回归分析-2.X 简单线性回归
2.1
简单线性回归模型
y与x之间的关系假设
\(y=\beta_0+\beta_1x+\varepsilon\)
\(E(\varepsilon|x)=0\)
\(Var(\varepsilon|x)=\sigma^2~则~Var(y|x)=\sigma^2\) 同方差假定
2.2
回归参数的最小二乘估计
回归系数 \(\beta_0,~\beta_1\) 的估计
残差平方和
\[S(\hat{\beta}_0,\hat{\beta}_1)=\sum^n_{i=1}(y_i-\hat{\beta}_0-\hat{\beta}_1x_i)^2
\]
分别求偏导得到
\[\hat{\beta}_{0}=\bar{y}-\hat{\beta}_{1} \bar{x}
\]\[\hat{\beta}_{1}=\frac{\sum_{i=1}^{n} x_{i} y_{i}-n \cdot \bar{x} \cdot \bar{y}}{\sum_{i=1}^{n} x_{i}^{2}-n \cdot \bar{x}^{2}}=\frac{\sum\left(x_{i}-\bar{x}\right)\left(y_{i}-\bar{y}\right)}{\sum\left(x_{i}-\bar{x}\right)^{2}}=\frac{S_{x y}}{S_{x x}}
\]
性质
\[\frac{\partial S}{\partial\beta_0}=\sum(y_i-\hat{\beta}_0-\hat{\beta}_1x_i)=0~\Rightarrow~\sum e_i=0
\]
\[\frac{\partial S}{\partial\beta_1}=\sum(y_i-\hat{\beta}_0-\hat{\beta}_1x_i)x_i=0~\Rightarrow
\]\[\sum e_ix_i=\sum (e_i-\bar{e})x_i=\sum(e_i-\bar{e})(x_i-\bar{x})=0
\]进而知道\(\{e_i\}与\{x_i\}\) 互不相关
\(\sum(e_i-\bar{e})(y_i-\bar{y})=\sum e_iy_i=\sum e_i(\hat{\beta}_0+\hat{\beta}_1x_i)=\hat{\beta}_0\sum e_i+\hat{\beta}_1\sum(e_ix_i)=0\)
因此得出\(\{e_i\}与\{y_i\}\) 互不相关
\(\{e_i\}与\{\hat{y}_i\}\) 互不相关
\(Cov(\bar{y},\hat{\beta}_1)=0\)
\[\begin{aligned}
Cov(\bar{y},\hat{\beta}_1)&=\frac{1}{n}\sum Cov(y_i,\hat{\beta}_1)\\
&=\frac{1}{n}Cov(\sum y_i,\sum c_iy_i)\\
&=\frac{1}{n}\sum (c_i\sigma^2)\\
&=0
\end{aligned}\]
- OLS是线性估计
- OLS是无偏估计
- LS估计的方差可计算为
随机误差方差的 \(\sigma^2\) 估计
均方误差
\[\begin{array} aMSE(\theta)=E(\hat{\theta}-\theta)^2=E(\hat{\theta}-E(\hat{\theta})+E(\hat{\theta})-\theta)^2=Var(\hat{\theta})+(bias(\hat{\theta}))^2\\
bias(\hat{\theta})=E(\hat{\theta})-\theta\end{array}\]
定义
\[S S_{\text {Res }}=\sum_{i=1}^{n} e_{i}^{2}=\sum_{i=1}^{n}\left(y_{i}-\hat{y}_{i}\right)^{2}=\sum_{i=1}^{n}\left(y_{i}-\hat{\beta}_{0}-\hat{\beta}_{1} x_{i}\right)^{2}
\]\[\hat{\sigma}^{2}=\frac{S S_{\text {Res }}}{n-2}=M S_{\text {Res }}
\]
在第三章我们将证明 \(E\left(\hat{\sigma}^{2}\right)=\sigma^{2}\)
参数估计的标准误
\[s.e.(\hat{\beta}_1)=\sqrt{\frac{\frac{S S_{\text {res }}}{n-2}}{S_{xx}}}
\]\[s.e.(\hat{\beta}_0)=\sqrt{\frac{\frac{S S_{\text {res }}}{n-2}}{n}+\bar{x}^2\frac{\frac{S S_{\text {res }}}{n-2}}{S_{xx}}}
\]
2.3
斜率与截距的假设检验
