Что такое уравнение регрессии 2 степени

Основы линейной регрессии

Что такое регрессия?

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:

  • Между и существует линейное соотношение: для любых пар данные должны аппроксимировать прямую линию. Если нанести на двумерный график остатки, то мы должны наблюдать случайное рассеяние точек, а не какую-либо систематическую картину.
  • Остатки нормально распределены с нулевым средним значением;
  • Остатки имеют одну и ту же вариабельность (постоянную дисперсию) для всех предсказанных величин Если нанести остатки против предсказанных величин от мы должны наблюдать случайное рассеяние точек. Если график рассеяния остатков увеличивается или уменьшается с увеличением то это допущение не выполняется;

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.

Можно рассчитать 95% доверительный интервал для генерального углового коэффициента :

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.

Подобным образом можно рассчитать более широкую область, внутри которой, как мы ожидаем, лежит наибольшее число (обычно 95%) наблюдений.

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

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 = b 0 + b 1 P 2

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 . 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 .

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.

Корреляция и регрессия

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 εi для каждого конкретного наблюдения i – случайны и их значения в выборке неизвестны, то:
1) по наблюдениям xi и yi 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 ei – наблюдаемые значения (оценки) ошибок εi, 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:

10a + 356b = 49
356a + 2135b = 9485

Из первого уравнения выражаем а и подставим во второе уравнение
Получаем b = 68.16, a = 11.17

Уравнение регрессии:
y = 68.16 x — 11.17

1. Параметры уравнения регрессии.
Выборочные средние.

1.1. 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 Y фактором X весьма высокая и прямая.

1.2. Уравнение регрессии (оценка уравнения регрессии).

Линейное уравнение регрессии имеет вид y = 68.16 x -11.17
Коэффициентам уравнения линейной регрессии можно придать экономический смысл. Коэффициент уравнения регрессии показывает, на сколько ед. изменится результат при изменении фактора на 1 ед.
Коэффициент b = 68.16 показывает среднее изменение результативного показателя (в единицах измерения у ) с повышением или понижением величины фактора х на единицу его измерения. В данном примере с увеличением на 1 единицу y повышается в среднем на 68.16.
Коэффициент a = -11.17 формально показывает прогнозируемый уровень у , но только в том случае, если х=0 находится близко с выборочными значениями.
Но если х=0 находится далеко от выборочных значений x , то буквальная интерпретация может привести к неверным результатам, и даже если линия регрессии довольно точно описывает значения наблюдаемой выборки, нет гарантий, что также будет при экстраполяции влево или вправо.
Подставив в уравнение регрессии соответствующие значения x , можно определить выровненные (предсказанные) значения результативного показателя y(x) для каждого наблюдения.
Связь между у и x определяет знак коэффициента регрессии b (если > 0 – прямая связь, иначе — обратная). В нашем примере связь прямая.

1.3. 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.
В нашем примере коэффициент эластичности больше 1. Следовательно, при изменении Х на 1%, Y изменится более чем на 1%. Другими словами — Х существенно влияет на Y.
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 среднего Y на 0.9796 среднеквадратичного отклонения этого показателя.

1.4. Ошибка аппроксимации.
Оценим качество уравнения регрессии с помощью ошибки абсолютной аппроксимации.

Поскольку ошибка больше 15%, то данное уравнение не желательно использовать в качестве регрессии.

1.6. 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 = 0.98 2 = 0.9596, т.е. в 95.96 % случаев изменения x приводят к изменению у . Другими словами — точность подбора уравнения регрессии — высокая. Остальные 4.04 % изменения Y объясняются факторами, не учтенными в модели.

xyx 2y 2x·yy(x)(yi— y ) 2(y-y(x)) 2(xi— x ) 2|y — yx|:y
0.37115.60.1376243.365.7914.11780.892.210.18640.0953
0.39919.90.1592396.017.9416.02559.0615.040.1630.1949
0.50222.70.252515.2911.423.04434.490.11760.09050.0151
0.57234.20.32721169.6419.5627.8187.3240.780.05330.1867
0.60744.5.36841980.2527.0130.20.9131204.490.03830.3214
0.65526.80.429718.2417.5533.47280.3844.510.02180.2489
0.76335.70.58221274.4927.2440.8361.5426.350.00160.1438
0.87330.60.7621936.3626.7148.33167.56314.390.00490.5794
2.48161.96.1726211.61402158.0714008.0414.662.820.0236
7.23391.99.1833445.25545.2391.916380.18662.543.381.81

