек.

Что такое регрессия?

Рассмотрим две непрерывные переменные x=(x 1 , x 2 , .., x n), y=(y 1 , y 2 , ..., y n).

Разместим точки на двумерном графике рассеяния и скажем, что мы имеем линейное соотношение , если данные аппроксимируются прямой линией.

Если мы полагаем, что y зависит от x , причём изменения в y вызываются именно изменениями в x , мы можем определить линию регрессии (регрессия y на x ), которая лучше всего описывает прямолинейное соотношение между этими двумя переменными.

Статистическое использование слова "регрессия" исходит из явления, известного как регрессия к среднему, приписываемого сэру Френсису Гальтону (1889).

Он показал, что, хотя высокие отцы имеют тенденцию иметь высоких сыновей, средний рост сыновей меньше, чем у их высоких отцов. Средний рост сыновей "регрессировал" и "двигался вспять" к среднему росту всех отцов в популяции. Таким образом, в среднем высокие отцы имеют более низких (но всё-таки высоких) сыновей, а низкие отцы имеют сыновей более высоких (но всё-таки довольно низких).

Линия регрессии

Математическое уравнение, которое оценивает линию простой (парной) линейной регрессии:

x называется независимой переменной или предиктором.

Y - зависимая переменная или переменная отклика. Это значение, которое мы ожидаем для y (в среднем), если мы знаем величину x , т.е. это «предсказанное значение y »

• a - свободный член (пересечение) линии оценки; это значение Y , когда x=0 (Рис.1).
• b - угловой коэффициент или градиент оценённой линии; она представляет собой величину, на которую Y увеличивается в среднем, если мы увеличиваем x на одну единицу.
• a и b называют коэффициентами регрессии оценённой линии, хотя этот термин часто используют только для b .

Парную линейную регрессию можно расширить, включив в нее более одной независимой переменной; в этом случае она известна как множественная регрессия .

Рис.1. Линия линейной регрессии, показывающая пересечение a и угловой коэффициент b (величину возрастания Y при увеличении x на одну единицу)

Метод наименьших квадратов

Мы выполняем регрессионный анализ, используя выборку наблюдений, где a и b - выборочные оценки истинных (генеральных) параметров, α и β , которые определяют линию линейной регрессии в популяции (генеральной совокупности).

Наиболее простым методом определения коэффициентов a и b является метод наименьших квадратов (МНК).

Подгонка оценивается, рассматривая остатки (вертикальное расстояние каждой точки от линии, например, остаток = наблюдаемому y - предсказанный y , Рис. 2).

Линию лучшей подгонки выбирают так, чтобы сумма квадратов остатков была минимальной.

Рис. 2. Линия линейной регрессии с изображенными остатками (вертикальные пунктирные линии) для каждой точки.

Предположения линейной регрессии

Итак, для каждой наблюдаемой величины остаток равен разнице и соответствующего предсказанного Каждый остаток может быть положительным или отрицательным.

Можно использовать остатки для проверки следующих предположений, лежащих в основе линейной регрессии:

• Остатки нормально распределены с нулевым средним значением;

Если допущения линейности, нормальности и/или постоянной дисперсии сомнительны, мы можем преобразовать или и рассчитать новую линию регрессии, для которой эти допущения удовлетворяются (например, использовать логарифмическое преобразование или др.).

Аномальные значения (выбросы) и точки влияния

"Влиятельное" наблюдение, если оно опущено, изменяет одну или больше оценок параметров модели (т.е. угловой коэффициент или свободный член).

Выброс (наблюдение, которое противоречит большинству значений в наборе данных) может быть "влиятельным" наблюдением и может хорошо обнаруживаться визуально, при осмотре двумерной диаграммы рассеяния или графика остатков.

И для выбросов, и для "влиятельных" наблюдений (точек) используют модели, как с их включением, так и без них, обращают внимание на изменение оценки (коэффициентов регрессии).

При проведении анализа не стоит отбрасывать выбросы или точки влияния автоматически, поскольку простое игнорирование может повлиять на полученные результаты. Всегда изучайте причины появления этих выбросов и анализируйте их.