OLS 估计的抽样分布
\[\hat{\beta}_{1}=\sum_{i=1}^{n} c_{i} y_{i}=\beta_{1}+\sum_{i=1}^{n} c_{i} \epsilon_{i}, \quad \hat{\beta}_{0}=\sum_{i=1}^{n} d_{i} y_{i}=\beta_{0}+\sum_{i=1}^{n} d_{i} \epsilon_{i}
\]\[\hat{\beta}_{1}\sim N(\beta_1,\frac{\sigma^2}{S_{xx}})~,~ ~ \hat{\beta}_{0}\sim N(\beta_0,\bar{x}^2\frac{\sigma^2}{S_{xx}})
\]
t 检验
由于
\[t_{0}=\frac{\hat{\beta}_{1}-\beta_{10}}{\hat{\sigma} / \sqrt{S_{x x}}}=\frac{\hat{\beta}_{1}-\beta_{10}}{\hat{\sigma} / \sqrt{S_{x x}}} \frac{\sigma}{\hat{\sigma}}=\frac{Z_{0}}{\sqrt{\frac{SS_{\text {res }}}{(n-2) \sigma^{2}}}}=Z_{0} / \sqrt{\frac{M S_{\text {res }}}{\sigma^{2}}} \sim t(n-2)
\]因此,为了检验两变量间是否有线性关系,将假设斜率 \(\beta_{10}=0\)
t检验统计量为
\[t=\frac{\hat{\beta}_1}{\hat{\sigma}/\sqrt{S_{xx}}}=\frac{\hat{\beta}_1}{s.e.(\hat{\beta}_1)}={\hat{\beta}_1}/{\sqrt{\frac{\frac{S S_{\text {res }}}{n-2}}{S_{xx}}}}
\]
p 值
\[pvalue=P(|t_{n-2}|>|\frac{\hat{\beta}_1}{s.e.(\hat{\beta}_1)}|)
\]
区间估计
参数的置信区间
\(\beta_0~\beta_1\)的置信区间
\[\frac{\hat{\beta}_{1}-\beta_{1}}{s . e .\left(\hat{\beta}_{1}\right)} \sim t({n-2}), \quad \frac{\hat{\beta}_{0}-\beta_{0}}{s . e .\left(\hat{\beta}_{0}\right)} \sim t({n-2})
\]可得 \(\beta_{i}\) 的 \(1-\alpha\) 置信区间为
\[\hat{\beta}_{i} \pm t_{n-2}(1-\alpha / 2) * \text { s.e. }\left(\hat{\beta}_{i}\right)
\]
响应变量均值 \(E(y|x_0)\) 的估计和置信区间
\(\because\)
\(E\left(y \mid x_{0}\right)=\beta_{0}+\beta_{1} x_{0}\)
\(\therefore\)
\(\hat{\mu}_{y \mid x_{0}}=\hat{\beta}_{0}+\hat{\beta}_{1} x_{0}=\bar{y}+\hat{\beta}_{1}\left(x_{0}-\bar{x}\right)\)
而且
\[Var\left(y \mid x_{0}\right)=\sigma^2({\frac{1}{n}+\frac{\left(x_{0}-\bar{x}\right)^{2}}{S_{x x}}})
\]
可知
\[\frac{\hat{\mu}_{y \mid x_{0}}-\mu_{y \mid x_{0}}}{\hat{\sigma} \sqrt{\frac{1}{n}+\frac{\left(x_{0}-\bar{x}\right)^{2}}{S_{x x}}}} \sim t({n-2})
\]
所以\(E(y|x_0)\) 的置信区间
\[\hat{\mu}_{y \mid x_{0}}\pm t_{n-2}(1-\alpha/2)\hat{\sigma} \sqrt{\frac{1}{n}+\frac{\left(x_{0}-\bar{x}\right)^{2}}{S_{x x}}}
\]
新观测的预测
预测误差为
\[\begin{aligned}\psi&=y_{0}-\hat{y}_{0}\\
&=\beta_{0}+\beta_{1} x_{0}+\epsilon_{0}-(\hat{\beta}_{0}+\hat{\beta}_{1} x_{0})\\
&=(\beta_{0}-\hat{\beta}_{0})+(\beta_{1}-\hat{\beta}_{1}) x_{0}+\epsilon_{0}