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

По таблице Стьюдента с уровнем значимости α=0.05 и степенями свободы k=7 находим tкрит:
tкрит = (7;0.05) = 1.895
где m = 1 — количество объясняющих переменных.
Если tнабл > tкритич, то полученное значение коэффициента корреляции признается значимым (нулевая гипотеза, утверждающая равенство нулю коэффициента корреляции, отвергается).
Поскольку tнабл > tкрит, 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 = 94.6484 — необъясненная дисперсия (мера разброса зависимой переменной вокруг линии регрессии).
Sy = 9.7287 — стандартная ошибка оценки (стандартная ошибка регрессии).
S a — стандартное отклонение случайной величины a.

Sb — 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 + bxp ± ε) где
Рассчитаем границы интервала, в котором будет сосредоточено 95% возможных значений Y при неограниченно большом числе наблюдений и X p = 1 (-11.17 + 68.16*1 ± 6.4554)
(50.53;63.44)
С вероятностью 95% можно гарантировать, что значения Y при неограниченно большом числе наблюдений не выйдет за пределы найденных интервалов.

Индивидуальные доверительные интервалы для Y при данном значении X.
(a + bx i ± ε)
где

xiy = -11.17 + 68.16xiεiyminymax
0.37114.1119.91-5.834.02
0.39916.0219.85-3.8335.87
0.50223.0419.673.3842.71
0.57227.8119.578.2447.38
0.60730.219.5310.6749.73
0.65533.4719.4913.9852.96
0.76340.8319.4421.460.27
0.87348.3319.4528.8867.78
2.48158.0725.72132.36183.79

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.
tкрит = (7;0.05) = 1.895

Поскольку 12.8866 > 1.895, то статистическая значимость коэффициента регрессии b подтверждается (отвергаем гипотезу о равенстве нулю этого коэффициента).

Поскольку 2.0914 > 1.895, 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 — tкрит Sb; b + tкрит Sb)
(68.1618 — 1.895 • 5.2894; 68.1618 + 1.895 • 5.2894)
(58.1385;78.1852)
С вероятностью 95% можно утверждать, что значение данного параметра будут лежать в найденном интервале.
(a — ta)
(-11.1744 — 1.895 • 5.3429; -11.1744 + 1.895 • 5.3429)
(-21.2992;-1.0496)
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 lang=EN-US>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=7, Fkp = 5.59
Поскольку фактическое значение F > Fkp, то коэффициент детерминации статистически значим (Найденная оценка уравнения регрессии статистически надежна).

Проверка на наличие автокорреляции остатков.
Важной предпосылкой построения качественной регрессионной модели по МНК является независимость значений случайных отклонений от значений отклонений во всех других наблюдениях. Это гарантирует отсутствие коррелированности между любыми отклонениями и, в частности, между соседними отклонениями.
Автокорреляция (последовательная корреляция) определяется как корреляция между наблюдаемыми показателями, упорядоченными во времени (временные ряды) или в пространстве (перекрестные ряды). Автокорреляция остатков (отклонений) обычно встречается в регрессионном анализе при использовании данных временных рядов и очень редко при использовании перекрестных данных.
В экономических задачах значительно чаще встречается положительная автокорреляция, нежели отрицательная автокорреляция. В большинстве случаев положительная автокорреляция вызывается направленным постоянным воздействием некоторых неучтенных в модели факторов.
Отрицательная автокорреляция фактически означает, что за положительным отклонением следует отрицательное и наоборот. Такая ситуация может иметь место, если ту же зависимость между спросом на прохладительные напитки и доходами рассматривать по сезонным данным (зима-лето).
Среди основных причин, вызывающих автокорреляцию, можно выделить следующие:
1. Ошибки спецификации. Неучет в модели какой-либо важной объясняющей переменной либо неправильный выбор формы зависимости обычно приводят к системным отклонениям точек наблюдения от линии регрессии, что может обусловить автокорреляцию.
2. Инерция. Многие экономические показатели (инфляция, безработица, ВНП и т.д.) обладают определенной цикличностью, связанной с волнообразностью деловой активности. Поэтому изменение показателей происходит не мгновенно, а обладает определенной инертностью.
3. Эффект паутины. Во многих производственных и других сферах экономические показатели реагируют на изменение экономических условий с запаздыванием (временным лагом).
4. Сглаживание данных. Зачастую данные по некоторому продолжительному временному периоду получают усреднением данных по составляющим его интервалам. Это может привести к определенному сглаживанию колебаний, которые имелись внутри рассматриваемого периода, что в свою очередь может служить причиной автокорреляции.
Последствия автокорреляции схожи с последствиями гетероскедастичности: выводы по t- и F-статистикам, определяющие значимость коэффициента регрессии и коэффициента детерминации, возможно, будут неверными.

