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.

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.

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:

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.

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:

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

Решение (Вариант №1)

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

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.

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 :

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.