\end{aligned}\]
预测方差为
\[\begin{aligned}\operatorname{Var}(\psi)&=\operatorname{Var}(y_{0}-\hat{y}_{0})\\
&=\operatorname{Var}(\hat{\beta}_{0}+\hat{\beta}_{1} x_{0}+\epsilon_{0})\\
&=\sigma^2(1+\frac{1}{n}+\frac{\left(x_{0}-\bar{x}\right)^{2}}{S_{x x}})
\end{aligned}\]
因此有
\[\frac{\psi-E(\psi)}{\sqrt{\operatorname{Var}(\psi)}}=\frac{y_{0}-\hat{y}_{0}}{\sigma \sqrt{1+\frac{1}{n}+\frac{\left(x_{0}-\bar{x}\right)^{2}}{S_{x x}}}} \sim N(0,1)
\]
所以
\[\frac{y_{0}-\hat{y}_{0}}{\hat{\sigma} \sqrt{1+\frac{1}{n}+\frac{\left(x_{0}-\bar{x}\right)^{2}}{S_{x x}}}} \sim t_{n-2}
\]
于是可得 \(1-\alpha\) 预测区间为
\[\hat{y}_{0} \pm t_{n-2}(1-\alpha / 2) \hat{\sigma} \sqrt{1+\frac{1}{n}+\frac{\left(x_{0}-\bar{x}\right)^{2}}{S_{x x}}}
\]
决定系数 \(R^2\)
可以定义
\[\begin{aligned}
S S_{\text {total }}&=\sum_{i=1}^{n}\left(y_{i}-\bar{y}\right)^{2}\\
&=\sum_{i=1}^{n}\left(y_{i}-\hat{y}_{i}+\hat{y}_{i}-\bar{y}\right)^{2}\\
&=\sum_{i=1}^{n}\left(y_{i}-\hat{y}_{i}\right)^{2}+\sum_{i=1}^{n}\left(\hat{y}_{i}-\bar{y}\right)^{2}+2 \sum_{i=1}^{n} e_{i}\left(\hat{y}_{i}-\bar{y}\right) \triangleq \text { SSres }+\text { SSreg }
\end{aligned}\]
\[R^{2}=\frac{SS_{reg}}{SS_T}=\frac{S S_{t o t a l}-S S_{r e s}}{S S_{t o t a l}}
\]表明了 y 的样本变异中被 x 解释了的部分
可以推导出下列结论
\[R^{2}=\frac{\hat{\beta}_{1}^{2}}{\hat{\beta}_{1}^{2}+\frac{n-2}{n-1} \cdot \frac{\hat{\sigma}^{2}}{\hat{\sigma}_{x}^{2}}}
\]因此 \(R^{2}\) 较大, 并不意味着斜率 \(\hat{\beta}_{1}\) 就较大;
- 应该谨慎地解释和使用 \(R^{2}\) 。在实际问题里, \(R^{2}\) 作为模型拟合优 度的度量是有缺陷的, 一个典型的问题是, 在多元线性回归模型 里, 加人一个变量总会使得 \(R^{2}\) 升高, 因此用它做标准选择模型 的话, 总是会选取一个最复杂的模型。
- 若 \(R^{2}=1\) ,则完美拟合
- 若 \(R^{2}=0\) ,则两变量无关系
回归分析-2.X 简单线性回归的更多相关文章
- Python回归分析五部曲(一)—简单线性回归
回归最初是遗传学中的一个名词,是由英国生物学家兼统计学家高尔顿首先提出来的,他在研究人类身高的时候发现:高个子回归人类的平均身高,而矮个子则从另一方向回归人类的平均身高: 回归分析整体逻辑 回归分析( ...
- SPSS数据分析—简单线性回归
和相关分析一样,回归分析也可以描述两个变量间的关系,但二者也有所区别,相关分析可以通过相关系数大小描述变量间的紧密程度,而回归分析更进一步,不仅可以描述变量间的紧密程度,还可以定量的描述当一个变量变化 ...
- day-12 python实现简单线性回归和多元线性回归算法
1.问题引入 在统计学中,线性回归是利用称为线性回归方程的最小二乘函数对一个或多个自变量和因变量之间关系进行建模的一种回归分析.这种函数是一个或多个称为回归系数的模型参数的线性组合.一个带有一个自变 ...
- sklearn学习笔记之简单线性回归
简单线性回归 线性回归是数据挖掘中的基础算法之一,从某种意义上来说,在学习函数的时候已经开始接触线性回归了,只不过那时候并没有涉及到误差项.线性回归的思想其实就是解一组方程,得到回归函数,不过在出现误 ...
