Предполагается, что - независимые переменные (предикторы, объясняющие переменные) влияют на значения - зависимых переменных (откликов, объясняемых переменных). По имеющимся эмпирическим данным , требуется построить функцию , которая приближенно описывала бы изменение при изменении :

.

Предполагается, что множество допустимых функций, из которого подбирается , является параметрическим:

,

где - неизвестный параметр (вообще говоря, многомерный). При построении будем считать, что

, (1)

где первое слагаемое - закономерное изменение от , а второе - - случайная составляющая с нулевым средним; является условным математическим ожиданием при условии известного и называется регрессией по .

Пусть n раз измерены значения факторов и соответствующие значения переменной y ; предполагается, что

(2)

(второй индекс у x относится к номеру фактора, а первый – к номеру наблюдения); предполагается также, что

(3)

т.е. - некоррелированные случайные величины. Соотношения (2) удобно записывать в матричной форме:

, (4)

где - вектор-столбец значений зависимой переменной, t - символ транспонирования, - вектор-столбец (размерности k ) неизвестных коэффициентов регрессии, - вектор случайных отклонений,

-матрица ; в i -й строке находятся значения независимых переменных в i -м наблюдении первая переменная – константа, равная 1.

в начало

Оценка коэффициентов регрессии

Построим оценку для вектора так, чтобы вектор оценок зависимой переменной минимально (в смысле квадрата нормы разности) отличался от вектора заданных значений:

.

Решением является (если ранг матрицы равен k+1 ) оценка

(5)

Нетрудно проверить, что она несмещенная.

в начало

Проверка адекватности построенной регрессионной модели

Между значением , значением из регрессионной модели и значением тривиальной оценкой выборочного среднего существует следующее соотношение:

,

где .

По сути, член в левой части определяет общую ошибку относительно среднего. Первый член в правой части () определяет ошибку, связанную с регрессионной моделью, а второй () ошибку, связанную со случайными отклонениями и необъясненной построенной моделью.

Поделив обе части на полную вариацию игреков , получим коэффициент детерминации:

(6)

Коэффициент показывает качество подгонки регрессионной модели к наблюдаемым значениям . Если , то регрессия на не улучшает качества предсказания по сравнению с тривиальным предсказанием .

Другой крайний случай означает точную подгонку: все , т.е. все точки наблюдений лежат на регрессионной плоскости.

Однако, значение возрастает с ростом числа переменных (регрессоров) в регрессии, что не означает улучшения качества предсказания, и потому вводится скорректированный коэффициент детерминации

(7)

Его использование более корректно для сравнения регрессий при изменении числа переменных (регрессоров).

Доверительные интервалы для коэффициентов регрессии. Стандартной ошибкой оценки является величина , оценка для которой

(8)

где - диагональный элемент матрицы Z . Если ошибки распределены нормально, то, в силу свойств 1) и 2), приведенных выше, статистика

(9)

распределена по закону Стьюдента с степенями свободы, и поэтому неравенство

, (10)

где - квантиль уровня этого распределения, задает доверительный интервал для с уровнем доверия .

Проверка гипотезы о нулевых значениях коэффициентов регрессии. Для проверки гипотезы об отсутствии какой бы то ни было линейной связи между и совокупностью факторов, , т.е. об одновременном равенстве нулю всех коэффициентов, кроме коэффициентов, при константе используется статистика

, (11)

распределенная, если верна, по закону Фишера с k и степенями свободы. отклоняется, если

(12)

где - квантиль уровня .

в начало

Описание данных и постановка задачи

Исходный файл с данными tube_dataset.sta содержит 10 переменных и 33 наблюдения. См. рис. 1.

Рис. 1. Исходная таблица данных из файла tube_dataset.sta

В названии наблюдений указан временной интервал: квартал и год (до и после точки соответственно). Каждое наблюдение содержит данные за соответствующий временной интервал. 10 переменная «Квартал» дублирует номер квартала в имени наблюдения. Список переменных приведен ниже.

Цель: Построить регрессионную модель для переменной №9 «Потребление труб».

Этапы решения:

1) Сначала проведем разведочный анализ имеющихся данных на предмет выбросов и незначимых данных (построение линейных графиков и диаграмм рассеяния).

2) Проверим наличие возможных зависимостей между наблюдениями и между переменными (построение корреляционных матриц).

3) Если наблюдения будут образовывать группы, то для каждой группы построим регрессионную модель для переменной «Потребление труб» (множественная регрессия).

Перенумеруем переменные по порядку в таблице. Зависимой переменной (отклик) будем называть переменную «Потребление труб». Независимыми (предикторами) назовем все остальные переменные.

в начало

Решение задачи по шагам

Шаг 1. Диаграммы рассеяния (см. рис. 2.) явных выбросов не выявили. В то же время, на многих графиках явно просматривается линейная зависимость. Также есть пропущенные данные по «Потреблению труб» в 4 кварталах 2000 года.

Рис. 2. Диаграмма рассеяния зависимой переменной (№9) и кол-ва скважин (№8)

Цифра после символа Е в отметках по оси Х обозначает степень числа 10, которое определяет порядок значений переменной №8 (Количество скважин действующих). В данном случае речь идет о значении порядка 100.000 скважин (10 в 5 степени).

На диаграмме рассеяния на рис. 3 (см. ниже) отчетливо видно 2 облака точек, причем каждое из них имеет явную линейную зависимость.