Обнаружение автокорреляции

1. Графический метод
Есть ряд вариантов графического определения автокорреляции. Один из них увязывает отклонения ei с моментами их получения i. При этом по оси абсцисс откладывают либо время получения статистических данных, либо порядковый номер наблюдения, а по оси ординат – отклонения ei (либо оценки отклонений).
Естественно предположить, что если имеется определенная связь между отклонениями, то автокорреляция имеет место. Отсутствие зависимости скоре всего будет свидетельствовать об отсутствии автокорреляции.
Автокорреляция становится более наглядной, если построить график зависимости ei от ei-1.

Регрессионный анализ

Методы корреляционного анализа, позволяющего решать задачи определения тесноты и направления связи, существующей между изучаемыми величинами. Регрессионный анализ представляет собой следующий этап статистического анализа и позволяет предсказать значения случайной величины на основании значений одной или нескольких независимых случайных величин. Достижение этой цели оказывается возможным за счет определения вида аналитического выражения, описывающего связь зависимой случайной величины Y (которую в этом случае называют результативным признаком) с независимыми случайными величинами Х1 ,Х2 , . Хm (которые называют факторами).

Основной задачей регрессионного анализа является установление формы линии регрессии и изучение зависимости между переменными. Основной задачей корреляционного анализа — выявление связи между случайными переменными и оценка ее тесноты.

Форма связи результативного признака Y с факторами Х1 ,Х2 , . Хm называется уравнением регрессии. В зависимости от типа выбранного уравнения различают линейную и нелинейную регрессию (например, квадратичную, логарифмическую, экспоненциальную и т. д.).

Регрессия может быть парная (простая) и множественная, что определяется числом взаимосвязанных признаков. Если исследуется связь между двумя признаками (результативным и факторным), то регрессия называется парной (простой); к этому типу относится, например, исследование зависимости между продажами и затратами на рекламу. Если исследуется связь между тремя и более признаками, то регрессия называется множественной (многофакторной) — например, если исследуется связь между уровнем потребления, доходом, финансовым состоянием и размером семьи.

На этапе регрессионного анализа решаются следующие основные задачи.

1. Выбор общего вида уравнения регрессии и определение параметров регрессии.

2. Определение в регрессии степени взаимосвязи результативного признака и факторов, проверка общего качества уравнения регрессии.

3. Проверка статистической значимости каждого коэффициента уравнения регрессии и определение их доверительных интервалов.

Простая линейная регрессия

Выбор общего вида уравнения регрессии является важной задачей, поскольку форма связи выявляет механизм получения значений зависимой случайной переменной Y. Форма связи может быть линейной или нелинейной. Линейная связь описывается линейным уравнением. Уравнение простой линейной регрессии имеет вид:

График этой функции называется линией регрессии. Линия регрессии точнее всего отражает распределение экспериментальных значений на диаграмме рассеяния, а угол ее наклона характеризует степень зависимости между двумя переменными.

Параметры уравнения регрессии могут быть определены с помощью метода наименьших квадратов (именно этот метод и используется в Microsoft Excel). При определении параметров модели методом наименьших квадратов минимизируется сумма квадратов остатков.