- 机器学习与Tensorflow(1)——机器学习基本概念、tensorflow实现简单线性回归
一.机器学习基本概念 1.训练集和测试集 训练集(training set/data)/训练样例(training examples): 用来进行训练,也就是产生模型或者算法的数据集 测试集(test ...
- 机器学习(2):简单线性回归 | 一元回归 | 损失计算 | MSE
前文再续书接上一回,机器学习的主要目的,是根据特征进行预测.预测到的信息,叫标签. 从特征映射出标签的诸多算法中,有一个简单的算法,叫简单线性回归.本文介绍简单线性回归的概念. (1)什么是简单线性回 ...
- 机器学习——Day 2 简单线性回归
写在开头 由于某些原因开始了机器学习,为了更好的理解和深入的思考(记录)所以开始写博客. 学习教程来源于github的Avik-Jain的100-Days-Of-MLCode 英文版:https:// ...
- R 语言中的简单线性回归
... sessionInfo() # 查询版本及系统和库等信息 getwd() path <- "E:/RSpace/R_in_Action" setwd(path) rm ...
- 简单线性回归(梯度下降法) python实现
grad_desc .caret, .dropup > .btn > .caret { border-top-color: #000 !important; } .label { bord ...
- 简单线性回归(最小二乘法)python实现
简单线性回归(最小二乘法)¶ 0.引入依赖¶ In [7]: import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt 1.导入数据¶ In [ ...
随机推荐
- 推荐给Amy的书单
目录 皮囊 推荐等级 ※ ※ ※ ※ ※ 白夜行 推荐等级 ※ ※ ※ ※ ※ 人生 推荐等级 ※ ※ ※ ※ 活着 推荐等级 ※ ※ ※ ※ 许三观卖血记 推荐等级 ※ ※ ※ ※ 皮囊 推荐等级 ...
- dotnet 代码优化 聊聊逻辑圈复杂度
本文属于 dotnet 代码优化系列博客.相信大家都对圈复杂度这个概念很是熟悉,本文来和大家聊聊逻辑的圈复杂度.代码优化里面,一个关注的重点在于代码的逻辑复杂度.一段代码的逻辑复杂度越高,那么维护起来 ...
- 一文读懂 Kubernetes 存储设计
在 Docker 的设计中,容器内的文件是临时存放的,并且随着容器的删除,容器内部的数据也会一同被清空.不过,我们可以通过在 docker run 启动容器时,使用 --volume/-v 参数来指定 ...
- 2.PyQt5【窗口组件】对话框-Dialog
一.前言 QDialog 类是对话框窗口的基类.对话框窗口是主要用于短期任务以及和用户进行简要 通讯的顶级窗口.QDialog 可以是模态对话框也可以是非模态对话框.QDialog 支持扩展性并 且可 ...
- P1162填涂颜色——题解
题目描述 由数字0组成的方阵中,有一任意形状闭合圈,闭合圈由数字1构成,围圈时只走上下左右4个方向.现要求把闭合圈内的所有空间都填写成2.例如:6×6的方阵(n=6),涂色前和涂色后的方阵如下: 0 ...
- 全志R528 系统繁忙时触摸屏I2C报错问题。
最近调试项目时遇到一个奇怪的问题. 当linux 系统繁忙时(开机,关机或APP繁忙等情况),此时按下触摸屏后, I2C总线就会报错,TP读数据失败,之后内存报错,重启. root@TinaLinux ...
- Windows 安装 Anaconda
下载 anaconda 官网 https://repo.anaconda.com/archive/ 国内镜像 https://mirrors.bfsu.edu.cn/anaconda/archive/ ...
- 通过一个示例形象地理解C# async await 非并行异步、并行异步、并行异步的并发量控制
前言 接上一篇 通过一个示例形象地理解C# async await异步 我在 .NET与大数据 中吐槽前同事在双层循环体中(肯定是单线程了)频繁请求es,导致接口的总耗时很长.这不能怪前同事,确实难写 ...
- 【论文笔记】FCN全卷积网络
全卷积网络(FCN)是用于图片语义分割的一种卷积神经网络(CNN),由Jonathan Long,Evan Shelhamer 和Trevor Darrell提出,由此开启了深度学习在语义分割中的应用 ...
- 2.4.rpx单位有内置的视图容器组件
所有的视图组件,包括view.swiper等,本身不显示任何可视化元素.它们的用途都是为了包裹其他真正显示的组件. # view 视图容器. 它类似于传统html中的div,用于包裹各种元素内容. 如 ...