Гипотеза линейной регрессии

При построении линейной регрессии проверяется нулевая гипотеза о том, что генеральный угловой коэффициент линии регрессии β равен нулю.

Если угловой коэффициент линии равен нулю, между и нет линейного соотношения: изменение не влияет на

Для тестирования нулевой гипотезы о том, что истинный угловой коэффициент равен нулю можно воспользоваться следующим алгоритмом:

Вычислить статистику критерия, равную отношению , которая подчиняется распределению с степенями свободы, где стандартная ошибка коэффициента

,

- оценка дисперсии остатков.

Обычно если достигнутый уровень значимости нулевая гипотеза отклоняется.

где процентная точка распределения со степенями свободы что дает вероятность двустороннего критерия

Это тот интервал, который содержит генеральный угловой коэффициент с вероятностью 95%.

Для больших выборок, скажем, мы можем аппроксимировать значением 1,96 (то есть статистика критерия будет стремиться к нормальному распределению)

Оценка качества линейной регрессии: коэффициент детерминации R 2

Из-за линейного соотношения и мы ожидаем, что изменяется, по мере того как изменяется , и называем это вариацией, которая обусловлена или объясняется регрессией. Остаточная вариация должна быть как можно меньше.

Если это так, то большая часть вариации будет объясняться регрессией, а точки будут лежать близко к линии регрессии, т.е. линия хорошо соответствует данным.

Долю общей дисперсии , которая объясняется регрессией называют коэффициентом детерминации , обычно выражают через процентное соотношение и обозначают R 2 (в парной линейной регрессии это величина r 2 , квадрат коэффициента корреляции), позволяет субъективно оценить качество уравнения регрессии.

Разность представляет собой процент дисперсии который нельзя объяснить регрессией.

Нет формального теста для оценки мы вынуждены положиться на субъективное суждение, чтобы определить качество подгонки линии регрессии.

Применение линии регрессии для прогноза

Можно применять регрессионную линию для прогнозирования значения по значению в пределе наблюдаемого диапазона (никогда не экстраполируйте вне этих пределов).

Мы предсказываем среднюю величину для наблюдаемых, которые имеют определенное значение путем подстановки этого значения в уравнение линии регрессии.

Итак, если прогнозируем как Используем эту предсказанную величину и ее стандартную ошибку, чтобы оценить доверительный интервал для истинной средней величины в популяции.

Повторение этой процедуры для различных величин позволяет построить доверительные границы для этой линии. Это полоса или область, которая содержит истинную линию, например, с 95% доверительной вероятностью.

Простые регрессионные планы

Простые регрессионные планы содержат один непрерывный предиктор. Если существует 3 наблюдения со значениями предиктора P , например, 7, 4 и 9, а план включает эффект первого порядка P , то матрица плана X будет иметь вид

а регрессионное уравнение с использованием P для X1 выглядит как

Y = b0 + b1 P

Если простой регрессионный план содержит эффект высшего порядка для P , например квадратичный эффект, то значения в столбце X1 в матрице плана будут возведены во вторую степень:

а уравнение примет вид

Y = b0 + b1 P2

Сигма -ограниченные и сверхпараметризованные методы кодирования не применяются по отношению к простым регрессионным планам и другим планам, содержащим только непрерывные предикторы (поскольку, просто не существует категориальных предикторов). Независимо от выбранного метода кодирования, значения непрерывных переменных увеличиваются в соответствующей степени и используются как значения для переменных X . При этом перекодировка не выполняется. Кроме того, при описании регрессионных планов можно опустить рассмотрение матрицы плана X , а работать только с регрессионным уравнением.

Пример: простой регрессионный анализ

Этот пример использует данные, представленные в таблице:

Рис. 3. Таблица исходных данных.

Данные составлены на основе сравнения переписей 1960 и 1970 в произвольно выбранных 30 округах. Названия округов представлены в виде имен наблюдений. Информация относительно каждой переменной представлена ниже:

Рис. 4. Таблица спецификаций переменных.