Для нахождения оценок параметров b0 и b1 доставляющих минимум функции Qocm, вычисляются и приравниваются к нулю частные производные этой функции, откуда система нормальных уравнении принимает следующий вид:

После простых преобразований имеем:

Тогда коэффициент наклона прямой регрессии равен:

а свободный член регрессии:

Для свободного члена последнее равенство можно переписать следующим образом:

откуда . Это означает, что средняя точка (,) совместного распределения величин X, Y всегда лежит на линии регрессии. Поэтому при замене х на х- получается b0 = , т. е. среднее заменяет

Отсюда следует, что для определения линии регрессии достаточно знать лишь ее коэффициент наклона b1. Равенство для b1. можно упростить, если использовать найденное значение выборочного коэффициента корреляции г:

где — оценки стандартных отклонений наблюдений

Из последнего выражения для b1, ясно виден общий смысл коэффициента корреляции: чем меньше г, тем ближе линия регрессии к горизонтальному положению, т. е. тем ближе будут средние значения уi,- к состоянию неизменяемости.

Для анализа общего качества уравнения линейной регрессии используется обычно коэффициент детерминации R2, который получается посредством простого возведения в квадрат коэффициента корреляции. Коэффициент детерминации показывает, в какой мере изменчивость величины Y объясняется поведением величины X. Например, если коэффициент корреляции совокупных данных, относящихся к производственным затратам, равняется 0,8, то коэффициент детерминации R2 = 0,82 = 0,64 или 64%. Это значение говорит о том, что 64% вариации (изменчивости) недельных затрат объясняется количеством изделий, выпущенных за неделю. Остальная часть (36%) вариации общих затрат объясняется другими причинами.

Так как в большинстве случаев уравнение регрессии приходится строить на основе выборочных данных, то возникает вопрос об адекватности построения уравнения данным генеральной совокупности. Для этого проводится проверка статистической значимости коэффициента детерминации R2 на основе F-критерия Фишера:

где n — число наблюдений, a m — число факторов в уравнении регрессии.

В математической статистике доказывается, что если гипотеза Н0: R2 = 0 выполняется, то величина F имеет F-распределение с k = m и l=п-ш-1 степенями свободы, т. е.

Гипотеза Н0: R2 = 0 о незначимости коэффициента детерминации R2 отвергается, если FP > Fкр, а принимается альтернативная гипотеза — о значимости R2 .При значениях считается, что вариация результативного признака Y обусловлена, в основном, влиянием включенных в регрессионную модель факторов X.

Возможна ситуация, когда часть вычисленных коэффициентов регрессии не обладает необходимой степенью значимости, т. е. значения данных коэффициентов будут меньше их стандартной ошибки. В этом случае такие коэффициенты должны быть исключены из уравнения регрессии. Поэтому проверка адекватности построенного уравнения регрессии наряду с проверкой значимости коэффициента детерминации R2 включает в себя также и проверку значимости каждого коэффициента регрессии.

Значимость коэффициентов регрессии проверяется с помощью t-критерия Стьюдента:

(10.11)

где — стандартное значение ошибки для коэффициента регрессии

В математической статистике доказывается, что если гипотеза выполняется, то величина t имеет распределение Стьюдента k = п-m

1 степенями свободы, т. е.

Гипотеза Н0: Ь1 = 0 о незначимости коэффициента регрессии отвергается, если tp│> │tкр, а принимается альтернативная о значимости Ь1. Кроме того, зная значение tкр можно найти границы доверительных интервалов для коэффициентов регрессии.

Пусть имеется корреляционное поле производства пшеницы (обозначено точками на графике) для 50-ти сельхоз предприятий. Здесь Y-годовой сбор пшеницы, X-площади посевов.

Регрессионный анализ позволяет определить аналитическое выражение для уравнения линии регрессии оценить значимость коэффициентов этого уравнения.

Задача. На рис. 2 представлены данные о суточном объеме производства и количестве занятых работников для некоторой совокупности дней. По представленным данным необходимо определить параметры уравнения линейной регрессии и выполнить его анализ.