Понятно, что переменная №1, скорее всего, войдет в регрессионную модель, т.к. нашей задачей является выявление именно линейной зависимости между предикторами и откликом.

Рис. 3. Диаграмма рассеяния зависимой переменной (№9) и Инвестиций в нефтяную промышленность (№1)

Шаг 2. Построим линейные графики всех переменных в зависимости от времени. Из графиков видно, что данные по многим переменным сильно разнятся в зависимости от номера квартала, но рост из года в год сохраняется.

Полученный результат подтверждает предположения, полученные на основе рис. 3.

Рис. 4. Линейный график 1-й переменной в зависимости от времени

В частности, на рис. 4 построен линейный график для первой переменной.

Шаг 3. Согласно результатам рис. 3 и рис. 4, разобьем наблюдения на 2 группы, по переменной №10 «Квартал». В первую группу войдут данные по 1 и 4 кварталу, а во вторую – данные по 2 и 3.

Чтобы разбить наблюдения согласно кварталам на 2 таблицы, воспользуемся пунктом Данные/Подмножество/Случайный выбор . Здесь в качестве наблюдений нам надо указать условия на значения переменной КВАРТАЛ. Cм. рис. 5.

Согласно заданным условиям наблюдения будут скопированы в новую таблицу. В строчке снизу можно указать конкретные номера наблюдений, однако в нашем случае это займет много времени.

Рис. 5. Выбор подмножества наблюдений из таблицы

В качестве заданного условия зададим:

V10 = 1 OR V10 = 4

V10 – это 10 переменная в таблице (V0 – это столбец с наблюдениями). По сути, мы проверяем каждое наблюдение в таблице, относится оно к 1-ому или 4-ому кварталу или нет. Если мы хотим, выбрать другое подмножество наблюдений, то можно либо сменить условие на:

V10 = 2 OR V10 = 3

либо перенести первое условие в исключающие правила.

Нажав ОК , мы сначала получим таблицу с данными только по 1 и 4 кварталу, а затем и таблицу с данными по 2 и 3 кварталу. Сохраним их под именами 1_4.sta и 2_3.sta через вкладку Файл/Сохранить как.

Далее будем работать уже с двумя таблицами и полученные результаты регрессионного анализа для обеих таблиц можно будет сравнить.

Шаг 4. Построим матрицу корреляций для каждой из групп, чтобы проверить предположение относительно линейной зависимости и учесть возможные сильные корреляции между переменными при построении регрессионной модели. Так как есть пропущенные данные, корреляционная матрица была построена с опцией попарного удаления пропущенных данных. См. рис. 6.

Рис. 6. Матрица корреляций для первых 9-ти переменных по данным 1 и 4 кварталов

Из корреляционной матрицы в частности понятно, некоторые переменные очень сильно коррелируют друг с другом.

Стоит отметить, что достоверность больших значений корреляции возможна только при отсутствии выбросов в исходной таблице. Поэтому диаграммы рассеяния для зависимой переменной и всех остальных переменных обязательно должны учитываться при корреляционном анализе.

Например, переменная №1 и №2 (Инвестиции в нефтяную и газовую промышленность соответственно). См. рис.7 (или, например, рис. 8).

Рис. 7. Диаграмма рассеяния для переменной №1 и №2

Рис. 8. Диаграмма рассеяния для переменной №1 и №7

Данная зависимость легко объяснима. Также ясен и высокий коэффициент корреляции между объемами добычи нефти и газа.

Высокий коэффициент корреляции между переменными (мультиколлиниарность) нужно учитывать при построении регрессионной модели. Здесь могут возникнуть большие ошибки при вычислении коэффициентов регрессии (плохообусловленная матрица при вычислении оценки через МНК).

Приведем наиболее распространенные способы устранения мультиколлиниарности :

1) Гребневая регрессия.

Данная опция задается при построении множественной регрессии. Число - малое положительное число. Оценка МНК в таком случае равна:

,

где Y – вектор со значениями зависимой переменной, X – матрица, содержащая по столбцам значения предикторов, а – единичная матрица порядка n+1. (n – количество предикторов в модели).

Плохообусловленность матрицы при гребневой регрессии значительно уменьшается.

2) Исключение одной из объясняющих переменных.

В этом случае из анализа исключается одна объясняющая переменная имеющая высокий парный коэффициент корреляции (r>0.8) с другим предиктором.

3) Использование пошаговых процедур с включением/исключением предикторов .

Обычно, в таких случаях, используют либо гребневую регрессию (она задается в качестве опции при построении множественной), либо, на основе значений корреляции, исключают объясняющие переменные, имеющие высокий парный коэффициент корреляции (r > 0.8), либо пошаговую регрессию с включением/исключением переменных.

Шаг 5. Теперь построим регрессионную модель при помощи выпадающей вкладки меню (Анализ/Множественная регрессия ). В качестве зависимой переменной укажем «Потребление труб», в качестве независимых – все остальные. См. рис. 9.

Рис. 9. Построение множественной регрессии для таблицы 1_4.sta

Множественную регрессию можно проводить пошагово. В этом случае в модель будут пошагово включаться (или исключаться) переменные, которые вносят наибольший (наименьший) вклад в регрессию на данном шаге.

Также данная опция позволяет остановиться на шаге, когда коэффициент детерминации еще не наибольший, однако уже все переменные модели являются значимыми. См. рис. 10.

