Задачи регрессионного анализа :
а) Установление формы зависимости. Относительно характера и формы зависимости между явлениями, различают положительную линейную и нелинейную и отрицательную линейную и нелинейную регрессию.
б) Определение функции регрессии в виде математического уравнения того или иного типа и установление влияния объясняющих переменных на зависимую переменную.
в) Оценка неизвестных значений зависимой переменной. С помощью функции регрессии можно воспроизвести значения зависимой переменной внутри интервала заданных значений объясняющих переменных (т. е. решить задачу интерполяции) или оценить течение процесса вне заданного интервала (т. е. решить задачу экстраполяции). Результат представляет собой оценку значения зависимой переменной.
Парная регрессия - уравнение связи двух переменных у и х: , где y - зависимая переменная (результативный признак); x - независимая, объясняющая переменная (признак-фактор).
Различают линейные и нелинейные регрессии.
Линейная регрессия: y = a + bx + ε
Нелинейные регрессии делятся на два класса: регрессии, нелинейные относительно включенных в анализ объясняющих переменных, но линейные по оцениваемым параметрам, и регрессии, нелинейные по оцениваемым параметрам.
Регрессии, нелинейные по объясняющим переменным:
.
Для линейных и нелинейных уравнений, приводимых к линейным, решается следующая система относительно a и b:
Можно воспользоваться готовыми формулами, которые вытекают из этой системы:
Тесноту связи изучаемых явлений оценивает линейный коэффициент парной корреляции для линейной регрессии :
и индекс корреляции - для нелинейной регрессии:
Оценку качества построенной модели даст коэффициент (индекс) детерминации, а также средняя ошибка аппроксимации .
Средняя ошибка аппроксимации - среднее отклонение расчетных значений от фактических:
.
Допустимый предел значений - не более 8-10%.
Средний коэффициент эластичности показывает, на сколько процентов в среднем по совокупности изменится результат у от своей средней величины при изменении фактора x на 1% от своего среднего значения:
.
Задача дисперсионного анализа состоит в анализе дисперсии зависимой переменной:
,
где - общая сумма квадратов отклонений;
- сумма квадратов отклонений, обусловленная регрессией («объясненная» или «факторная»);
- остаточная сумма квадратов отклонений.
Долю дисперсии, объясняемую регрессией, в общей дисперсии результативного признака у характеризует коэффициент (индекс) детерминации R 2:
Коэффициент детерминации - квадрат коэффициента или индекса корреляции.
F-тест - оценивание качества уравнения регрессии - состоит в проверке гипотезы Но о статистической незначимости уравнения регрессии и показателя тесноты связи. Для этого выполняется сравнение фактического F факт и критического (табличного) F табл значений F-критерия Фишера. F факт определяется из соотношения значений факторной и остаточной дисперсий, рассчитанных на одну степень свободы:
,
где n - число единиц совокупности; m - число параметров при переменных х.
F табл - это максимально возможное значение критерия под влиянием случайных факторов при данных степенях свободы и уровне значимости a. Уровень значимости a - вероятность отвергнуть правильную гипотезу при условии, что она верна. Обычно a принимается равной 0,05 или 0,01.
Если F табл < F факт, то Н о - гипотеза о случайной природе оцениваемых характеристик отклоняется и признается их статистическая значимость и надежность. Если F табл > F факт, то гипотеза Н о не отклоняется и признается статистическая незначимость, ненадежность уравнения регрессии.
Для оценки статистической значимости коэффициентов регрессии и корреляции рассчитываются t-критерий Стьюдента и доверительные интервалы каждого из показателей. Выдвигается гипотеза Н о о случайной природе показателей, т.е. о незначимом их отличии от нуля. Оценка значимости коэффициентов регрессии и корреляции с помощью t-критерия Стьюдента проводится путем сопоставления их значений с величиной случайной ошибки:
; ; .
Случайные ошибки параметров линейной регрессии и коэффициента корреляции определяются по формулам:
Сравнивая фактическое и критическое (табличное) значения t-статистики - t табл и t факт - принимаем или отвергаем гипотезу Н о.
Связь между F-критерием Фишера и t-статистикой Стьюдента выражается равенством
Если t табл < t факт то H o отклоняется, т.е. a, b и не случайно отличаются от нуля и сформировались под влиянием систематически действующего фактора х. Если t табл > t факт то гипотеза Н о не отклоняется и признается случайная природа формирования а, b или .
Для расчета доверительного интервала определяем предельную ошибку D для каждого показателя:
, .
Формулы для расчета доверительных интервалов имеют следующий вид:
; ;
; ;
Если в границы доверительного интервала попадает ноль, т.е. нижняя граница отрицательна, а верхняя положительна, то оцениваемый параметр принимается нулевым, так как он не может одновременно принимать и положительное, и отрицательное значения.
Прогнозное значение определяется путем подстановки в уравнение регрессии соответствующего (прогнозного) значения . Вычисляется средняя стандартная ошибка прогноза :
,
где 
и строится доверительный интервал прогноза:
; 
; 
где 
.
Пример решения
Задача №1 . По семи территориям Уральского района За 199Х г. известны значения двух признаков.Таблица 1.
Требуется: 1. Для характеристики зависимости у от х рассчитать параметры следующих функций:
а) линейной;
б) степенной (предварительно нужно произвести процедуру линеаризации переменных, путем логарифмирования обеих частей);
в) показательной;
г) равносторонней гиперболы (так же нужно придумать как предварительно линеаризовать данную модель).
2. Оценить каждую модель через среднюю ошибку аппроксимации и F-критерий Фишера.
Решение (Вариант №1)
Для расчета параметров a и b линейной регрессии (расчет можно проводить с помощью калькулятора).решаем систему нормальных уравнений относительно а и b:
По исходным данным рассчитываем
:
| y | x | yx | x 2 | y 2 | A i | |||
| l | 68,8 | 45,1 | 3102,88 | 2034,01 | 4733,44 | 61,3 | 7,5 | 10,9 |
| 2 | 61,2 | 59,0 | 3610,80 | 3481,00 | 3745,44 | 56,5 | 4,7 | 7,7 |
| 3 | 59,9 | 57,2 | 3426,28 | 3271,84 | 3588,01 | 57,1 | 2,8 | 4,7 |
| 4 | 56,7 | 61,8 | 3504,06 | 3819,24 | 3214,89 | 55,5 | 1,2 | 2,1 |
| 5 | 55,0 | 58,8 | 3234,00 | 3457,44 | 3025,00 | 56,5 | -1,5 | 2,7 |
| 6 | 54,3 | 47,2 | 2562,96 | 2227,84 | 2948,49 | 60,5 | -6,2 | 11,4 |
| 7 | 49,3 | 55,2 | 2721,36 | 3047,04 | 2430,49 | 57,8 | -8,5 | 17,2 |
| Итого | 405,2 | 384,3 | 22162,34 | 21338,41 | 23685,76 | 405,2 | 0,0 | 56,7 |
| Ср. знач. (Итого/n) | 57,89 | 54,90 | 3166,05 | 3048,34 | 3383,68 | X | X | 8,1 |
| s | 5,74 | 5,86 | X | X | X | X | X | X |
| s 2 | 32,92 | 34,34 | X | X | X | X | X | X |
Уравнение регрессии: у =
76,88 - 0,35х.
С увеличением среднедневной заработной платы на 1 руб. доля расходов на покупку продовольственных товаров снижается в среднем на 0,35 %-ных пункта.
Рассчитаем линейный коэффициент парной корреляции:
Связь умеренная, обратная.
Определим коэффициент детерминации:
Вариация результата на 12,7% объясняется вариацией фактора х. Подставляя в уравнение регрессии фактические значения х,
определим теоретические (расчетные) значения
.
Найдем величину средней ошибки аппроксимации :
В среднем расчетные значения отклоняются от фактических на 8,1%.
Рассчитаем F-критерий:
поскольку 1< F
<
¥
, следует рассмотреть F
-1 .
Полученное значение указывает на необходимость принять гипотезу Но о
случайной природе выявленной зависимости и статистической незначимости параметров уравнения и показателя тесноты связи.
1б.
Построению степенной модели предшествует процедура линеаризации переменных. В примере линеаризация производится путем логарифмирования обеих частей уравнения:
где
Y=lg(y), X=lg(x), C=lg(a).
Для расчетов используем данные табл. 1.3.