Задача исследования

Для этого примера будут анализироваться корреляция уровня бедности и степень, которая предсказывает процент семей, которые находятся за чертой бедности. Следовательно мы будем трактовать переменную 3 (Pt_Poor ) как зависимую переменную.

Можно выдвинуть гипотезу: изменение численности населения и процент семей, которые находятся за чертой бедности, связаны между собой. Кажется разумным ожидать, что бедность ведет к оттоку населения, следовательно, здесь будет отрицательная корреляция между процентом людей за чертой бедности и изменением численности населения. Следовательно мы будем трактовать переменную 1 (Pop_Chng ) как переменную-предиктор.

Просмотр результатов

Коэффициенты регрессии

Рис. 5. Коэффициенты регрессии Pt_Poor на Pop_Chng.

На пересечении строки Pop_Chng и столбца Парам. не стандартизованный коэффициент для регрессии Pt_Poor на Pop_Chng равен -0.40374 . Это означает, что для каждого уменьшения численности населения на единицу, имеется увеличение уровня бедности на.40374. Верхний и нижний (по умолчанию) 95% доверительные пределы для этого не стандартизованного коэффициента не включают ноль, так что коэффициент регрессии значим на уровне p<.05 . Обратите внимание на не стандартизованный коэффициент, который также является коэффициентом корреляции Пирсона для простых регрессионных планов, равен -.65, который означает, что для каждого уменьшения стандартного отклонения численности населения происходит увеличение стандартного отклонения уровня бедности на.65.

Распределение переменных

Коэффициенты корреляции могут стать существенно завышены или занижены, если в данных присутствуют большие выбросы. Изучим распределение зависимой переменной Pt_Poor по округам. Для этого построим гистограмму переменной Pt_Poor .

Рис. 6. Гистограмма переменной Pt_Poor.

Как вы можете заметить, распределение этой переменной заметно отличается от нормального распределения. Тем не менее, хотя даже два округа (два правых столбца) имеют высокий процент семей, которые находятся за чертой бедности, чем ожидалось в случае нормального распределения, кажется, что они находятся "внутри диапазона."

Рис. 7. Гистограмма переменной Pt_Poor.

Это суждение в некоторой степени субъективно. Эмпирическое правило гласит, что выбросы необходимо учитывать, если наблюдение (или наблюдения) не попадают в интервал (среднее ± 3 умноженное на стандартное отклонение). В этом случае стоит повторить анализ с выбросами и без, чтобы убедиться, что они не оказывают серьезного эффекта на корреляцию между членами совокупности.

Диаграмма рассеяния

Если одна из гипотез априори о взаимосвязи между заданными переменными, то ее полезно проверить на графике соответствующей диаграммы рассеяния.

Рис. 8. Диаграмма рассеяния.

Диаграмма рассеяния показывает явную отрицательную корреляцию (-.65 ) между двумя переменными. На ней также показан 95% доверительный интервал для линии регрессии, т.е., с 95% вероятностью линия регрессии проходит между двумя пунктирными кривыми.

Критерии значимости

Рис. 9. Таблица, содержащая критерии значимости.

Критерий для коэффициента регрессии Pop_Chng подтверждает, что Pop_Chng сильно связано с Pt_Poor , p<.001 .

Итог

На этом примере было показано, как проанализировать простой регрессионный план. Была также представлена интерпретация не стандартизованных и стандартизованных коэффициентов регрессии. Обсуждена важность изучения распределения откликов зависимой переменной, продемонстрирована техника определения направления и силы взаимосвязи между предиктором и зависимой переменной.

Лекция 3.

Регрессионный анализ.

1) Числовые характеристики регрессии

2) Линейная регрессия

3) Нелинейная регрессия

4) Множественная регрессия

5) Использование MS EXCEL для выполнения регрессионного анализа

Контрольно-оценочное средство - тестовые задания

1. Числовые характеристики регрессии

Регрессионный анализ — статистический метод исследования влияния одной или нескольких независимых переменных на зависимую переменную. Независимые переменные иначе называют регрессорами или предикторами, а зависимые переменные — критериальными. Терминология зависимых и независимых переменных отражает лишь математическую зависимость переменных, а не причинно-следственные отношения.