Для расчета параметров уравнения линейной регрессии и проверки его адекватности исследуемому процессу, Microsoft Excel располагает функцией Регрессия. Для вызова этой функций необходимо выбрать команду меню Сервис→Анализ данных (Tools→Data Analysis). На экране раскроется диалоговое окно Анализ данных (Data Analysis), в котором следует выбрать значение Regression, в результате чего на экране появится диалоговое окно Regression, представленное на рис. 1

В диалоговом окне Regression задаются следующие параметры.

1. В поле Input Y Range (Входные данные У) вводится диапазон ячеек, содержащих исходные данные по результативному признаку. Диапазон должен состоять из одного столбца.

2. В поле Input X Range (Входные данные X) вводится диапазон ячеек, содержащих исходные данные факторного признака. Максимальное число входных диапазонов (столбцов) равно 16.

3. Флажок опции Labels (Метки) устанавливается в том случае, если первая строка/столбец во входном диапазоне содержит заголовок. Если заголовок отсутствует, этот флажок следует сбросить. В последнем случае для данных выходного диапазона будут автоматически созданы стандартные названия.

4. Флажок опции Confidence Level (Уровень надежности) устанавливается в том случае, если в расположенное рядом с флажком поле необходимо ввести уровень надежности, отличный от уровня 95%, применяемого по умолчанию. Установленный в данном поле уровень надежности используется для проверки значимости коэффициента детерминации и коэффициентов регрессии. Если данный флажок опции сброшен, в таблице параметров уравнения регрессии генерируются две одинаковые пары столбцов для границ доверительных интервалов.

5. Флажок опции Константа — нуль (Constant is Zero) устанавливается в том случае, когда требуется, чтобы линия регрессии прошла через начало координат (т. е. Ь0 = 0).

6. Переключатель в группе Output options (Режимы вывода) может быть установлен в одно из трех положений, определяющих, где должны быть размещены результаты расчета: Output Range (Выходной интервал), New Worksheet Ply (Новый рабочий лист) или New Workbook (Новая рабочая книга).

7. Флажок опции Residuals (Остатки) устанавливается в том случае, если в диапазон ячеек с выходными данными требуется включить столбец остатков.

8. Флажок опции Standardized Residuals (Стандартизованные остатки) устанавливается в том случае, если в диапазон ячеек с выходными данными требуется включить столбец стандартизованных остатков.

9. Флажок опции Residual Plots (График остатков) должен быть установлен, если на рабочий лист требуется вывести точечные графики зависимости остатков от факторных признаков xt.

10. Флажок опции Line Fit Plots (График подбора) должен быть установлен, если на рабочий лист требуется вывести точечные графики зависимости теоретических результативных значений у от факторных признаков х.

11. Флажок опции Normal Probability Plots (График вероятности нормального распределения) должен быть установлен, если на рабочий лист требуется вывести точечный график зависимости наблюдаемых значений у от автоматически формируемых интервалов персентелей.

Результаты решения данной задачи с помощью функции Regression представлены на рисунках 3-7.

На рисунке 3 представлены результаты расчета регрессионной статистики. Эти результаты соответствуют следующим статистическим показателям:

• Множественный R — коэффициент корреляции R;

• R-квадрат — коэффициент детерминации R2 (квадрат коэффициента корреляции);

• Нормированный R — нормированное значение коэффициента корреляции; •Стандартная ошибка — стандартное отклонение для остатков;

• Наблюдения — это число исходных наблюдений.

На рисунке 4 представлены результаты дисперсионного анализа, которые используются для проверки значимости коэффициента детерминации R2.

Значения в столбцах на рисунке. 4 имеют следующую интерпретацию.

• Столбец df — это число степеней свободы. Для строки Регрессия число степеней свободы определяется количеством факторных признаков m, для строки Остаток — числом наблюдений n и количеством переменных в уравнении регрессии m+1: п -(m + 1), а для строки Итого — суммой степеней свободы для строк Регрессия и Остаток и, следовательно, равно п — 1.