Таблица 1.3
| Y | X | YX | Y 2 | X 2 | A i | ||||
| 1 | 1,8376 | 1,6542 | 3,0398 | 3,3768 | 2,7364 | 61,0 | 7,8 | 60,8 | 11,3 |
| 2 | 1,7868 | 1,7709 | 3,1642 | 3,1927 | 3,1361 | 56,3 | 4,9 | 24,0 | 8,0 |
| 3 | 1,7774 | 1,7574 | 3,1236 | 3,1592 | 3,0885 | 56,8 | 3,1 | 9,6 | 5,2 |
| 4 | 1,7536 | 1,7910 | 3,1407 | 3,0751 | 3,2077 | 55,5 | 1,2 | 1,4 | 2,1 |
| 5 | 1,7404 | 1,7694 | 3,0795 | 3,0290 | 3,1308 | 56,3 | -1,3 | 1,7 | 2,4 |
| 6 | 1,7348 | 1,6739 | 2,9039 | 3,0095 | 2,8019 | 60,2 | -5,9 | 34,8 | 10,9 |
| 7 | 1,6928 | 1,7419 | 2,9487 | 2,8656 | 3,0342 | 57,4 | -8,1 | 65,6 | 16,4 |
| Итого | 12,3234 | 12,1587 | 21,4003 | 21,7078 | 21,1355 | 403,5 | 1,7 | 197,9 | 56,3 |
| Среднее значение | 1,7605 | 1,7370 | 3,0572 | 3,1011 | 3,0194 | X | X | 28,27 | 8,0 |
| σ | 0,0425 | 0,0484 | X | X | X | X | X | X | X |
| σ 2 | 0,0018 | 0,0023 | X | X | X | X | X | X | X |
Рассчитаем С иb:
Получим линейное уравнение:
.
Выполнив его потенцирование, получим:
Подставляя в данное уравнение фактические значения х,
получаем теоретические значения результата. По ним рассчитаем показатели: тесноты связи - индекс корреляции и среднюю ошибку аппроксимации 
Характеристики степенной модели указывают, что она несколько лучше линейной функции описывает взаимосвязь.
1в . Построению уравнения показательной кривой
предшествует процедура линеаризации переменных при логарифмировании обеих частей уравнения:
Для расчетов используем данные таблицы.
| Y | x | Yx | Y 2 | x 2 | A i | ||||
| 1 | 1,8376 | 45,1 | 82,8758 | 3,3768 | 2034,01 | 60,7 | 8,1 | 65,61 | 11,8 |
| 2 | 1,7868 | 59,0 | 105,4212 | 3,1927 | 3481,00 | 56,4 | 4,8 | 23,04 | 7,8 |
| 3 | 1,7774 | 57,2 | 101,6673 | 3,1592 | 3271,84 | 56,9 | 3,0 | 9,00 | 5,0 |
| 4 | 1,7536 | 61,8 | 108,3725 | 3,0751 | 3819,24 | 55,5 | 1,2 | 1,44 | 2,1 |
| 5 | 1,7404 | 58,8 | 102,3355 | 3,0290 | 3457,44 | 56,4 | -1,4 | 1,96 | 2,5 |
| 6 | 1,7348 | 47,2 | 81,8826 | 3,0095 | 2227,84 | 60,0 | -5,7 | 32,49 | 10,5 |
| 7 | 1,6928 | 55,2 | 93,4426 | 2,8656 | 3047,04 | 57,5 | -8,2 | 67,24 | 16,6 |
| Итого | 12,3234 | 384,3 | 675,9974 | 21,7078 | 21338,41 | 403,4 | -1,8 | 200,78 | 56,3 |
| Ср. зн. | 1,7605 | 54,9 | 96,5711 | 3,1011 | 3048,34 | X | X | 28,68 | 8,0 |
| σ | 0,0425 | 5,86 | X | X | X | X | X | X | X |
| σ 2 | 0,0018 | 34,339 | X | X | X | X | X | X | X |
Значения параметров регрессии A и В
составили:
Получено линейное уравнение: 
.
Произведем потенцирование полученного уравнения и запишем его в обычной форме:
Тесноту связи оценим через индекс корреляции :
В предыдущих заметках предметом анализа часто становилась отдельная числовая переменная, например, доходность взаимных фондов, время загрузки Web-страницы или объем потребления безалкогольных напитков. В настоящей и следующих заметках мы рассмотрим методы предсказания значений числовой переменной в зависимости от значений одной или нескольких других числовых переменных.
Материал будет проиллюстрирован сквозным примером. Прогнозирование объема продаж в магазине одежды. Сеть магазинов уцененной одежды Sunflowers на протяжении 25 лет постоянно расширялась. Однако в настоящее время у компании нет систематического подхода к выбору новых торговых точек. Место, в котором компания собирается открыть новый магазин, определяется на основе субъективных соображений. Критериями выбора являются выгодные условия аренды или представления менеджера об идеальном местоположении магазина. Представьте, что вы - руководитель отдела специальных проектов и планирования. Вам поручили разработать стратегический план открытия новых магазинов. Этот план должен содержать прогноз годового объема продаж во вновь открываемых магазинах. Вы полагаете, что торговая площадь непосредственно связана с объемом выручки, и хотите учесть этот факт в процессе принятия решения. Как разработать статистическую модель, позволяющую прогнозировать годовой объем продаж на основе размера нового магазина?
Как правило, для предсказания значений переменной используется регрессионный анализ. Его цель - разработать статистическую модель, позволяющую предсказывать значения зависимой переменной, или отклика, по значениям, по крайней мере одной, независимой, или объясняющей, переменной. В настоящей заметке мы рассмотрим простую линейную регрессию - статистический метод, позволяющий предсказывать значения зависимой переменной Y по значениям независимой переменной X . В последующих заметках будет описана модель множественной регрессии, предназначенная для предсказания значений независимой переменной Y по значениям нескольких зависимых переменных (Х 1 , Х 2 , …, X k ).
Скачать заметку в формате или , примеры в формате
Виды регрессионных моделей
где ρ 1 – коэффициент автокорреляции; если ρ 1 = 0 (нет автокорреляции), D ≈ 2; если ρ 1 ≈ 1 (положительная автокорреляции), D ≈ 0; если ρ 1 = -1 (отрицательная автокорреляции), D ≈ 4.
На практике применение критерия Дурбина-Уотсона основано на сравнении величины D с критическими теоретическими значениями d L и d U для заданного числа наблюдений n , числа независимых переменных модели k (для простой линейной регрессии k = 1) и уровня значимости α. Если D < d L , гипотеза о независимости случайных отклонений отвергается (следовательно, присутствует положительная автокорреляция); если D > d U , гипотеза не отвергается (то есть автокорреляция отсутствует); если d L < D < d U , нет достаточных оснований для принятия решения. Когда расчётное значение D превышает 2, то с d L и d U сравнивается не сам коэффициент D , а выражение (4 – D ).
Для вычисления статистики Дурбина-Уотсона в Excel обратимся к нижней таблице на рис. 14 Вывод остатка . Числитель в выражении (10) вычисляется с помощью функции =СУММКВРАЗН(массив1;массив2), а знаменатель =СУММКВ(массив) (рис. 16).
Рис. 16. Формулы расчета статистики Дурбина-Уотсона
В нашем примере D = 0,883. Основной вопрос заключается в следующем - какое значение статистики Дурбина-Уотсона следует считать достаточно малым, чтобы сделать вывод о существовании положительной автокорреляции? Необходимо соотнести значение D с критическими значениями (d L и d U ), зависящими от числа наблюдений n и уровня значимости α (рис. 17).
Рис. 17. Критические значения статистики Дурбина-Уотсона (фрагмент таблицы)
Таким образом, в задаче об объеме продаж в магазине, доставляющем товары на дом, существуют одна независимая переменная (k = 1), 15 наблюдений (n = 15) и уровень значимости α = 0,05. Следовательно, d L = 1,08 и d U = 1,36. Поскольку D = 0,883 < d L = 1,08, между остатками существует положительная автокорреляция, метод наименьших квадратов применять нельзя.
Проверка гипотез о наклоне и коэффициенте корреляции
Выше регрессия применялась исключительно для прогнозирования. Для определения коэффициентов регрессии и предсказания значения переменной Y при заданной величине переменной X использовался метод наименьших квадратов. Кроме того, мы рассмотрели среднеквадратичную ошибку оценки и коэффициент смешанной корреляции. Если анализ остатков подтверждает, что условия применимости метода наименьших квадратов не нарушаются, и модель простой линейной регрессии является адекватной, на основе выборочных данных можно утверждать, что между переменными в генеральной совокупности существует линейная зависимость.