Цели регрессионного анализа

• Определение степени детерминированности вариации критериальной (зависимой) переменной предикторами (независимыми переменными).
• Предсказание значения зависимой переменной с помощью независимой(-ых).
• Определение вклада отдельных независимых переменных в вариацию зависимой.

Регрессионный анализ нельзя использовать для определения наличия связи между переменными, поскольку наличие такой связи и есть предпосылка для применения анализа.

Для проведения регрессионного анализа первоначально необходимо познакомиться с базовыми понятиями статистики и теории вероятности.

Основные числовые характеристики дискретных и непрерывных случайных величин: математическое ожидание, дисперсия и среднее квадратическое отклонение.

Случайные величине делят на две разновидности:

• · дискретные, которые могут принимать только конкретные, заранее оговоренные значения (например, - значения чисел на верхней грани брошенной игральной кости или порядковые значения текущего месяца);
• · непрерывные (чаще всего - значения некоторых физических величин: веса, расстояния, температуры и т.п.), которые по законам природы могут принимать любые значения, хотя бы и в некотором интервале.

Закон распределения случайной величины - это соответствие между возможными значениями дискретной случайной величины и ее вероятностями, обычно записывается в таблицу:

Статистическое определение вероятности выражается через относительную частоту случайного события, то есть находится как отношение количества случайных величин к общему числу случайных величин.

Математическим ожиданием дискретной случайной величины X называется сумма произведений значений величины X на вероятности этих значений. Математическое ожидание обозначают или M (X ) .

n

= M (X ) = x 1 p 1 + x 2 p 2 +… + x n p n = S x i p i

i =1

Рассеяние случайной величины относительно её математического ожидания определяется с помощью числовой характеристики, называемой дисперсией. Проще говоря, дисперсия - это разброс случайной величины относительно среднего значения. Для понятия сущности дисперсии рассмотрим пример. Средняя заработная плата по стране составляет около 25 тысяч рублей. Откуда берется эта цифра? Скорее всего, складываются все зарплаты и делятся на количество работников. В данном случае очень большая дисперсия (минимальная зарплата около 4 тыс. руб., а максимальная - около 100 тыс. руб.). Если бы зарплата у всех была одинаковой, то дисперсия была бы равна нулю, и разброса бы не было.

Дисперсией дискретной случайной величины X называют математическое ожидание квадрата разности случайной величины и её математического ожидания:

D = M [ ((X - M (X)) 2 ]

Используя определение математического ожидания для вычисления дисперсии, получаем формулу:

D = S (x i - M (X)) 2 · p i

Дисперсия имеет размерность квадрата случайной величины. В тех случаях, когда нужно иметь числовую характеристику рассеяния возможных значений в той же размерности, что и сама случайная величина, используют среднее квадратичное отклонение.

Средним квадратичным отклонением случайной величины называют корень квадратный из её дисперсии.

Среднее квадратичное отклонение есть мера рассеяния значений случайной величины около ее математического ожидания.

Пример.

Закон распределения случайной величины Х задан следующей таблицей:

Найти её математическое ожидание, дисперсию и среднее квадратичное отклонение.

Используем приведенные выше формулы:

М (Х) = 1 · 0,1 + 2 · 0,4 + 4 · 0,4 + 5 · 0,1 = 3

D = (1-3) 2 · 0,1 + (2 - 3) 2 · 0,4 + (4 - 3) 2 · 0,4 + (5 - 3) 2 · 0,1 = 1,6

Пример.

В денежной лотерее разыгрывается 1 выигрыш в 1000 рублей, 10 выигрышей по 100 рублей и 100 выигрышей по 1 рублю при общем числе билетов 10000. Составьте закон распределения случайного выигрыша Х для владельца одного лотерейного билета и определите математическое ожидание, дисперсию и среднее квадратичное отклонение случайной величины.