Рис. 10. Построение множественной регрессии для таблицы 1_4.sta

Особо стоит отметить, что пошаговая регрессия с включением, в случае, когда количество переменных больше количества наблюдений, является единственным способом построения регрессионной модели.

Установка нулевого значения свободного члена регрессионной модели используется в случае, если сама идея модели подразумевает нулевое значение отклика, когда все предикторы окажутся равными 0. Чаще всего подобные ситуации встречаются в экономических задачах.

В нашем случае свободный член мы включим в модель.

Рис. 11. Построение множественной регрессии для таблицы 1_4.sta

В качестве параметров модели выберем Пошаговую с исключением (Fвкл = 11, Fвыкл = 10), с гребневой регрессией (лямбда = 0.1). И для каждой группы построим регрессионную модель. См. рис.11.

Результаты в виде Итоговой таблицы регрессии (см. также рис. 14) представлены на рис.12 и рис.13. Они получены на последнем шаге регрессии.

Шаг 6. Проверка адекватности модели

Обратим внимание, что, несмотря на значимость всех переменных в регрессионной модели (p-уровень < 0.05 – подсвечены красным цветом), коэффициент детерминации R2 существенно меньше у первой группы наблюдений.

Коэффициент детерминации показывает, по сути, какая доля дисперсии отклика объясняется влиянием предикторов в построенной модели. Чем ближе R2 к 1, тем лучше модель.

F-статистика Фишера используется для проверки гипотезы о нулевых значениях коэффициентов регрессии (т.е. об отсутствии какой бы то ни было линейной связи между и совокупностью факторов, , кроме коэффициента ). Гипотеза отклоняется при малом уровне значимости.

В нашем случае (см. рис. 12) значение F-статистики = 13,249 при уровне значимости p < 0,00092, т.е. гипотеза об отсутствии линейной связи отклоняется.

Рис. 12. Результаты регрессионного анализа данных по 1 и 4 кварталу

Рис. 13. Результаты регрессионного анализа данных по 2 и 3 кварталу

Шаг 7. Теперь проведем анализ остатков полученной модели. Результаты, полученные при анализе остатков, являются важным дополнением к значению коэффициента детерминации при проверке адекватности построенной модели.

Для простоты будем рассматривать лишь группу, разбитую на кварталы с номерами 2 и 3, т.к. вторая группа исследуется аналогично.

В окне, представленном на рис. 14, на вкладке Остатки/предсказанные/наблюдаемые значения нажмем на кнопку Анализ остатков , и далее нажмем на кнопку Остатки и предсказанные . (См. рис. 15)

Кнопка Анализ остатков будет активна, только если регрессия получена на последнем шаге. Чаще оказывается важным получить регрессионную модель, в которой значимы все предикторы, чем продолжить построение модели (увеличивая коэффициент детерминации) и получить незначимые предикторы.

В этом случае, когда регрессия не останавливается на последнем шаге, можно искусственно задать количество шагов в регрессии.

Рис. 14. Окно с результатами множественной регрессии для данных по 2 и 3-му кварталам

Рис. 15. Остатки и предсказанные значения регрессионной модели по данным 2 и 3 квартала

Прокомментируем результаты, представленные на рис. 15. Важным является столбец с Остатками (разница первых 2-х столбцов). Большие остатки по многим наблюдениям и наличие наблюдения с маленьким остатком может указывать на последнее как на выброс.

Другими словами анализ остатков нужен для того, чтобы отклонения от предположений, угрожающие обоснованности результатов анализа, могли быть легко обнаружены.

Рис. 16. Остатки и предсказанные значения регрессионной модели по данным 2 и 3 кварталов + 2 границы 0.95 доверительного интервала

В конце приведем график, иллюстрирующий данные, полученные из таблицы на рис. 16. Здесь добавлены 2 переменные: UCB и LCB – 0.95 верх. и нижн. дов. интервал.

UBC = V2+1.96*V6

LBC = V2-1.96*V6

И удалены четыре последних наблюдения.

Построим линейный график с переменными (Графики/2М Графики/Линейные графики для переменных )

1) Наблюдаемое значение (V1)

2) Предсказанное значение (V2)

3) UCB (V9)

4) LCB (V10)

Результат представлен на рис. 17. Теперь видно, что построенная регрессионная модель довольно неплохо отражает реальное потребление труб, особенно на результатах недавнего прошлого.

Это означает, что в ближайшем будущем реальные значения могут быть приближены модельными.

Отметим один важный момент. В прогнозировании при помощи регрессионных моделей всегда важен базовый временной интервал. В рассматриваемой задаче были выбраны кварталы.

Соответственно, при построении прогноза предсказываемые значения будут также получаться по кварталам. Если нужно получить прогноз на год, то придется прогнозировать на 4 квартала и в конце накопится большая ошибка.

Подобную проблему можно решить аналогично, вначале лишь агрегируя данные от кварталов к годам (например, усреднением). Для данной задачи подход не очень корректен, так как останется всего лишь 8 наблюдений, по которым будет строиться регрессионная модель. См. рис.18.

Рис. 17. Наблюдаемые и предсказанные значения вместе с 0.95 верх. и ниж. довер. интервалами (данные по 2 и 3 кварталам)

Рис. 18. Наблюдаемые и предсказанные значения вместе с 0.95 верх. и ниж. довер. интервалами (данные по годам)

Чаще всего такой подход применяется при агрегировании данных по месяцам, при исходных данных по дням.