Применение t -критерия для наклона. Проверяя, равен ли наклон генеральной совокупности β 1 нулю, можно определить, существует ли статистически значимая зависимость между переменными X и Y . Если эта гипотеза отклоняется, можно утверждать, что между переменными X и Y существует линейная зависимость. Нулевая и альтернативная гипотезы формулируются следующим образом: Н 0: β 1 = 0 (нет линейной зависимости), Н1: β 1 ≠ 0 (есть линейная зависимость). По определению t -статистика равна разности между выборочным наклоном и гипотетическим значением наклона генеральной совокупности, деленной на среднеквадратичную ошибку оценки наклона:
(11) t = (b 1 – β 1 ) / S b 1
где b
1
– наклон прямой регрессии по выборочным данным, β1 – гипотетический наклон прямой генеральной совокупности, 
, а тестовая статистика t
имеет t
-распределение с n – 2
степенями свободы.
Проверим, существует ли статистически значимая зависимость между размером магазина и годовым объемом продаж при α = 0,05. t -критерий выводится наряду с другими параметрами при использовании Пакета анализа (опция Регрессия ). Полностью результаты работы Пакета анализа приведены на рис. 4, фрагмент, относящийся к t-статистике – на рис. 18.
Рис. 18. Результаты применения t
Поскольку число магазинов n = 14 (см. рис.3), критическое значение t -статистики при уровне значимости α = 0,05 можно найти по формуле: t L =СТЬЮДЕНТ.ОБР(0,025;12) = –2,1788, где 0,025 – половина уровня значимости, а 12 = n – 2; t U =СТЬЮДЕНТ.ОБР(0,975;12) = +2,1788.
Поскольку t -статистика = 10,64 > t U = 2,1788 (рис. 19), нулевая гипотеза Н 0 отклоняется. С другой стороны, р -значение для Х = 10,6411, вычисляемое по формуле =1-СТЬЮДЕНТ.РАСП(D3;12;ИСТИНА), приближенно равно нулю, поэтому гипотеза Н 0 снова отклоняется. Тот факт, что р -значение почти равно нулю, означает, что если бы между размерами магазинов и годовым объемом продаж не существовало реальной линейной зависимости, обнаружить ее с помощью линейной регрессии было бы практически невозможно. Следовательно, между средним годовым объемом продаж в магазинах и их размером существует статистически значимая линейная зависимость.
Рис. 19. Проверка гипотезы о наклоне генеральной совокупности при уровне значимости, равном 0,05, и 12 степенях свободы
Применение F -критерия для наклона. Альтернативным подходом к проверке гипотез о наклоне простой линейной регрессии является использование F -критерия. Напомним, что F -критерий применяется для проверки отношения между двумя дисперсиями (подробнее см. ). При проверке гипотезы о наклоне мерой случайных ошибок является дисперсия ошибки (сумма квадратов ошибок, деленная на количество степеней свободы), поэтому F -критерий использует отношение дисперсии, объясняемой регрессией (т.е. величины SSR , деленной на количество независимых переменных k ), к дисперсии ошибок (MSE = S Y X 2 ).
По определению F -статистика равна среднему квадрату отклонений, обусловленных регрессией (MSR), деленному на дисперсию ошибки (MSE): F = MSR / MSE , где MSR = SSR / k , MSE = SSE /(n – k – 1), k – количество независимых переменных в регрессионной модели. Тестовая статистика F имеет F -распределение с k и n – k – 1 степенями свободы.
При заданном уровне значимости α решающее правило формулируется так: если F > F U , нулевая гипотеза отклоняется; в противном случае она не отклоняется. Результаты, оформленные в виде сводной таблицы дисперсионного анализа, приведены на рис. 20.
Рис. 20. Таблица дисперсионного анализа для проверки гипотезы о статистической значимости коэффициента регрессии
Аналогично t -критерию F -критерий выводится в таблицу при использовании Пакета анализа (опция Регрессия ). Полностью результаты работы Пакета анализа приведены на рис. 4, фрагмент, относящийся к F -статистике – на рис. 21.
Рис. 21. Результаты применения F -критерия, полученные с помощью Пакета анализа Excel
F-статистика равна 113,23, а р -значение близко к нулю (ячейка Значимость F ). Если уровень значимости α равен 0,05, определить критическое значение F -распределения с одной и 12 степенями свободы можно по формуле F U =F.ОБР(1-0,05;1;12) = 4,7472 (рис. 22). Поскольку F = 113,23 > F U = 4,7472, причем р -значение близко к 0 < 0,05, нулевая гипотеза Н 0 отклоняется, т.е. размер магазина тесно связан с его годовым объемом продаж.
Рис. 22. Проверка гипотезы о наклоне генеральной совокупности при уровне значимости, равном 0,05, с одной и 12 степенями свободы
Доверительный интервал, содержащий наклон β 1 . Для проверки гипотезы о существовании линейной зависимости между переменными можно построить доверительный интервал, содержащий наклон β 1 и убедиться, что гипотетическое значение β 1 = 0 принадлежит этому интервалу. Центром доверительного интервала, содержащего наклон β 1 , является выборочный наклон b 1 , а его границами - величины b 1 ± t n –2 S b 1
Как показано на рис. 18, b 1 = +1,670, n = 14, S b 1 = 0,157. t 12 =СТЬЮДЕНТ.ОБР(0,975;12) = 2,1788. Следовательно, b 1 ± t n –2 S b 1 = +1,670 ± 2,1788 * 0,157 = +1,670 ± 0,342, или + 1,328 ≤ β 1 ≤ +2,012. Таким образом, наклон генеральной совокупности с вероятностью 0,95 лежит в интервале от +1,328 до +2,012 (т.е. от 1 328 000 до 2 012 000 долл.). Поскольку эти величины больше нуля, между годовым объемом продаж и площадью магазина существует статистически значимая линейная зависимость. Если бы доверительный интервал содержал нуль, между переменными не было бы зависимости. Кроме того, доверительный интервал означает, что каждое увеличение площади магазина на 1 000 кв. футов приводит к увеличению среднего объема продаж на величину от 1 328 000 до 2 012 000 долларов.
Использование t -критерия для коэффициента корреляции. был введен коэффициент корреляции r , представляющий собой меру зависимости между двумя числовыми переменными. С его помощью можно установить, существует ли между двумя переменными статистически значимая связь. Обозначим коэффициент корреляции между генеральными совокупностями обеих переменных символом ρ. Нулевая и альтернативная гипотезы формулируются следующим образом: Н 0 : ρ = 0 (нет корреляции), Н 1 : ρ ≠ 0 (есть корреляция). Проверка существования корреляции:
где r = + , если b 1 > 0, r = – , если b 1 < 0. Тестовая статистика t имеет t -распределение с n – 2 степенями свободы.
В задаче о сети магазинов Sunflowers r 2 = 0,904, а b 1 - +1,670 (см. рис. 4). Поскольку b 1 > 0, коэффициент корреляции между объемом годовых продаж и размером магазина равен r = +√0,904 = +0,951. Проверим нулевую гипотезу, утверждающую, что между этими переменными нет корреляции, используя t -статистику:
При уровне значимости α = 0,05 нулевую гипотезу следует отклонить, поскольку t = 10,64 > 2,1788. Таким образом, можно утверждать, что между объемом годовых продаж и размером магазина существует статистически значимая связь.
При обсуждении выводов, касающихся наклона генеральной совокупности, доверительные интервалы и критерии для проверки гипотез являются взаимозаменяемыми инструментами. Однако вычисление доверительного интервала, содержащего коэффициент корреляции, оказывается более сложным делом, поскольку вид выборочного распределения статистики r зависит от истинного коэффициента корреляции.
Оценка математического ожидания и предсказание индивидуальных значений
В этом разделе рассматриваются методы оценки математического ожидания отклика Y и предсказания индивидуальных значений Y при заданных значениях переменной X .