X 1 = 1000, Х 2 = 100, Х 3 = 1, Х 4 = 0,

Р 1 = 1/10000 = 0,0001, Р 2 = 10/10000 = 0,001, Р 3 = 100/10000 = 0,01, Р 4 = 1 - (Р 1 + Р 2 + Р 3) = 0,9889.

Результаты поместим в таблицу:

Математическое ожидание - сумма парных произведений значения случайной величины на их вероятность. Для данной задачи его целесообразно вычислить по формуле

1000 · 0,0001 + 100 · 0,001 + 1 · 0,01 + 0 · 0,9889 = 0,21 рубля.

Получили настоящую «справедливую» цену билета.

D = S (x i - M (X)) 2 · p i = (1000 - 0,21) 2 0,0001 + (100 - 0,21) 2 0,001 +

+ (1 - 0,21) 2 0,01 + (0 - 0,21) 2 0,9889 ≈ 109,97

Функция распределения непрерывных случайных величин

Величину, которая в результате испытания примет одно возможное значение (при этом заранее неизвестно какое), называется случайной величиной. Как говорилось выше, случайные величины бывают дискретные (прерывные) и непрерывные.

Дискретной называют случайную величину, принимающую отдельные друг от друга возможные значения с определенными вероятностями, которые можно пронумеровать.

Непрерывной называют случайную величину, которая может принимать все значения из некоторого конечного или бесконечного интервала.

До этого момента мы ограничивались только одной “разновидностью” случайных величин - дискретных, т.е. принимающих конечные значения.

Но теория и практика статистики требуют использовать понятие непрерывной случайной величины - допускающей любые числовые значения, из какого - либо интервала.

Закон распределения непрерывной случайной величины удобно задавать с помощью так называемой функции плотности вероятности. f (х). Вероятность Р (a < X < b) того, что значение, принятое случайной величиной Х, попадет в промежуток (a; b), определяется равенством

Р (a < X < b) = ∫ f (x ) dx

График функции f (х) называется кривой распределения. Геометрически вероятность попадания случайной величины в промежуток (a; b), равна площади соответствующей криволинейной трапеции, ограниченной кривой распределения, осью Ох и прямыми х = а, х = b.

P(a£X

Если от сложного события вычесть конечное либо счетное множество, вероятность наступления нового события останется неизменной.

Функция f(x) - числовая скалярная функция действительного аргумента x называется плотностью вероятности, и существует в точке x, если в этой точке существует предел:

Свойства плотности вероятности:

1. Плотность вероятности является неотрицательной функцией, т. е. f(x) ≥ 0

(если все значения случайной величины Х заключены в промежутке (a;b), то последнее

равенство можно записать в виде ∫ f (x) dx = 1).

Рассмотрим теперь функцию F(х) = Р (Х < х). Эта функция называется функцией распределения вероятности случайной величины Х. Функция F(х) существует как для дискретных, так и для непрерывных случайных величин. Если f (x) - функция плотности распределения вероятности

непрерывной случайной величины Х, то F (х) = ∫ f(x) dx = 1).

Из последнего равенства следует, что f (x) = F" (x)

Иногда функцию f(x) называют дифференциальной функцией распределения вероятности, а функцию F(x) - интегральной функцией распределения вероятности.

Отметим важнейшие свойства функции распределения вероятности:

1. F (х) - неубывающая функция.
2. F (- ∞) = 0.
3. F (+ ∞) = 1.

Понятие функции распределения является центральным в теории вероятностей. Используя это понятие, можно дать другое определение непрерывной случайной величины. Случайная величина называется непрерывной, если ее интегральная функция распределения F(х) непрерывна.

Числовые характеристики непрерывных случайных величин

Математическое ожидание, дисперсия и другие параметры любых случайных величин практически всегда вычисляются по формулам, вытекающим из закона распределения.