Следует помнить, что все методы регрессионного анализа позволяют обнаружить только числовые зависимости, а не лежащие в их основе причинные связи. Поэтому ответ на вопрос о значимости переменных в полученной модели остается за экспертом в данной области, который, в частности, способен учесть влияние факторов, возможно, не вошедших в данную таблицу.

В статистическом моделировании регрессионный анализ представляет собой исследования, применяемые с целью оценки взаимосвязи между переменными. Этот математический метод включает в себя множество других методов для моделирования и анализа нескольких переменных, когда основное внимание уделяется взаимосвязи между зависимой переменной и одной или несколькими независимыми. Говоря более конкретно, регрессионный анализ помогает понять, как меняется типичное значение зависимой переменной, если одна из независимых переменных изменяется, в то время как другие независимые переменные остаются фиксированными.

Во всех случаях целевая оценка является функцией независимых переменных и называется функцией регрессии. В регрессионном анализе также представляет интерес характеристика изменения зависимой переменной как функции регрессии, которая может быть описана с помощью распределения вероятностей.

Задачи регрессионного анализа

Данный статистический метод исследования широко используется для прогнозирования, где его использование имеет существенное преимущество, но иногда это может приводить к иллюзии или ложным отношениям, поэтому рекомендуется аккуратно его использовать в указанном вопросе, поскольку, например, корреляция не означает причинно-следственной связи.

Разработано большое число методов для проведения регрессионного анализа, такие как линейная и обычная регрессии по методу наименьших квадратов, которые являются параметрическими. Их суть в том, что функция регрессии определяется в терминах конечного числа неизвестных параметров, которые оцениваются из данных. Непараметрическая регрессия позволяет ее функции лежать в определенном наборе функций, которые могут быть бесконечномерными.

Как статистический метод исследования, регрессионный анализ на практике зависит от формы процесса генерации данных и от того, как он относится к регрессионному подходу. Так как истинная форма процесса данных, генерирующих, как правило, неизвестное число, регрессионный анализ данных часто зависит в некоторой степени от предположений об этом процессе. Эти предположения иногда проверяемы, если имеется достаточное количество доступных данных. Регрессионные модели часто бывают полезны даже тогда, когда предположения умеренно нарушены, хотя они не могут работать с максимальной эффективностью.

В более узком смысле регрессия может относиться конкретно к оценке непрерывных переменных отклика, в отличие от дискретных переменных отклика, используемых в классификации. Случай непрерывной выходной переменной также называют метрической регрессией, чтобы отличить его от связанных с этим проблем.

История

Самая ранняя форма регрессии - это всем известный метод наименьших квадратов. Он был опубликован Лежандром в 1805 году и Гауссом в 1809. Лежандр и Гаусс применили метод к задаче определения из астрономических наблюдений орбиты тел вокруг Солнца (в основном кометы, но позже и вновь открытые малые планеты). Гаусс опубликовал дальнейшее развитие теории наименьших квадратов в 1821 году, включая вариант теоремы Гаусса-Маркова.

Термин «регресс» придумал Фрэнсис Гальтон в XIX веке, чтобы описать биологическое явление. Суть была в том, что рост потомков от роста предков, как правило, регрессирует вниз к нормальному среднему. Для Гальтона регрессия имела только этот биологический смысл, но позже его работа была продолжена Удни Йолей и Карлом Пирсоном и выведена к более общему статистическому контексту. В работе Йоля и Пирсона совместное распределение переменных отклика и пояснительных считается гауссовым. Это предположение было отвергнуто Фишером в работах 1922 и 1925 годов. Фишер предположил, что условное распределение переменной отклика является гауссовым, но совместное распределение не должны быть таковым. В связи с этим предположение Фишера ближе к формулировке Гаусса 1821 года. До 1970 года иногда уходило до 24 часов, чтобы получить результат регрессионного анализа.

Методы регрессионного анализа продолжают оставаться областью активных исследований. В последние десятилетия новые методы были разработаны для надежной регрессии; регрессии с участием коррелирующих откликов; методы регрессии, вмещающие различные типы недостающих данных; непараметрической регрессии; байесовские методов регрессии; регрессии, в которых переменные прогнозирующих измеряются с ошибкой; регрессии с большей частью предикторов, чем наблюдений, а также причинно-следственных умозаключений с регрессией.

Регрессионные модели

Модели регрессионного анализа включают следующие переменные:

• Неизвестные параметры, обозначенные как бета, которые могут представлять собой скаляр или вектор.
• Независимые переменные, X.
• Зависимые переменные, Y.

В различных областях науки, где осуществляется применение регрессионного анализа, используются различные термины вместо зависимых и независимых переменных, но во всех случаях регрессионная модель относит Y к функции X и β.

Приближение обычно оформляется в виде E (Y | X) = F (X, β). Для проведения регрессионного анализа должен быть определен вид функции f. Реже она основана на знаниях о взаимосвязи между Y и X, которые не полагаются на данные. Если такое знание недоступно, то выбрана гибкая или удобная форма F.

Зависимая переменная Y

Предположим теперь, что вектор неизвестных параметров β имеет длину k. Для выполнения регрессионного анализа пользователь должен предоставить информацию о зависимой переменной Y:

• Если наблюдаются точки N данных вида (Y, X), где N < k, большинство классических подходов к регрессионному анализу не могут быть выполнены, так как система уравнений, определяющих модель регрессии в качестве недоопределенной, не имеет достаточного количества данных, чтобы восстановить β.