Построение доверительного интервала. В примере 2 (см. выше раздел Метод наименьших квадратов ) регрессионное уравнение позволило предсказать значение переменной Y X . В задаче о выборе места для торговой точки средний годовой объем продаж в магазине площадью 4000 кв. футов был равен 7,644 млн. долл. Однако эта оценка математического ожидания генеральной совокупности является точечной. для оценки математического ожидания генеральной совокупности была предложена концепция доверительного интервала. Аналогично можно ввести понятие доверительного интервала для математического ожидания отклика при заданном значении переменной X :
где 
, =
b
0
+
b
1
X i
– предсказанное значение переменное Y
при X
= X i
, S YX
– среднеквадратичная ошибка, n
– объем выборки, X
i
- заданное значение переменной X
, µ
Y
| X
=
X
i
– математическое ожидание переменной Y
при Х
= Х i
, SSX = 
Анализ формулы (13) показывает, что ширина доверительного интервала зависит от нескольких факторов. При заданном уровне значимости возрастание амплитуды колебаний вокруг линии регрессии, измеренное с помощью среднеквадратичной ошибки, приводит к увеличению ширины интервала. С другой стороны, как и следовало ожидать, увеличение объема выборки сопровождается сужением интервала. Кроме того, ширина интервала изменяется в зависимости от значений X i . Если значение переменной Y предсказывается для величин X , близких к среднему значению , доверительный интервал оказывается уже, чем при прогнозировании отклика для значений, далеких от среднего.
Допустим, что, выбирая место для магазина, мы хотим построить 95%-ный доверительный интервал для среднего годового объема продаж во всех магазинах, площадь которых равна 4000 кв. футов:
Следовательно, средний годовой объем продаж во всех магазинах, площадь которых равна 4 000 кв. футов, с 95% -ной вероятностью лежит в интервале от 6,971 до 8,317 млн. долл.
Вычисление доверительного интервала для предсказанного значения. Кроме доверительного интервала для математического ожидания отклика при заданном значении переменной X , часто необходимо знать доверительный интервал для предсказанного значения. Несмотря на то что формула для вычисления такого доверительного интервала очень похожа на формулу (13), этот интервал содержит предсказанное значение, а не оценку параметра. Интервал для предсказанного отклика Y X = Xi при конкретном значении переменной X i определяется по формуле:
Предположим, что, выбирая место для торговой точки, мы хотим построить 95%-ный доверительный интервал для предсказанного годового объема продаж в магазине, площадь которого равна 4000 кв. футов:
Следовательно, предсказанный годовой объем продаж в магазине, площадь которого равна 4000 кв. футов, с 95%-ной вероятностью лежит в интервале от 5,433 до 9,854 млн. долл. Как видим, доверительный интервал для предсказанного значения отклика намного шире, чем доверительный интервал для его математического ожидания. Это объясняется тем, что изменчивость при прогнозировании индивидуальных значений намного больше, чем при оценке математического ожидания.
Подводные камни и этические проблемы, связанные с применением регрессии
Трудности, связанные с регрессионным анализом:
- Игнорирование условий применимости метода наименьших квадратов.
- Ошибочная оценка условий применимости метода наименьших квадратов.
- Неправильный выбор альтернативных методов при нарушении условий применимости метода наименьших квадратов.
- Применение регрессионного анализа без глубоких знаний о предмете исследования.
- Экстраполяция регрессии за пределы диапазона изменения объясняющей переменной.
- Путаница между статистической и причинно-следственной зависимостями.
Широкое распространение электронных таблиц и программного обеспечения для статистических расчетов ликвидировало вычислительные проблемы, препятствовавшие применению регрессионного анализа. Однако это привело к тому, что регрессионный анализ стали применять пользователи, не обладающие достаточной квалификацией и знаниями. Откуда пользователям знать об альтернативных методах, если многие из них вообще не имеют ни малейшего понятия об условиях применимости метода наименьших квадратов и не умеют проверять их выполнение?
Исследователь не должен увлекаться перемалыванием чисел - вычислением сдвига, наклона и коэффициента смешанной корреляции. Ему нужны более глубокие знания. Проиллюстрируем это классическим примером, взятым из учебников. Анскомб показал, что все четыре набора данных, приведенных на рис. 23, имеют одни и те же параметры регрессии (рис. 24).
Рис. 23. Четыре набора искусственных данных
Рис. 24. Регрессионный анализ четырех искусственных наборов данных; выполнен с помощью Пакета анализа (кликните на рисунке, чтобы увеличить изображение)
Итак, с точки зрения регрессионного анализа все эти наборы данных совершенно идентичны. Если бы анализ был на этом закончен, мы потеряли бы много полезной информации. Об этом свидетельствуют диаграммы разброса (рис. 25) и графики остатков (рис. 26), построенные для этих наборов данных.
Рис. 25. Диаграммы разброса для четырех наборов данных
Диаграммы разброса и графики остатков свидетельствуют о том, что эти данные отличаются друг от друга. Единственный набор, распределенный вдоль прямой линии, - набор А. График остатков, вычисленных по набору А, не имеет никакой закономерности. Этого нельзя сказать о наборах Б, В и Г. График разброса, построенный по набору Б, демонстрирует ярко выраженную квадратичную модель. Этот вывод подтверждается графиком остатков, имеющим параболическую форму. Диаграмма разброса и график остатков показывают, что набор данных В содержит выброс. В этой ситуации необходимо исключить выброс из набора данных и повторить анализ. Метод, позволяющий обнаруживать и исключать выбросы из наблюдений, называется анализом влияния. После исключения выброса результат повторной оценки модели может оказаться совершенно иным. Диаграмма разброса, построенная по данным из набора Г, иллюстрирует необычную ситуацию, в которой эмпирическая модель значительно зависит от отдельного отклика (Х 8 = 19, Y 8 = 12,5). Такие регрессионные модели необходимо вычислять особенно тщательно. Итак, графики разброса и остатков являются крайне необходимым инструментом регрессионного анализа и должны быть его неотъемлемой частью. Без них регрессионный анализ не заслуживает доверия.
Рис. 26. Графики остатков для четырех наборов данных
Как избежать подводных камней при регрессионном анализе:
- Анализ возможной взаимосвязи между переменными X и Y всегда начинайте с построения диаграммы разброса.
- Прежде чем интерпретировать результаты регрессионного анализа, проверяйте условия его применимости.
- Постройте график зависимости остатков от независимой переменной. Это позволит определить, насколько эмпирическая модель соответствует результатам наблюдения, и обнаружить нарушение постоянства дисперсии.
- Для проверки предположения о нормальном распределении ошибок используйте гистограммы, диаграммы «ствол и листья», блочные диаграммы и графики нормального распределения.
- Если условия применимости метода наименьших квадратов не выполняются, используйте альтернативные методы (например, модели квадратичной или множественной регрессии).
- Если условия применимости метода наименьших квадратов выполняются, необходимо проверить гипотезу о статистической значимости коэффициентов регрессии и построить доверительные интервалы, содержащие математическое ожидание и предсказанное значение отклика.
- Избегайте предсказывать значения зависимой переменной за пределами диапазона изменения независимой переменной.
- Имейте в виду, что статистические зависимости не всегда являются причинно-следственными. Помните, что корреляция между переменными не означает наличия причинно-следственной зависимости между ними.
Резюме. Как показано на структурной схеме (рис. 27), в заметке описаны модель простой линейной регрессии, условия ее применимости и способы проверки этих условий. Рассмотрен t -критерий для проверки статистической значимости наклона регрессии. Для предсказания значений зависимой переменной использована регрессионная модель. Рассмотрен пример, связанный с выбором места для торговой точки, в котором исследуется зависимость годового объема продаж от площади магазина. Полученная информация позволяет точнее выбрать место для магазина и предсказать его годовой объем продаж. В следующих заметках будет продолжено обсуждение регрессионного анализа, а также рассмотрены модели множественной регрессии.
Рис. 27. Структурная схема заметки
Используются материалы книги Левин и др. Статистика для менеджеров. – М.: Вильямс, 2004. – с. 792–872
Если зависимая переменная является категорийной, необходимо применять логистическую регрессию.
Следующий пример использует файл данных Poverty. sta. Открыть его можно с помощью меню Файл, выбрав команду Открыть; наиболее вероятно, что этот файл данных находится в директории /Examples/Datasets. Данные основаны на сравнении результатов переписи 1960 и 1970 годов для случайной выборки из 30 округов. Имена округов введены в качестве идентификаторов наблюдений.
Следующая информация по каждой переменной приводится в электронной таблице Редактор спецификаций переменных (открывающийся при выборе команды Все спецификации переменных... в меню Данные).
Цель исследования. Мы проанализируем корреляты бедности (т.е. предикторы, "сильно" коррелирующие с процентом семей, живущих за чертой бедности). Таким образом, будем рассматривать переменную 3 (Pt_Poor), как зависимую или критериальную переменную, а все остальные переменные - в качестве независимых переменных или предикторов.