Для непрерывной случайной величины математическое ожидание вычисляется по формуле:

М (Х) = ∫ x · f(x ) dx

Дисперсия:

D (X) = ∫ (x - М (Х)) 2 f (x ) dx или D (X) = ∫ x 2 f(x ) dx - (М (Х)) 2

2. Линейная регрессия

Пусть составляющие Х и Y двумерной случайной величины (Х, Y) зависимы. Будем считать, что одну из них можно приближенно представить как линейную функцию другой, например

Y ≈ g(Х) = α + βХ, и определим параметры α и β с помощью метода наименьших квадратов.

Определение. Функция g(Х) = α + βХ называется наилучшим приближением Y в смысле метода наименьших квадратов, если математическое ожидание М(Y - g(Х)) 2 принимает наименьшее возможное значение; функцию g(Х) называют среднеквадратической регрессией Y на Х.

Теорема Линейная средняя квадратическая регрессия Y на Х имеет вид:

где - коэффициент корреляции Х иY.

Коэффициенты уравнения.

Можно проверить, что при этих значениях функция функция F(α, β)

F (α, β ) = M (Y - α - βX )² имеет минимум, что доказывает утверждение теоремы.

Определение. Коэффициент называется коэффициентом регрессии Y на Х , а прямая - - прямой среднеквадратической регрессии Y на Х .

Подставив координаты стационарной точки в равенство, можно найти минимальное значение функции F(α, β), равное Эта величина называется остаточной дисперсией Y относительно Х и характеризует величину ошибки, допускаемой при замене Y на

g(Х) = α+βХ. При остаточная дисперсия равна 0, то есть равенство является не приближенным, а точным. Следовательно, при Y и Х связаны линейной функциональной зависимостью. Аналогично можно получить прямую среднеквадратической регрессии Х на Y:

и остаточную дисперсию Х относительно Y. При обе прямые регрессии совпадают. Сопоставив уравнения регрессии У на Х и Х на У и решив систему из уравнений, можно найти точку пересечения прямых регрессии - точку с координатами (т х, т у), называемую центром совместного распределения величин Х и Y.

Алгоритм составления уравнений регрессии рассмотрим из учебника В. Е. Гмурмана «Теория вероятности и математическая статистика» стр. 256.

1) Составить расчетную таблицу, в которой будут записаны номера элементов выборки, варианты выборки, их квадраты и произведение.

2) Вычислить сумму по всем столбцам, кроме номера.

3) Вычислить средние значения для каждой величины, дисперсии и средне квадратические отклонения.

5) Проверить гипотезу о существовании связи между Х и У.

6) Составить уравнения обеих линий регрессии и изобразить графики этих уравнений.

Угловой коэффициент прямой линии регрессии У на Х - это выборочный коэффициент регрессии

Коэффициент b=

Получим искомое уравнение линии регрессии У на Х:

У = 0,202 Х + 1,024

Аналогично уравнение регрессии Х на У:

Угловой коэффициент прямой линии регрессии У на Х - это выборочный коэффициент регрессии pxy:

Коэффициент b=

Х = 4,119У - 3,714

3. Нелинейная регрессия

Если между экономическими явлениями существуют нелинейные соотношения, то они выражаются с помощью соответствующих нелинейных функций.

Различают два класса нелинейных регрессий:

1. Регрессии, нелинейные относительно включенных в анализ объясняющих переменных, но линейные по оцениваемым параметрам, например:

Полиномы разных степеней

Равносторонняя гипербола - ;

Полулогарифмическая функция - .

2. Регрессии, нелинейные по оцениваемым параметрам, например:

Степенная - ;

Показательная - ;

Экспоненциальная - .

Регрессии нелинейные по включенным переменным приводятся к линейному виду простой заменой переменных, а дальнейшая оценка параметров производится с помощью метода наименьших квадратов. Рассмотрим некоторые функции.

Парабола второй степени приводится к линейному виду с помощью замены: . В результате приходим к двухфакторному уравнению, оценка параметров которого при помощи Метода наименьших квадратов приводит к системе уравнений:

Парабола второй степени обычно применяется в случаях, когда для определенного интервала значений фактора меняется характер связи рассматриваемых признаков: прямая связь меняется на обратную или обратная на прямую.