• Если наблюдаются ровно N = K, а функция F является линейной, то уравнение Y = F (X, β) можно решить точно, а не приблизительно. Это сводится к решению набора N-уравнений с N-неизвестными (элементы β), который имеет единственное решение до тех пор, пока X линейно независим. Если F является нелинейным, решение может не существовать, или может существовать много решений.
• Наиболее распространенной является ситуация, где наблюдается N > точки к данным. В этом случае имеется достаточно информации в данных, чтобы оценить уникальное значение для β, которое наилучшим образом соответствует данным, и модель регрессии, когда применение к данным можно рассматривать как переопределенную систему в β.

В последнем случае регрессионный анализ предоставляет инструменты для:

• Поиска решения для неизвестных параметров β, которые будут, например, минимизировать расстояние между измеренным и предсказанным значением Y.
• При определенных статистических предположениях, регрессионный анализ использует избыток информации для предоставления статистической информации о неизвестных параметрах β и предсказанные значения зависимой переменной Y.

Необходимое количество независимых измерений

Рассмотрим модель регрессии, которая имеет три неизвестных параметра: β 0 , β 1 и β 2 . Предположим, что экспериментатор выполняет 10 измерений в одном и том же значении независимой переменной вектора X. В этом случае регрессионный анализ не дает уникальный набор значений. Лучшее, что можно сделать, оценить среднее значение и стандартное отклонение зависимой переменной Y. Аналогичным образом измеряя два различных значениях X, можно получить достаточно данных для регрессии с двумя неизвестными, но не для трех и более неизвестных.

Если измерения экспериментатора проводились при трех различных значениях независимой переменной вектора X, то регрессионный анализ обеспечит уникальный набор оценок для трех неизвестных параметров в β.

В случае общей линейной регрессии приведенное выше утверждение эквивалентно требованию, что матрица X Т X обратима.

Статистические допущения

Когда число измерений N больше, чем число неизвестных параметров k и погрешности измерений ε i , то, как правило, распространяется затем избыток информации, содержащейся в измерениях, и используется для статистических прогнозов относительно неизвестных параметров. Этот избыток информации называется степенью свободы регрессии.

Основополагающие допущения

Классические предположения для регрессионного анализа включают в себя:

• Выборка является представителем прогнозирования логического вывода.
• Ошибка является случайной величиной со средним значением нуля, который является условным на объясняющих переменных.
• Независимые переменные измеряются без ошибок.
• В качестве независимых переменных (предикторов) они линейно независимы, то есть не представляется возможным выразить любой предсказатель в виде линейной комбинации остальных.
• Ошибки являются некоррелированными, то есть ковариационная матрица ошибок диагоналей и каждый ненулевой элемент являются дисперсией ошибки.
• Дисперсия ошибки постоянна по наблюдениям (гомоскедастичности). Если нет, то можно использовать метод взвешенных наименьших квадратов или другие методы.

Эти достаточные условия для оценки наименьших квадратов обладают требуемыми свойствами, в частности эти предположения означают, что оценки параметров будут объективными, последовательными и эффективными, в особенности при их учете в классе линейных оценок. Важно отметить, что фактические данные редко удовлетворяют условиям. То есть метод используется, даже если предположения не верны. Вариация из предположений иногда может быть использована в качестве меры, показывающей, насколько эта модель является полезной. Многие из этих допущений могут быть смягчены в более продвинутых методах. Отчеты статистического анализа, как правило, включают в себя анализ тестов по данным выборки и методологии для полезности модели.

Кроме того, переменные в некоторых случаях ссылаются на значения, измеренные в точечных местах. Там могут быть пространственные тенденции и пространственные автокорреляции в переменных, нарушающие статистические предположения. Географическая взвешенная регрессия - единственный метод, который имеет дело с такими данными.

В линейной регрессии особенностью является то, что зависимая переменная, которой является Y i , представляет собой линейную комбинацию параметров. Например, в простой линейной регрессии для моделирования n-точек используется одна независимая переменная, x i , и два параметра, β 0 и β 1 .

При множественной линейной регрессии существует несколько независимых переменных или их функций.

При случайной выборке из популяции ее параметры позволяют получить образец модели линейной регрессии.

В данном аспекте популярнейшим является метод наименьших квадратов. С помощью него получают оценки параметров, которые минимизируют сумму квадратов остатков. Такого рода минимизация (что характерно именно линейной регрессии) этой функции приводит к набору нормальных уравнений и набору линейных уравнений с параметрами, которые решаются с получением оценок параметров.

При дальнейшем предположении, что ошибка популяции обычно распространяется, исследователь может использовать эти оценки стандартных ошибок для создания доверительных интервалов и проведения проверки гипотез о ее параметрах.

Нелинейный регрессионный анализ

Пример, когда функция не является линейной относительно параметров, указывает на то, что сумма квадратов должна быть сведена к минимуму с помощью итерационной процедуры. Это вносит много осложнений, которые определяют различия между линейными и нелинейными методами наименьших квадратов. Следовательно, и результаты регрессионного анализа при использовании нелинейного метода порой непредсказуемы.