Начальный анализ. Когда вы выбираете команду Множественной регрессии с помощью меню Анализ, открывается стартовая панель модуля Множественная регрессия. Вы можете задать регрессионное уравнение щелчком мыши по кнопке Переменные во вкладке Быстрый стартовой панели модуля Множественная регрессия. В появившемся окне Выбора переменных выберите Pt_Poor в качестве зависимой переменной, а все остальные переменные набора данных - в качестве независимых. Во вкладке Дополнительно отметьте также опции Показывать описательные статистики, корр. матрицы.
Теперь нажмите OK этого диалогового окна, после чего откроется диалоговое окно Просмотр описательных статистик. Здесь вы можете просмотреть средние и стандартные отклонения, корреляции и ковариации между переменными. Отметим, что это диалоговое окно доступно практически из всех последующих окон модуля Множественная регрессия, так что вы всегда сможете вернуться назад, чтобы посмотреть на описательные статистики определенных переменных.
Распределение переменных. Сначала изучим распределение зависимой переменной Pt_Poor по округам. Нажмите Средние и стд.отклонения для показа таблицы результатов.
Выберите Гистограммы в меню Графика, чтобы построить гистограмму для переменной Pt_Poor (во вкладке Дополнительно диалогового окна 2М Гистограммы установите опцию Число категорий в строке Категории равной 16). Как видно ниже, распределение этой переменной чем-то отличается от нормального распределения. Коэффициенты корреляции могут оказаться существенно завышенными или заниженными при наличии в выборке существенных выбросов. Однако, хотя два округа (две самые правые колонки) имеют более высокий процент семей, проживающих за чертой бедности, чем это можно было бы ожидать в соответствии с нормальным распределением, они все еще, как нам кажется, находятся "в рамках допустимого".
Это решение является в определенной степени субъективным; эмпирическое правило состоит в том, что беспокойство требуется проявлять только тогда, когда наблюдение (или наблюдения) лежат вне интервала, заданного средним значением ± 3 стандартных отклонения. В этом случае будет разумно повторить критическую (с точки зрения влияния выбросов) часть анализа с выбросами и без них, с тем, чтобы удостовериться в отсутствии их влияния на характер взаимных корреляций. Вы также можете просмотреть распределение этой переменной, щелкнув мышкой на кнопке Диаграмма размаха во вкладке Дополнительно диалогового окна Просмотр описательных статистик, выбрав переменную Pt_Poor. Далее, выберите опцию Медиана/квартили/размах в диалоговом окне Диаграммы размаха и нажмите кнопку OK.
(Заметим, что определенный метод вычисления медианы и квартилей может быть выбран для всей "системы" в диалоговом окне Параметры в меню Сервис.)
Диаграммы рассеяния. Если имеются априорные гипотезы о связи между определенными переменными, на этом этапе может оказаться полезным вывести соответствующую диаграмму рассеяния. Например, посмотрим на связь между изменением популяции и процентом семей, проживающих за чертой бедности. Было бы естественно ожидать, что бедность приводит к миграции населения; таким образом, должна наблюдаться отрицательная корреляция между процентом семей, проживающих за чертой бедности, и изменением популяции.
Возвратимся к диалоговому окну Просмотр описательных статистик и щелкнем мышкой по кнопке Корреляции во вкладке Быстрый для отображения таблицы результатов с корреляционной матрицей.
Корреляции между переменными могут быть отображены также и на матричной диаграмме рассеяния. Матричная диаграмма рассеяния для выбранных переменных может быть получена щелчком мыши по кнопке Матричный график корреляций во вкладке Дополнительно диалогового окна Просмотр описательных статистик и последующим выбором интересующих переменных.
Задание множественной регрессии. Для выполнения регрессионного анализа от вас требуется только щелкнуть по кнопке OK в диалоговом окне Просмотр описательных статистик и перейти в окно Результаты множественной регрессии. Стандартный регрессионный анализ (со свободным членом) будет выполнен автоматически.
Просмотр результатов. Ниже изображено диалоговое окно Результаты множественной регрессии. Общее уравнение множественной регрессии высоко значимо (см. главу Элементарные понятия статистики по поводу обсуждения проверки статистической значимости). Таким образом, зная значения независимых переменных, можно "предсказать" предиктор, связанный с бедностью, лучше, чем угадывая его чисто случайно.
Регрессионные коэффициенты. Чтобы узнать, какие из независимых переменных дают больший вклад в предсказание предиктора, связанного с бедностью, изучим регрессионные (или B) коэффициенты. Щелкните мышкой по кнопке Итоговая таблица регрессии во вкладке Быстрый диалогового окна Результаты множественной регрессии для вывода таблицы результатов с этими коэффициентами.
Эта таблица показывает стандартизованные регрессионные коэффициенты (Бета) и обычные регрессионные коэффициенты (B). Бета-коэффициенты - это коэффициенты, которые получатся, если предварительно стандартизовать все переменные к среднему 0 и стандартному отклонению 1. Таким образом, величина этих Бета-коэффициентов позволяет сравнивать относительный вклад каждой независимой переменной в предсказание зависимой переменной. Как видно из таблицы результатов, изображенной выше, переменные Pop_Chng, Pt_Rural и N_Empld являются наиболее важными предикторами для бедности; из них только первые два статистически значимы. Регрессионный коэффициент для Pop_Chng отрицателен; т.е. чем меньше прирост популяция, тем большее число семей живут ниже уровня бедности в соответствующем округе. Вклад в регрессию для Pt_Rural положителен; т.е. чем больше процент сельского населения, тем выше уровень бедности.
Частные корреляции. Другой путь изучения вкладов каждой независимой переменной в предсказание зависимой переменной состоит в вычислении частных и получастных корреляций (щелкните на кнопке Частные корреляции во вкладке Дополнительно диалогового окна Результаты множественной регрессии). Частные корреляции являются корреляциями между соответствующей независимой переменной и зависимой переменной, скорректированными относительно других переменных. Таким образом, это корреляция между остатками после корректировки относительно независимых переменных. Частная корреляция представляет самостоятельный вклад соответствующей независимой переменной в предсказание зависимой переменной.
Получастные корреляция являются корреляциями между соответствующей независимой переменной, скорректированной относительно других переменных, и исходной (нескорректированной) зависимой переменной. Таким образом, получастная корреляция является корреляцией соответствующей независимой переменной после корректировки относительно других переменных, и нескорректированными исходными значениями зависимой переменной. Иначе говоря, квадрат получастной корреляции является показателем процента Общей дисперсии, самостоятельно объясняемой соответствующей независимой переменной, в то время как квадрат частной корреляции является показателем процента остаточной дисперсии, учитываемой после корректировки зависимой переменной относительно независимых переменных.
В этом примере частные и получастные корреляции имеют близкие значения. Однако иногда их величины могут различаться значительно (получастная корреляция всегда меньше). Если получастная корреляция очень мала, в то время как частная корреляция относительно велика, то соответствующая переменная может иметь самостоятельную "часть" в объяснении изменчивости зависимой переменной (т.е. "часть", которая не объясняется другими переменными). Однако в смысле практической значимости, эта часть может быть мала, и представлять только небольшую долю от общей изменчивости (подробнее см., например, в работах Lindeman, Merenda, and Gold, 1980; Morrison, 1967; Neter, Wasserman, and Kutner, 1985; Pedhazur, 1973; или Stevens, 1986).
Анализ остатков. После подбора уравнения регрессии всегда полезно изучить полученные предсказанные значения и остатки. Например, экстремальные выбросы могут существенно сместить результаты и привести к ошибочным заключениям. Во вкладке Остатки/предложения/наблюдаемые нажмите кнопку Анализ остатков для перехода в соответствующее диалоговое окно.
Построчный график остатков. Эта опция диалогового окна предоставляет вам возможность выбрать один из возможных типов остатков для построения построчного графика. Обычно, следует изучить характер исходных (нестандартизованных) или стандартизованных остатков для идентификации экстремальных наблюдений. В нашем примере, выберите вкладку Остатки и нажмите кнопку Построчные графики остатков; по умолчанию будет построен график исходных остатков; однако, вы можете изменить тип остатков в соответствующем поле.
Масштаб, используемый в построчном графике в самой левой колонке, задается в терминах сигмы, т.е. стандартного отклонения остатков. Если один или несколько наблюдений попадают за границы ± 3 * сигма, то, вероятно, следует исключить соответствующие наблюдения (это легко достигается с помощью условий отбора) и выполнить анализ снова, чтобы убедиться в отсутствии смещения ключевых результатов, вызванного этими выбросами в данных.