Равносторонняя гипербола может быть использована для характеристики связи удельных расходов сырья, материалов, топлива от объема выпускаемой продукции, времени обращения товаров от величины товарооборота. Классическим ее примером является кривая Филлипса, характеризующая нелинейное соотношение между нормой безработицы x и процентом прироста заработной платы y .

Гипербола приводится к линейному уравнению простой заменой: . Также можно использовать Метод наименьших квадратов для составления системы линейных уравнений.

Аналогичным образом приводятся к линейному виду зависимости: , и другие.

Равносторонняя гипербола и полулогарифмическая кривая используют для описания кривой Энгеля (математическое описание взаимосвязи доли расходов на товары длительного пользования и общих сумм расходов (или доходов)). Уравнения, в которых входят, применяются в исследованиях урожайности, трудоемкости сельскохозяйственного производства.

4. Множественная регрессия

Множественная регрессия - уравнение связи с несколькими независимыми переменными:

где - зависимая переменная (результативный признак);

Независимые переменные (факторы).

Для построения уравнения множественной регрессии чаще используются следующие функции:

линейная -

степенная -

экспонента -

гипербола - .

Можно использовать и другие функции, приводимые к линейному виду.

Для оценки параметров уравнения множественной регрессии применяют метод наименьших квадратов (МНК). Для линейных уравнений и нелинейных уравнений, приводимых к линейным, строится следующая система нормальных уравнений, решение которой позволяет получить оценки параметров регрессии:

Для ее решения может быть применен метод определителей:

где - определитель системы;

Частные определители; которые получаются путем замены соответствующего столбца матрицы определителя системы данными левой части системы.

Другой вид уравнения множественной регрессии - уравнение регрессии в стандартизированном масштабе, к уравнению множественной регрессии в стандартизированном масштабе применим МНК.

5. Использование MS EXCEL для выполнения регрессионного анализа

Регрессионный анализ устанавливает формы зависимости между случайной величиной Y (зависимой) и значениями одной или нескольких переменных величин (независимых), причем значения последних считаются точно заданными. Такая зависимость обычно определяется некоторой математической моделью (уравнением регрессии), содержащей несколько неизвестных параметров. В ходе регрессионного анализа на основании выборочных данных находят оценки этих параметров, определяются статистические ошибки оценок или границы доверительных интервалов и проверяется соответствие (адекватность) принятой математической модели экспериментальным данным.

В линейном регрессионном анализе связь между случайными величинами предполагается линейной. В самом простом случае в парной линейной регрессионной модели имеются две переменные Х и Y. И требуется по n парам наблюдений (X1, Y1), (X2, Y2), ..., (Xn, Yn) построить (подобрать) прямую линию, называемую линией регрессии, которая «наилучшим образом» приближает наблюдаемые значения. Уравнение этой линии y=аx+b является регрессионным уравнением. С помощью регрессионного уравнения можно предсказать ожидаемое значение зависимой величины y, соответствующее заданному значению независимой переменной x. В случае, когда рассматривается зависимость между одной зависимой переменной Y и несколькими независимыми X1, X2, ..., Xm, говорят о множественной линейной регрессии.

В этом случае регрессионное уравнение имеет вид

y = a 0 +a 1 x 1 +a 2 x 2 +…+a m x m ,

где a0, a1, a2, …, am - требующие определения коэффициенты регрессии.

Коэффициенты уравнения регрессии определяются при помощи метода наименьших квадратов, добиваясь минимально возможной суммы квадратов расхождений реальных значений переменной Y и вычисленных по регрессионному уравнению. Таким образом, например, уравнение линейной регрессии может быть построено даже в том случае, когда линейная корреляционная связь отсутствует.