Расчет мощности и объема выборки

Здесь, как правило, нет согласованных методов, касающихся числа наблюдений по сравнению с числом независимых переменных в модели. Первое правило было предложено Доброй и Хардином и выглядит как N = t^n, где N является размер выборки, n - число независимых переменных, а t есть числом наблюдений, необходимых для достижения желаемой точности, если модель имела только одну независимую переменную. Например, исследователь строит модель линейной регрессии с использованием набора данных, который содержит 1000 пациентов (N). Если исследователь решает, что необходимо пять наблюдений, чтобы точно определить прямую (м), то максимальное число независимых переменных, которые модель может поддерживать, равно 4.

Другие методы

Несмотря на то что параметры регрессионной модели, как правило, оцениваются с использованием метода наименьших квадратов, существуют и другие методы, которые используются гораздо реже. К примеру, это следующие методы:

• Байесовские методы (например, байесовский метод линейной регрессии).
• Процентная регрессия, использующаяся для ситуаций, когда снижение процентных ошибок считается более целесообразным.
• Наименьшие абсолютные отклонения, что является более устойчивым в присутствии выбросов, приводящих к квантильной регрессии.
• Непараметрическая регрессия, требующая большого количества наблюдений и вычислений.
• Расстояние метрики обучения, которая изучается в поисках значимого расстояния метрики в заданном входном пространстве.

Программное обеспечение

Все основные статистические пакеты программного обеспечения выполняются с помощью наименьших квадратов регрессионного анализа. Простая линейная регрессия и множественный регрессионный анализ могут быть использованы в некоторых приложениях электронных таблиц, а также на некоторых калькуляторах. Хотя многие статистические пакеты программного обеспечения могут выполнять различные типы непараметрической и надежной регрессии, эти методы менее стандартизированы; различные программные пакеты реализуют различные методы. Специализированное регрессионное программное обеспечение было разработано для использования в таких областях как анализ обследования и нейровизуализации.

ОТЧЕТ

Задание: рассмотреть процедуру регрессионного анализа на основе данных (цена продажи и жилая площадь) о 23 объектах недвижимости.

Режим работы "Регрессия" служит для расчета параметров уравнения линейной регрессии и проверки его адекватности исследуемому процессу.

Для решения задачи регрессионного анализа в MS Excel выбираем в меню Сервис команду Анализ данных и инструмент анализа "Регрессия ".

В появившемся диалоговом окне задаем следующие параметры:

1. Входной интервал Y - это диапазон данных по результативному признаку. Он должен состоять из одного столбца.

2. Входной интервал X - это диапазон ячеек, содержащих значения факторов (независимых переменных). Число входных диапазонов (столбцов) должно быть не больше 16.

3. Флажок Метки , устанавливается втом случае, если в первой строке диапазона стоит заголовок.

4. Флажок Уровень надежности активизируется, если в поле, находящееся рядом с ним необходимо ввести уровень надежности, отличный от установленного по умолчанию. Используется для проверки значимости коэффициента детерминации R 2 и коэффициентов регрессии.

5. Константа ноль. Данный флажок необходимо установить, если линия регрессии должна пройти через начало координат (а 0 =0).

6. Выходной интервал/ Новый рабочий лист/ Новая рабочая книга - указать адрес верхней левой ячейки выходного диапазона.

7. Флажки в группе Остатки устанавливаются, если необходимо включить в выходной диапазон соответствующие столбцы или графики.

8. Флажок График нормальной вероятности необходимо сделать активным, если требуется вывести на лист точечный график зависимости наблюдаемых значений Y от автоматически формируемых интервалов персентилей.

После нажатия кнопки ОК в выходном диапазоне получаем отчет.

С помощью набора средств анализа данных выполним регрессионный анализ исходных данных.

Инструмент анализа "Регрессия" применяется для подбора параметров уравнения регрессии с помощью метода наименьших квадратов. Регрессия используется для анализа воздействия на отдельную зависимую переменную значений одной или нескольких независимых переменных.

ТАБЛИЦА РЕГРЕССИОННАЯ СТАТИСТИКА

Величина множественный R - это корень из коэффициента детерминации (R-квадрат). Также его называют индексом корреляции или множественным коэффициентом корреляции. Выражает степень зависимости независимых переменных (X1, X2) и зависимой переменной (Y) и равен квадратному корню из коэффициента детерминации, эта величина принимает значения в интервале от нуля до единицы. В нашем случае он равен 0,7, что говорит о существенной связи между переменными.

Величина R-квадрат (коэффициент детерминации) , называемая также мерой определенности, характеризует качество полученной регрессионной прямой. Это качество выражается степенью соответствия между исходными данными и регрессионной моделью (расчетными данными). Мера определенности всегда находится в пределах интервала .

В нашем случае величина R-квадрат равна 0,48 , т.е. почти 50%, что говорит о слабой подгонке регрессионной прямой к исходным данным.Т.к. найденная величина R-квадрат = 48%<75%, то, следовательно, также можно сделать вывод о невозможности прогнозирования с помощью найденной регрессионной зависимости. Таким образом, модель объясняет всего 48% вариации цены, что говорит о недостаточности выбранных факторов, либо о недостаточном объеме выборки.

Нормированный R-квадрат - это тот же коэффициент детерминации, но скорректированный на величину выборки.

Норм.R-квадрат=1-(1-R-квадрат)*((n-1)/(n-k)),

регрессионный анализ линейный уравнение

где n - число наблюдений; k - число параметров. Нормированный R-квадрат предпочтительнее использовать в случае добавления новых регрессоров (факторов), т.к. при их увеличении будет также увеличиваться значение R-квадрат, однако это не будет свидетельствовать об улучшении модели. Так как в нашем случае полученная величина равна 0,43 (что отличается от R-квадрат всего на 0,05), то можно говорить о высоком доверии коэффициенту R-квадрат.