Построчный график выбросов. Быстрый способ идентификации выбросов состоит в использовании опции График выбросов во вкладке Выбросы. Вы можете выбрать просмотр всех стандартных остатков, выпадающих за границы ± 2-5 сигма, или просмотр 100 наиболее выделяющихся наблюдений, выбранных в поле Тип выброса во вкладке Выбросы. При использовании опции Стандартный остаток (>2*сигма) в нашем примере какие-либо выбросы не заметны.
Расстояния Махаланобиса. Большинство учебников по статистике отводят определенное место для обсуждения темы выбросов и остатков для зависимой переменной. Однако роль выбросов для набора независимых переменных часто упускается из виду. Со стороны независимых переменных, имеется список переменных, участвующий с различными весами (регрессионные коэффициенты) в предсказании зависимой переменной. Независимые переменные можно представить себе в виде точек некоторого многомерного пространства, в котором может располагаться каждое наблюдение. Например, если вы имеете две независимые переменные с равными регрессионными коэффициентами, то можно построить диаграмму рассеяния этих двух переменных и расположить каждое наблюдение на этом графике. Вы можете затем нарисовать точку средних значений обоих переменных и вычислить расстояния от каждого наблюдения до этого среднего (называемого теперь центроидом) в этом двумерном пространстве; в этом состоит концептуальная идея, стоящая за вычислением расстояний Махаланобиса. Теперь посмотрим на эти расстояния, отсортированные по величине, с целью идентификации экстремальных наблюдений по независимым переменным. В поле Тип выбросов отметьте опцию расстояний Махаланобиса и нажмите кнопку Построчный график выбросов. Полученный график показывает расстояния Махаланобиса, отсортированные в порядке убывания.
Отметим, что округ Shelby оказывается в чем-то выделяющимся по сравнению с другими округами на графике. Если посмотреть на исходные данные, можно обнаружить, что в действительности округ Shelby - значительно больший по размеру округ с большим числом людей, занятых сельским хозяйством (переменная N_Empld), и намного более весомой популяцией афроамериканцев. Вероятно, было бы разумно выражать эти числа в процентах, а не в абсолютных значениях, в этом случае расстояние Махаланобиса округа Shelby от других округов в данном примере не было бы столь велико. Однако мы получили, что округ Shelby оказывается явным выбросом.
Удаленные остатки. Другой очень важной статистикой, позволяющей оценить масштаб проблемы выбросов, являются удаленные остатки. Они определяются как стандартизованные остатки для соответствующих наблюдений, которые получились бы при исключении соответствующих наблюдений из анализа. Напомним, что процедура множественной регрессии подбирает прямую линию для выражения взаимосвязи между зависимой и независимыми переменными. Если одно из наблюдений является очевидным выбросом (как округ Shelby в этих данных), то линия регрессии стремиться "приблизится" к этому выбросу, с тем чтобы учесть его, насколько это возможно. В результате, при исключении соответствующего наблюдения, возникнет совершенно другая линия регрессии (и B-коэффициенты). Поэтому, если удаленный остаток сильно отличается от стандартизованного остатка, у вас есть основания полагать, что результаты регрессионного анализа существенно смещены соответствующим наблюдением. В данном примере удаленный остаток для округа Shelby является выбросом, который существенно влияет на анализ. Вы можете построить диаграмму рассеяния остатков относительно удаленных остатков с помощью опции Остатки и удал. остатки во вкладке Диаграммы рассеяния. Ниже на диаграмме рассеяния явно заметен выброс.
STATISTICA предоставляет интерактивное средство для удаления выбросов (Кисть на панели инструментов для графики;). Позволяющее экспериментировать с удалением выбросов и позволяющее сразу же увидеть их влияние на линию регрессии. Когда это средство активизировано, курсор меняется на крестик и рядом с графиком высвечивается диалоговое окно Закрашивание. Вы можете (временно) интерактивно исключать отдельные точки данных из графика, отметив (1) опцию Автообновление и (2) поле Выключить из блока Операция; а затем щелкнув мышкой на точке, которую нужно удалить, совместив ее с крестиком курсора.
Отметим, что удаленные точки можно "возвратить", щелкнув по кнопке Отменить все в диалоговом окне Закрашивание.
Нормальные вероятностные графики. Из окна Анализ остатков пользователь получает большому количеству дополнительных графиков. Большинство этих графиков более или менее просто интерпретируются. Тем не менее, здесь мы дадим интерпретацию нормального вероятностного графика, поскольку он наиболее часто используется при анализе справедливости предположений регрессии.
Как было замечено ранее, множественная линейная регрессия предполагает линейную связь между переменными в уравнении, и нормальным распределением остатков. Если эти предположения нарушаются, окончательные заключения могут оказаться неточными. Нормальный вероятностный график остатков наглядно показывает наличие или отсутствие больших отклонений от высказанных предположений. Нажмите кнопку Нормальный во вкладке Вероятностные графики для построения этого графика.
Этот график строится следующим образом. Сначала остатки регрессии ранжируются. Для этих упорядоченных остатков вычисляются z-значения (т.е. стандартные значения нормального распределения), исходя из предположения, что данные имеют нормальное распределение. Эти z-значения откладываются по оси Y на графике.
Если наблюдаемые остатки (отложенные по оси X) нормально распределены, то все значения будут располагаться на графике вблизи прямой линии; на данном графике все точки лежат очень близко к прямой линии. Если остатки не распределены нормально, то они будут отклоняться от линии. На этом графике также могут стать заметны выбросы.
Если имеющаяся модель плохо согласуется с данными, и данные на графике, похоже, образуют некоторую структуру (например, облако наблюдений принимает S-образную форму) около линии регрессии, то, возможно, будет полезным применение некоторого преобразования зависимой переменной (например, логарифмирование с целью "поджать" хвост распределения, и т.п.; см. также краткое обсуждение преобразований Бокса-Кокса и Бокса-Тидвелла в разделе Примечания и техническая информация). Обсуждение подобных методов лежит за рамками данного руководства (в книге Neter, Wasserman и Kutner, 1985, стр. 134, авторы предлагают превосходное обсуждение преобразований, как средств борьбы с ненормальностью и нелинейностью). Однако слишком часто исследователи просто принимают свои данные, не пытаясь присмотреться к их структуре или проверить их на соответствие своим предположениям, что приводит к ошибочным заключениям. По этой причине одной из основных задач, стоявшей перед разработчиками пользовательского интерфейса модуля Множественной регрессии было максимально возможное упрощение (графического) анализа остатков.
Целью регрессионного анализа является измерение связи между зависимой переменной и одной (парный регрессионный анализ) или несколькими (множественный) независимыми переменными. Независимые переменные называют также факторными, объясняющими, определяющими, регрессорами и предикторами.
Зависимую переменную иногда называют определяемой, объясняемой, «откликом». Чрезвычайно широкое распространение регрессионного анализа в эмпирических исследованиях связано не только с тем, что это удобный инструмент тестирования гипотез. Регрессия, особенно множественная, является эффективным методом моделирования и прогнозирования.
Объяснение принципов работы с регрессионным анализом начнем с более простого - парного метода.
Парный регрессионный анализ
Первые действия при использовании регрессионного анализа будут практически идентичны предпринятым нами в рамках вычисления коэффициента корреляции. Три основных условия эффективности корреляционного анализа по методу Пирсона - нормальное распределение переменных, интервальное измерение переменных, линейная связь между переменными - актуальны и для множественной регрессии. Соответственно, на первом этапе строятся диаграммы рассеяния, проводится статистически-описательный анализ переменных и вычисляется линия регрессии. Как и в рамках корреляционного анализа, линии регрессии строятся методом наименьших квадратов.
Чтобы более наглядно проиллюстрировать различия между двумя методами анализа данных, обратимся к уже рассмотренному примеру с переменными «поддержка СПС» и «доля сельского населения». Исходные данные идентичны. Отличие в диаграммах рассеяния будет заключаться в том, что в регрессионном анализе корректно откладывать зависимую переменную - в нашем случае «поддержка СПС» по оси Y, тогда как в корреляционном анализе это не имеет значения. После чистки выбросов диаграмма рассеяния имеет вид:
Принципиальная идея регрессионного анализа состоит в том, что, имея общую тенденцию для переменных - в виде линии регрессии, - можно предсказать значение зависимой переменной, имея значения независимой.
Представим обычную математическую линейную функцию. Любую прямую в евклидовом пространстве можно описать формулой:
где а - константа, задающая смещение по оси ординат; b - коэффициент, определяющий угол наклона линии.
Зная угловой коэффициент и константу, можно рассчитать (предсказать) значение у для любого х.