• Столбец SS — это сумма квадратов отклонений. Для строки Регрессия значение определяется как сумма квадратов отклонений теоретических данных от среднего:

Для строки Остаток это сумма квадратов отклонений эмпирических данных от теоретических:

•Для строки Итого это сумма квадратов отклонений эмпирических данных от среднего:

• Столбец MS содержит значения дисперсии, которые рассчитываются по формуле:

Для строки Регрессия это факторная дисперсия

•Для строки Остаток это остаточная дисперсия

• Столбец F содержит расчетное значение F-критерия Фишера Fp вычисляемое по формуле:

• Столбец Значимость F содержит значение уровня значимости, соответствующее вычисленному значению Fр.

На рисунке 5 представлены полученные значения коэффициентов регрессии Ь1, и их статистические оценки.

Столбцы на рисунке 5 содержат следующие значения.

• Стандартная ошибка — стандартные ошибки коэффициентов Ь1 и и b0 .

Погрешность линейного коэффициента уравнения равная 7,44 и ошибка свободного члена равная 59,5 вполне приемлемы по отношению к величинам данных коэффициентов. уравнения 23 статистически велика, так как превосходит значение свободного члена. Поэтому ошибки не должны значительно влиять на эффективность описания входных данных полученным регрессионным уравнением.

• t-статистика — расчетные значения t-критерия, вычисляемые по формуле:

.

Чем больше отличается от нуля величина t-статистики, тем статистически лучше.

• Р-значение — значения уровней значимости, соответствующие вычисленным значениям tp . Оно характеризует насколько стандартную погрешность можно считать статистически значимой

• Нижние 95% и Верхние 95% — нижние и верхние границы доверительных интервалов для коэффициентов регрессии Ь1. и b0.

На рисунке 6 представлены теоретические значения , результативного признака Y и значения остатков. Остатки вычисляются как разность между эмпирическими значениями величины у и теоретически вычисленными значениями . результативного признака Y.

Наконец, на рисунке 7 показаны вычисленные интервалы перцентилей и соответствующие им эмпирические значения у.

Перцентиль обобщает информацию о рангах, характеризуя значение, достигаемое заданным процентом общего количества данных, после того, как данные упорядочиваются (ранжируются) по возрастанию.

Перцентили — это характеристики набора данных, которые выражают ранги элементов в виде процентов от 0 до 100%, а не в виде чисел от 1 до n, таким образом, что наименьшему значению соответствует нулевой перцентиль, наибольшему — 100-й, медиане — 50-й и т. д.

Перцентили можно рассматривать как показатели, разбивающие наборы количественных и порядковых данных на определенные части. Например, 70-й перцентиль эффективности продаж может быть равен 60 тыс. руб. (измерен не в процентах, а в рублях, как и элементы набора данных). Если этот 70-й перцентиль, равный 60 тыс. руб., характеризует деятельность определенного агента по продажам (например, Александра), то это означает, что приблизительно 70% других агентов имеют результаты ниже, чем у Александра, а 40% имеют более высокие результаты.

Под рангом (R) понимают номер (порядковое место) значения случайной величины в наборе данных

Переходя к анализу полученных расчетных данных, можно построить уравнение регрессии с вычисленными коэффициентами, которое будет выражать зависимость объема производства от количества работников.

Значение множественного коэффициента детерминации R2= 0,79 (рис. 10.3) показывает, что 79% общей вариации результативного признака объясняется вариацией факторного признака X. Значит, выбранный фактор существенно влияет на объем производства, что подтверждает правильность включения его в построенную модель.

Рассчитанный уровень значимости (показатель Значимость F на рисунке 4) подтверждает значимость величины R2. Следующим этапом является проверка значимости коэффициентов регрессии Ь0 и b1, При парном сравнении коэффициентов и их стандартных ошибок (см. рисунок 5) можно сделать вывод, что вычисленные коэффициенты являются значимыми. Этот вывод подтверждается величиной Р-значения, которое меньше уровня значимости α = 0,05.

Проверка значимости коэффициента детерминации R2 и коэффициентов регрессии Ь0 и b1, при факторном признаке подтверждает адекватность полученного уравнения.


источники:

http://math.semestr.ru/corel/primer.php

http://pandia.ru/text/78/208/79466.php