Стандартная ошибка показывает качество аппроксимации (приближения) результатов наблюдений. В нашем случае ошибка равна 5,1. Рассчитаем в процентах: 5,1/(57,4-40,1)=0,294 ? 29% (Модель считается лучше, когда стандартная ошибка составляет <30%)

Наблюдения - указывается число наблюдаемых значений (23).

ТАБЛИЦА ДИСПЕРСИОННЫЙ АНАЛИЗ

Для получения уравнения регрессии определяется -статистика - характеристика точности уравнения регрессии, представляющая собой отношение той части дисперсии зависимой переменной которая объяснена уравнением регрессии к необъясненной (остаточной) части дисперсии.

В столбце df - приводится число степеней свободы k.

Для регрессии это число регрессоров (факторов) - X1 (площадь) и X2 (оценка), т.е. k=2.

Для остатка это величина, равная n-(m+1), т.е. число исходных точек (23) минус число коэффициентов (2) и минус свободный член (1).

В столбце SS - суммы квадратов отклонений от среднего значения результирующего признака. В нем представлены:

Регрессионная сумма квадратов отклонений от среднего значения результирующего признака теоретических значений, рассчитанных по регрессионному уравнению.

Остаточная сумма отклонений исходных значений от теоретических значений.

Общая сумма квадратов отклонений исходных значений от результирующего признака.

Чем больше регрессионная сумма квадратов отклонений (или чем меньше остаточная сумма), тем лучше регрессионное уравнение аппроксимирует облако исходных точек. В нашем случае остаточная сумма составляет около 50%. Следовательно, уравнение регрессии очень слабо аппроксимирует облако исходных точек.

В столбце MS - несмещенные выборочные дисперсии, регрессионная и остаточная.

В столбце F вычислено значение критериальной статистики для проверки значимости уравнения регрессии.

Для осуществления статистической проверки значимости уравнения регрессии формулируется нулевая гипотеза об отсутствии связи между переменными (все коэффициенты при переменных равны нулю) и выбирается уровень значимости.

Уровень значимости - это допустимая вероятность совершить ошибку первого рода - отвергнуть в результате проверки верную нулевую гипотезу. В рассматриваемом случае совершить ошибку первого рода означает признать по выборке наличие связи между переменными в генеральной совокупности, когда на самом деле ее там нет. Обычно уровень значимости принимается равным 5%. Сравнивая полученное значение = 9,4 с табличным значением = 3,5 (число степеней свободы 2 и 20 соответственно) можно говорить о том, что уравнение регрессии значимо (F>Fкр).

В столбце значимость F вычисляется вероятность полученного значения критериальной статистике. Так как в нашем случае это значение = 0,00123, что меньше 0,05 то можно говорить о том, что уравнение регрессии (зависимость) значимо с вероятностью 95%.

Два выше описанных столба показывают надежность модели в целом.

Следующая таблица содержит коэффициенты для регрессоров и их оценки.

Строка Y-пересечение не связана ни с каким регрессором, это свободный коэффициент.

В столбце коэффициенты записаны значения коэффициентов уравнения регрессии. Таким образом, получилось уравнение:

Y=25,6+0,009X1+0,346X2

Регрессионное уравнение должно проходить через центр облака исходных точек: 13,02?M(b)?38,26

Далее сравниваем попарно значения столбцов Коэффициенты и Стандартная ошибка. Видно, что в нашем случае, все абсолютные значения коэффициентов превосходят значения стандартных ошибок. Это может свидетельствовать о значимости регрессоров, однако, это грубый анализ. Столбец t-статистика содержит более точную оценку значимости коэффициентов.

В столбце t-статистика содержатся значения t-критерия, рассчитанные по формуле:

t=(Коэффициент)/(Стандартная ошибка)

Этот критерий имеет распределение Стьюдента с числом степеней свободы

n-(k+1)=23-(2+1)=20

По таблице Стьюдента находим значение tтабл=2,086. Сравнивая

t с tтабл получаем, что коэффициент регрессора X2 незначим.

Столбец p-значение представляет вероятность того, что критическое значение статистики используемого критерия (статистики Стьюдента) превысит значение, вычисленное по выборке. В данном случае сравниваем p-значения с выбранным уровнем значимости (0.05). Видно, что незначимым можно считать только коэффициент регрессора X2=0.08>0,05

В столбцах нижние 95% и верхние 95% приводятся границы доверительных интервалов с надежностью 95%. Для каждого коэффициента свои границы: Коэффициентtтабл*Стандартная ошибка

Доверительные интервалы строятся только для статистически значимых величин.

Оценка качества уравнения регрессии при помощи коэффициентов детерминации. Проверка нулевой гипотезы о значимости уравнения и показателей тесноты связи с помощью F-критерия Фишера.

Стандартные ошибки коэффициентов.