Эта простейшая функция и легла в основу модели регрессионного анализа с той оговоркой, что значение у мы предскажем не точно, а в рамках определенного доверительного интервала, т.е. приблизительно.
Константой является точка пересечения линии регрессии и оси ординат (F-пересечение, в статистических пакетах, как правило, обозначаемое «interceptor»). В нашем примере с голосованием за СПС ее округленное значение составит 10,55. Угловой коэффициент Ъ будет равен примерно -0,1 (как и в корреляционном анализе, знак показывает тип связи - прямая или обратная). Таким образом, полученная модель будет иметь вид СП С = -0,1 х Сел. нас. + 10,55.
СПС = -0,10 х 47 + 10,55 = 5,63.
Разность между исходным и предсказанным значениями называется остатком (с этим термином - принципиальным для статистики - мы уже сталкивались при анализе таблиц сопряженности). Так, для случая «Республика Адыгея» остаток будет равен 3,92 - 5,63 = -1,71. Чем больше модульное значение остатка, тем менее удачно предсказано значение.
Рассчитываем предсказанные значения и остатки для всех случаев:
|
Анализ соотношения исходных и предсказанных значений служит для оценки качества полученной модели, ее прогностической способности. Одним из главных показателей регрессионной статистики является множественный коэффициент корреляции R - коэффициент корреляции между исходными и предсказанными значениями зависимой переменной. В парном регрессионном анализе он равен обычному коэффициенту корреляции Пирсона между зависимой и независимой переменной, в нашем случае - 0,63. Чтобы содержательно интерпретировать множественный R, его необходимо преобразовать в коэффициент детерминации. Это делается так же, как и в корреляционном анализе - возведением в квадрат. Коэффициент детерминации R -квадрат (R 2) показывает долю вариации зависимой переменной, объясняемую независимой (независимыми) переменными.
В нашем случае R 2 = 0,39 (0,63 2); это означает, что переменная «доля сельского населения» объясняет примерно 40% вариации переменной «поддержка СПС». Чем больше величина коэффициента детерминации, тем выше качество модели.
Другим показателем качества модели является стандартная ошибка оценки (standard error of estimate). Это показатель того, насколько сильно точки «разбросаны» вокруг линии регрессии. Мерой разброса для интервальных переменных является стандартное отклонение. Соответственно, стандартная ошибка оценки - это стандартное отклонение распределения остатков. Чем выше ее значение, тем сильнее разброс и тем хуже модель. В нашем случае стандартная ошибка составляет 2,18. Именно на эту величину наша модель будет «ошибаться в среднем» при прогнозировании значения переменной «поддержка СПС».
Регрессионная статистика включает в себя также дисперсионный анализ. С его помощью мы выясняем: 1) какая доля вариации (дисперсии) зависимой переменной объясняется независимой переменной; 2) какая доля дисперсии зависимой переменной приходится на остатки (необъясненная часть); 3) каково отношение этих двух величин (/"-отношение). Дисперсионная статистика особенно важна для выборочных исследований - она показывает, насколько вероятно наличие связи между независимой и зависимой переменными в генеральной совокупности. Однако и для сплошных исследований (как в нашем примере) изучение результатов дисперсионного анализа небесполезно. В этом случае проверяют, не вызвана ли выявленная статистическая закономерность стечением случайных обстоятельств, насколько она характерна для того комплекса условий, в которых находится обследуемая совокупность, т.е. устанавливается не истинность полученного результата для какой-то более обширной генеральной совокупности, а степень его закономерности, свободы от случайных воздействий.
В нашем случае статистика дисперсионного анализа такова:
| SS | df | MS | F | значение | |
| Регрес. | 258,77 | 1,00 | 258,77 | 54,29 | 0.000000001 |
| Остат. | 395,59 | 83,00 | Л,11 | ||
| Всего | 654,36 |
F-отношение 54,29 значимо на уровне 0,0000000001. Соответственно, мы можем с уверенностью отвергнуть нулевую гипотезу (что обнаруженная нами связь носит случайный характер).
Аналогичную функцию выполняет критерий t, но уже в отношении регрессионных коэффициентов (углового и F-пересечения). С помощью критерия / проверяем гипотезу о том, что в генеральной совокупности регрессионные коэффициенты равны нулю. В нашем случае мы вновь можем уверенно отбросить нулевую гипотезу.
Множественный регрессионный анализ
Модель множественной регрессии практически идентична модели парной регрессии; разница лишь в том, что в линейную функцию последовательно включаются несколько независимых переменных:
Y = b1X1 + b2X2 + …+ bpXp + а.
Если независимых переменных больше двух, мы не имеем возможности получить визуальное представление об их связи, в этом плане множественная регрессия менее «наглядна», нежели парная. При наличии двух независимых переменных данные бывает полезно отобразить на трехмерной диаграмме рассеяния. В профессиональных статистических пакетах программ (например, Statisticа) существует опция вращения трехмерной диаграммы, позволяющая хорошо визуально представить структуру данных.
При работе с множественной регрессией, в отличие от парной, необходимо определять алгоритм анализа. Стандартный алгоритм включает в итоговую регрессионную модель все имеющиеся предикторы. Пошаговый алгоритм предполагает последовательное включение (исключение) независимых переменных, исходя из их объяснительного «веса». Пошаговый метод хорош, когда имеется много независимых переменных; он «очищает» модель от откровенно слабых предикторов, делая ее более компактной и лаконичной.
Дополнительным условием корректности множественной регрессии (наряду с интервальностью, нормальностью и линейностью) является отсутствие мультиколлинеарности - наличия сильных корреляционных связей между независимыми переменными.
Интерпретация статистики множественной регрессии включает в себя все злементы, рассмотренные нами для случая парной регрессии. Кроме того, в статистике множественного регрессионного анализа есть и другие важные составляющие.
Работу с множественной регрессией мы проиллюстрируем на примере тестирования гипотез, объясняющих различия в уровне электоральной активности по регионам России. В ходе конкретных эмпирических исследований были высказаны предположения, что на уровень явки избирателей влияют:
Национальный фактор (переменная «русское население»; операционализирована как доля русского населения в субъектах РФ). Предполагается, что увеличение доли русского населения ведет к снижению активности избирателей;
Фактор урбанизации (переменная «городское население»; операционализирована как доля городского населения в субъектах РФ, с этим фактором мы уже работали в рамках корреляционного анализа). Предполагается, что увеличение доли городского населения также ведет к снижению активности избирателей.
Зависимая переменная - «интенсивность избирательной активности» («актив») операционализирована через усредненные данные явки по регионам на федеральных выборах с 1995 по 2003 г. Исходная таблица данных для двух независимых и одной зависимой переменной будет иметь следующий вид:
| Случай | Переменные | ||
| Актив. | Гор. нас. | Рус. нас. | |
| Республика Адыгея | 64,92 | 53 | 68 |
| Республика Алтай | 68,60 | 24 | 60 |
| Республика Бурятия | 60,75 | 59 | 70 |
| Республика Дагестан | 79,92 | 41 | 9 |
| Республика Ингушетия | 75,05 | 41 | 23 |
| Республика Калмыкия | 68,52 | 39 | 37 |
| Карачаево-Черкесская Республика | 66,68 | 44 | 42 |
| Республика Карелия | 61,70 | 73 | 73 |
| Республика Коми | 59,60 | 74 | 57 |
| Республика Марий Эл | 65,19 | 62 | 47 |
И т.д. (после чистки выбросов остается 83 случая из 88)
Статистика, описывающая качество модели:
1. Множественный R = 0,62; Л-квадрат = 0,38. Следовательно, национальный фактор и фактор урбанизации вместе объясняют около 38% вариации переменной «электоральная активность».
2. Средняя ошибка составляет 3,38. Именно настолько «в среднем ошибается» построенная модель при прогнозировании уровня явки.
3. /л-отношение объясненной и необъясненной вариации составляет 25,2 на уровне 0,000000003. Нулевая гипотеза о случайности выявленных связей отвергается.
4. Критерий /для константы и регрессионных коэффициентов переменных «городское население» и «русское население» значим на уровне 0,0000001; 0,00005 и 0,007 соответственно. Нулевая гипотеза о случайности коэффициентов отвергается.
Дополнительная полезная статистика в анализе соотношения исходных и предсказанных значений зависимой переменной - расстояние Махаланобиса и расстояние Кука. Первое - мера уникальности случая (показывает, насколько сочетание значений всех независимых переменных для данного случая отклоняется от среднего значения по всем независимым переменным одновременно). Второе - мера влиятельности случая. Разные наблюдения по-разному влияют на наклон линии регрессии, и с помощью расстояния Кука можно сопоставлять их по этому показателю. Это бывает полезно при чистке выбросов (выброс можно представить как чрезмерно влиятельный случай).