Мерой эффективности регрессионной модели является коэффициент детерминации R2 (R-квадрат). Коэффициент детерминации может принимать значения между 0 и 1 определяет, с какой степенью точности полученное регрессионное уравнение описывает (аппроксимирует) исходные данные. Исследуется также значимость регрессионной модели с помощью F-критерия (Фишера) и достоверность отличия коэффициентов a0, a1, a2, …, am от нуля проверяется с помощью критерия Стьюдента.

В Excel экспериментальные данные аппроксимируются линейным уравнением до 16 порядка:

y = a0+a1x1+a2x2+…+a16x16

Для получения коэффициентов линейной регрессии может быть использована процедура «Регрессия» из пакета анализа. Также полную информацию об уравнении линейной регрессии дает функция ЛИНЕЙН. Кроме того, могут быть использованы функции НАКЛОН и ОТРЕЗОК для получения параметров регрессионного уравнения и функция ТЕНДЕНЦИЯ и ПРЕДСКАЗ для получения предсказанных значений Y в требуемых точках (для парной регрессии).

Рассмотрим подробно применение функции ЛИНЕЙН (известные_y, [известные_x], [константа], [статистика]): известные_у - диапазон известных значений зависимого параметра Y. В парном регрессионном анализе может иметь любую форму; в множественном должен быть строкой либо столбцом; известные_х - диапазон известных значений одного или нескольких независимых параметров. Должен иметь ту же форму, что и диапазон Y (для нескольких параметров - соответственно несколько столбцов или строк); константа - логический аргумент. Если исходя из практического смысла задачи регрессионного анализа необходимо, чтобы линия регрессии проходила через начало координат, то есть свободный коэффициент был равен 0, значение этого аргумента следует положить равным 0 (или «ложь»). Если значение положено 1 (или «истина») или опущено, то свободный коэффициент вычисляется обычным образом; статистика - логический аргумент. Если значение положено 1 (или «истина»), то дополнительно возвращается регрессионная статистика (см таблицу), используемая для оценки эффективности и значимости модели. В общем случае для парной регрессии y=аx+b результат применения функции ЛИНЕЙН имеет вид:

Таблица. Выводной диапазон функции ЛИНЕЙН для парного регрессионного анализа

В случае множественного регрессионного анализа для уравнения y=a0+a1x1+a2x2+…+amxm в первой строке выводятся коэффициенты am,…,a1,а0, во второй - стандартные ошибки для этих коэффициентов. В 3-5 строках за исключением первых двух столбцов, заполненных регрессионной статистикой, будет получено значение #Н/Д.

Вводить функцию ЛИНЕЙН следует как формулу массива, выделив вначале массив нужного размера для результата (m+1 столбец и 5 строк, если требуется регрессионная статистика) и завершив ввод формулы нажатием CTRL+SHIFT+ENTER.

Результат для нашего примера:

Кроме этого в программе имеется встроенная функция - Анализ данных на вкладке Данные.

С помощью нее можно также выполнять регрессионный анализ:

На слайде - результат регрессионного анализа, выполненного с помощью Анализа данных.

Уравнения регрессии, которые мы смотрели ранее также построены в MS Excel. Для их выполнения сначала строится Точечная диаграмма, затем через контекстное меню выбираем - Добавить линию тренда. В новом окне ставим галочки - Показывать уравнение на диаграмме и поместить на диаграмму величину достоверности апроксимации (R^2).

Литература:

1. Теория вероятностей и математическая статистика. Гмурман В. Е. Учебное пособие для вузов. - Изд. 10-е, стер. - М.: Высш. шк., 2010. - 479с.
2. Высшая математика в упражнениях и задачах. Учебное пособие для вузов / Данко П. Е., Попов А. Г., Кожевникова Т. Я., Данко С. П. В 2 ч. - Изд. 6-е, стер. - М.: ООО «Издательство Оникс»: ООО «Издательство «Мир и образование» , 2007. - 416 с.
   1. 3. http://www.machinelearning.ru/wiki/index.php?title=%D0%A0%D0%B5%D0%B3%D1%80%D0%B5%D1%81%D1%81%D0%B8%D1%8F - некоторые сведения о регрессионном анализе