Уравнение регрессии имеет вид:

Y	=3378,41	-494,59X 1	-35,00X 2	+75,74X 3	-15,81X 4	+80,10X 5	+59,84X 6 +
	(1304,48)	(226,77)	(10,31)	(277,57)	(287,54)	(35,31)	(150,93)

+127,98X 7	-78,10X 8	-437,57X 9	+451,26X 10	-299,91X 11	-14,93X 12	-369,65X 13	(9)
(22,35)	(31,19)	(97,68)	(331,79)	(127,84)	86,06	(105,08)

Для заполнения таблицы «Регрессионная статистика» (Таблица 9) находим:

1. Множественный R – r-коэффициент корреляции между у и ŷ.

Для этого следует воспользоваться функцией КОРРЕЛ, введя массивы у и ŷ.

Полученное в результате число 0,99 близко к 1, что показывает очень сильную связь между опытными данными и расчетными.

2. Для расчета R-квадрат находим:

Объясняемая ошибка 17455259,48,

Необъясняемая ошибка .

Следовательно, R-квадрат равен .

Соответственно 97% опытных данных объяснимы полученным уравнением регрессии.

3. Нормированный R-квадрат находим по формуле

Этот показатель служит для сравнения разных моделей регрессии при изменении состава объясняющих переменных.

4. Стандартная ошибка – квадратный корень из выборочной остаточной дисперсии:

В результате получаем следующую таблицу.

Таблица 9.

Заполнение таблицы «Дисперсионный анализ»

Большая часть данных уже получена выше. (Объясняемая и необъясняемая ошибка).

Рассчитаем t wx:val="Cambria Math"/>13 = 1342712,27"> .

Оценку статистической значимости уравнения регрессии в целом проведем с помощью F -критерия Фишера. Уравнение множественной регрессии значимо (иначе – гипотеза H 0 о равенстве нулю параметров регрессионной модели, т.е. отвергается), если

, (10)

где - табличное значение F-критерия Фишера.

Фактическое значение F - критерия по формуле составит:

Для расчета табличного значения критерия Фишера используется функция FРАСПОБР (Рисунок 4).

Степень свободы 1: p=13

Степень свободы 2: n-p-1 = 20-13-1=6

Рисунок 4. Использование функции FРАСПОБР в Excel.

F табл = 3,976 < 16,88, следовательно, модель адекватна опытным данным.

Значимость F рассчитывается с помощью функции FРАСП. Эта функция возвращает F-распределение вероятности (распределение Фишера) и позволяет определить, имеют ли два множества данных различные степени разброса результатов.

Рисунок 5. Использование функции FРАСП в Excel.

Значимость F = 0,001.

В своих работах, датированных ещё 1908 годом. Он описал его на примере работы агента, осуществляющего продажу недвижимости. В своих записях специалист по торговле домами вёл учёт широкого спектра исходных данных каждого конкретного строения. По результатам торгов определялось, какой фактор имел наибольшее влияние на цену сделки.

Анализ большого количества сделок дал интересные результаты. На конечную стоимость оказывали влияние множество факторов, иногда приводя к парадоксальным выводам и даже к явным «выбросам», когда дом с высоким изначальным потенциалом продавался по заниженному ценовому показателю.

Вторым примером применения подобного анализа приведена работа которому было доверено определение вознаграждения сотрудникам. Сложность задачи заключалась в том, что требовалась не раздача фиксированной суммы каждому, а строгое соответствие её величины конкретно выполненной работе. Появление множества задач, имеющих практически сходный вариант решения, потребовало более детального их изучения на математическом уровне.

В существенное место было отведено под раздел «регрессионный анализ», в нём объединились практические методы, используемые для исследования зависимостей, подпадающих под понятие регрессионных. Эти взаимосвязи наблюдаются между данными, полученными в ходе статистических исследований.

Среди множества решаемых задач основными ставит перед собой три цели: определение для уравнения регрессии общего вида; построение оценок параметров, являющихся неизвестными, которые входят в состав уравнения регрессии; проверка статистических регрессионных гипотез. В ходе изучения связи, возникающей между парой величин, полученных в результате экспериментальных наблюдений и составляющих ряд (множество) типа (x1, y1), ..., (xn, yn), опираются на положения теории регрессии и предполагают, что для одной величины Y наблюдается определённое вероятностное распределение, при том, что другое X остаётся фиксированным.

Результат Y зависит от значения переменной X, зависимость эта может определяться различными закономерностями, при этом на точность полученных результатов оказывает влияние характер наблюдений и цель анализа. Экспериментальная модель основывается на определённых допущениях, которые являются упрощёнными, но правдоподобными. Основным условием является то, что параметр X является величиной контролируемой. Его значения задаются до начала эксперимента.

Если в ходе эксперимента используется пара неконтролируемых величин XY, то регрессионный анализ осуществляется одним и тем же способом, но для интерпретации результатов, в ходе которой изучается связь исследуемых случайных величин, применяются методы Методы математической статистики не являются отвлеченной темой. Они находят себе применение в жизни в самых различных сферах деятельности человека.

В научной литературе для определения выше указанного метода нашёл широкое использование термин линейный регрессионный анализ. Для переменной X применяют термин регрессор или предиктор, а зависимые Y-переменные ещё называют критериальными. В данной терминологии отражается лишь математическая зависимость переменных, но никак не следственно-причинные отношения.

Регрессионный анализ служит наиболее распространённым методом, который используется в ходе обработки результатов самых различных наблюдений. Физические и биологические зависимости изучаются по средствам данного метода, он реализован и в экономике, и в технике. Масса других областей используют модели регрессионного анализа. Дисперсионный анализ, статистический анализ многомерный тесно сотрудничают с данным способом изучения.