В нашем примере к уникальным и влиятельным случаям, в частности, относится Дагестан.
| Случай | Исходные значения | Предска значения | Остатки | Расстояние Махаланобиса | Расстояние |
| Адыгея | 64,92 | 66,33 | -1,40 | 0,69 | 0,00 |
| Республика Алтай | 68,60 | 69.91 | -1,31 | 6,80 | 0,01 |
| Республика Бурятия | 60,75 | 65,56 | -4,81 | 0,23 | 0,01 |
| Республика Дагестан | 79,92 | 71,01 | 8,91 | 10,57 | 0,44 |
| Республика Ингушетия | 75,05 | 70,21 | 4,84 | 6,73 | 0,08 |
| Республика Калмыкия | 68,52 | 69,59 | -1,07 | 4,20 | 0,00 |
Собственно регрессионная модель обладает следующими параметрами: У-пересечение (константа) = 75,99; Ь (Гор. нас.) = -0,1; Ъ (Рус. нас.) = -0,06. Итоговая формула.
y =f (x ), когда каждому значению независимой переменной x соответствует одно определённое значение величины y , при регрессионной связи одному и тому же значению x могут соответствовать в зависимости от случая различные значения величины y . Если при каждом значении x =x i наблюдается n i значений y i 1 …y in 1 величины y , то зависимость средних арифметических =(y i 1 +…+y in 1)/n i от x =x i и является регрессией в статистическом понимании этого термина .Этот термин в статистике впервые был использован Френсисом Гальтоном (1886) в связи с исследованием вопросов наследования физических характеристик человека. В качестве одной из характеристик был взят рост человека; при этом было обнаружено, что в целом сыновья высоких отцов, что не удивительно, оказались более высокими, чем сыновья отцов с низким ростом. Более интересным было то, что разброс в росте сыновей был меньшим, чем разброс в росте отцов. Так проявлялась тенденция возвращения роста сыновей к среднему (regression to mediocrity ), то есть «регресс». Этот факт был продемонстрирован вычислением среднего роста сыновей отцов, рост которых равен 56 дюймам, вычислением среднего роста сыновей отцов, рост которых равен 58 дюймам, и т. д. После этого результаты были изображены на плоскости, по оси ординат которой откладывались значения среднего роста сыновей, а по оси абсцисс - значения среднего роста отцов. Точки (приближённо) легли на прямую с положительным углом наклона меньше 45°; важно, что регрессия была линейной.
Итак, допустим, имеется выборка из двумерного распределения пары случайных переменных (X, Y ). Прямая линия в плоскости (x, y ) была выборочным аналогом функции
В этом примере регрессия Y на X является линейной функцией . Если регрессия Y на X отлична от линейной, то приведённые уравнения суть линейная аппроксимация истинного уравнения регрессии.
В общем случае регрессия одной случайной переменной на другую не обязательно будет линейной. Также не обязательно ограничиваться парой случайных переменных. Статистические проблемы регрессии связаны с определением общего вида уравнения регрессии, построением оценок неизвестных параметров, входящих в уравнение регрессии, и проверкой статистических гипотез о регрессии . Эти проблемы рассматриваются в рамках регрессионного анализа .
Простым примером регрессии Y по X является зависимость между Y и X , которая выражается соотношением: Y =u (X )+ε, где u (x )=E (Y | X =x ), а случайные величины X и ε независимы. Это представление полезно, когда планируется эксперимент для изучения функциональной связи y =u (x ) между неслучайными величинами y и x . На практике обычно коэффициенты регрессии в уравнении y =u (x ) неизвестны и их оценивают по экспериментальным данным.
Линейная регрессия (пропедевтика)
Представим зависимость y от x в виде линейной модели первого порядка:
Будем считать, что значения x определяются без ошибки, β 0 и β 1 - параметры модели, а ε - ошибка, распределение которой подчиняется нормальному закону с нулевым средним значением и постоянным отклонением σ 2 . Значения параметров β заранее не известны и их нужно определить из набора экспериментальных значений (x i , y i ), i =1, …, n . Таким образом мы можем записать:
где означает предсказанное моделью значение y при данном x , b 0 и b 1 - выборочные оценки параметров модели, а - значения ошибок аппроксимации.
Метод наименьших квадратов даёт следующие формулы для вычисления параметров данной модели и их отклонений:
здесь средние значения определяются как обычно: , и s e 2 обозначает остаточное отклонение регрессии, которое является оценкой дисперсии σ 2 в том случае, если модель верна.
Стандартные ошибки коэффициентов регрессии используются аналогично стандартной ошибке среднего - для нахождения доверительных интервалов и проверки гипотез. Используем, например, критерий Стьюдента для проверки гипотезы о равенстве коэффициента регрессии нулю, то есть о его незначимости для модели. Статистика Стьюдента: t =b /s b . Если вероятность для полученного значения и n −2 степеней свободы достаточно мала, например, <0,05 - гипотеза отвергается. Напротив, если нет оснований отвергнуть гипотезу о равенстве нулю, скажем b 1 - есть основание задуматься о существовании искомой регрессии, хотя бы в данной форме, или о сборе дополнительных наблюдений. Если же нулю равен свободный член b 0 , то прямая проходит через начало координат и оценка углового коэффициента равна
,а её стандартной ошибки
Обычно истинные величины коэффициентов регрессии β 0 и β 1 не известны. Известны только их оценки b 0 и b 1 . Иначе говоря истинная прямая регрессии может пройти иначе, чем построенная по выборочным данным. Можно вычислить доверительную область для линии регрессии. При любом значении x соответствующие значения y распределены нормально. Средним является значение уравнения регрессии . Неопределённость его оценки характеризуется стандартной ошибкой регрессии:
Теперь можно вычислить 100(1−α/2)-процентный доверительный интервал для значения уравнения регрессии в точке x :
,где t (1−α/2, n −2) - t -значение распределения Стьюдента. На рисунке показана линия регрессии, построенная по 10 точкам (сплошные точки), а также 95%-я доверительная область линии регрессии, которая ограничена пунктирными линиями. С 95%-й вероятностью можно утверждать, что истинная линия находится где-то внутри этой области. Или иначе, если мы соберём аналогичные наборы данных (обозначены кружками) и построим по ним линии регрессии (обозначены голубым цветом), то в 95 случаях из 100 эти прямые не покинут пределов доверительной области. (Для визуализации кликните по картинке) Обратите внимание, что некоторые точки оказались вне доверительной области. Это совершенно естественно, поскольку речь идёт о доверительной области линии регрессии, а не самих значений. Разброс значений складывается из разброса значений вокруг линии регрессии и неопределённости положения самой этой линии, а именно:
Здесь m - кратность измерения y при данном x . И 100(1−α/2)-процентный доверительный интервал (интервал прогноза) для среднего из m значений y будет:
.На рисунке эта 95%-я доверительная область при m =1 ограничена сплошными линиями. В эту область попадает 95 % всех возможных значений величины y в исследованном диапазоне значений x .
Литература
Ссылки
- (англ.)
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Регрессия (математика)" в других словарях:
В Викисловаре есть статья «регрессия» Регрессия (лат. regressio «обратное движение, возвращение») многознач … Википедия
О функции, см.: Интерполянт. Интерполяция, интерполирование в вычислительной математике способ нахождения промежуточных значений величины по имеющемуся дискретному набору известных значений. Многим из тех, кто сталкивается с научными и… … Википедия
У этого термина существуют и другие значения, см. среднее значение. В математике и статистике среднее арифметическое одна из наиболее распространённых мер центральной тенденции, представляющая собой сумму всех наблюденных значений деленную на их… … Википедия
Не следует путать с японскими свечами. График 1. Результаты эксперимента Майкельсона Морли … Википедия
Начинающим · Сообщество · Порталы · Награды · Проекты · Запросы · Оценивание География · История · Общество · Персоналии · Религия · Спорт · Техника · Наука · Искусство · Философия … Википедия
РЕГРЕССИОННЫЙ И КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ - REGRESSION AND CORRELATION ANALYSISР.а. представляет собой вычисления на основе статистической информации с целью математической оценки усредненной связи между зависимой переменной и некоторой независимой переменной или переменными. Простая… … Энциклопедия банковского дела и финансов
Логотип Тип Программы математического моделирования Разработчик … Википедия
