高中数学回归分析.ppt

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1、高二数学 选修2-33.1回归分析的基本思想及其初步应用回归分析的基本思想及其初步应用问题1：正方形的面积y与正方形的边长x之间 的函数关系是y=x2确定性关系问题2：某水田水稻产量y与施肥量x之间是否 -有一个确定性的关系？例如：在 7 块并排、形状大小相同的试验田上 进行施肥量对水稻产量影响的试验，得到如下所示的一组数据：施化肥量x 15 20 25 30 35 40 45水稻产量y 330 345 365 405 445 450 455复习、变量之间的两种关系自变量取值一定时，因变量的取值带有一定随机性的两个变量之间的关系叫做相关关系。1、定义：1）：相关关系是一种不确定性关系；注对具有

2、相关关系的两个变量进行统计分析的方法叫回归分析。2）：2、回归分析的内容与步骤：统计检验通过后，最后是统计检验通过后，最后是利用回归模型，根据自变量去估计、利用回归模型，根据自变量去估计、预测因变量预测因变量。回归分析通过一个变量或一些变量的变化解释另回归分析通过一个变量或一些变量的变化解释另一变量的变化。一变量的变化。其主要内容和步骤是：其主要内容和步骤是：首先根据理论和对问题的分析判断，首先根据理论和对问题的分析判断，将变量分为自变量和因变将变量分为自变量和因变量；量；其次，其次，作出散点图作出散点图，设法，设法找出合适的数学方程式（即回归模型）找出合适的数学方程式（即回归模型）描述变量间

3、的关系；描述变量间的关系；由于涉及到的变量具有不确定性，接着还要由于涉及到的变量具有不确定性，接着还要对回归模型进行对回归模型进行统计检验统计检验；最小二乘法：其中回归直线过样本点的中心回归直线过样本点的中心称为样本点的中心例例1 从某大学中随机选取从某大学中随机选取8名女大学生，其身高和体重数据名女大学生，其身高和体重数据如表所示。如表所示。编号编号12345678身高身高/cm165165157170175165155170体重体重/kg4857505464614359求根据一名女大学生的身高预报她的体重的回归方程，并预报一名身高为172cm的女大学生的体重。案例1：女大学生的身高与体重解

4、：1、选取身高为自变量x，体重为因变量y，作散点图：2、由散点图知道身高和体重有比较好的线性相关关系，因此可以用线性回归方程刻画它们之间的关系。2.2.回归方程：回归方程：预测身高为预测身高为x=172cmx=172cm的女生体重为：的女生体重为：案例1：女大学生的身高与体重1、其它因素的影响：影响身高、其它因素的影响：影响身高 y 的因素不只是的因素不只是体重体重 x，可能，可能还包括还包括遗传基因遗传基因、饮食习惯饮食习惯、生长环境生长环境等因素；等因素；2、用线性回归、用线性回归模型近似真实模型所引起的误差模型近似真实模型所引起的误差；3、身高、身高 y 的的观测误差观测误差。当以上其他

5、因素造成的误差很小时，模型的拟合效果越好当以上其他因素造成的误差很小时，模型的拟合效果越好从散点图还看到，样本点散布在某从散点图还看到，样本点散布在某一条直线的附近，而不是在一条直一条直线的附近，而不是在一条直线上，所以不能用一次函数线上，所以不能用一次函数y=bx+a描述它们关系。描述它们关系。探究：身高为172cm的女大学生的体重一定是60.316kg吗？如果不是，你能解析一下原因吗？我们可以用下面的我们可以用下面的线性回归模型线性回归模型来表示来表示：y=bx+a+e，其中其中a和和b为模型的未知参数，为模型的未知参数，e称为随机误差称为随机误差。函数模型与回归模型之间的差别函数模型与回

6、归模型之间的差别函数模型：函数模型：回归模型：回归模型：线性回归模型线性回归模型y=bx+a+e增加了随机误差项增加了随机误差项e，因变量，因变量y的的值由自变量值由自变量x和随机误差项和随机误差项e共同确定，即共同确定，即自变量自变量x只能解释只能解释部分部分y的变化的变化。在统计中，我们也把自变量在统计中，我们也把自变量x称为解释变量，因变量称为解释变量，因变量y称为称为预报变量。预报变量。5943616454505748体重体重/kg170155165175170157165165身高身高/cm87654321编号编号 例如，编号为例如，编号为6的女大学生的体重的女大学生的体重并没有落在

7、水平直线上，她的体重为并没有落在水平直线上，她的体重为61kg。解释变量（身高）和随机误差。解释变量（身高）和随机误差共同把这名学生的体重从共同把这名学生的体重从54.5kg“推推”到了到了61kg，相差，相差6.5kg，所以，所以6.5kg是解释变量和随机误差的是解释变量和随机误差的组合组合效应效应。用这种方法可以对所有预报变量计算组合效应。用这种方法可以对所有预报变量计算组合效应。数学上，把每个效应（观测值减去总的平均值）的平方加起来，即用数学上，把每个效应（观测值减去总的平均值）的平方加起来，即用表示总的效应，称为表示总的效应，称为总偏差平方和总偏差平方和。在例1中，总偏差平方和为354

8、。54.5kg 由于解释变量和随机误差的总效应（总偏差平方和）为由于解释变量和随机误差的总效应（总偏差平方和）为354，而随机误差，而随机误差的效应为的效应为128.361，所以解释变量的效应为，所以解释变量的效应为解释变量和随机误差的总效应（总偏差平方和）=解释变量的效应（回归平方和）+随机误差的效应（残差平方和）354-128.361=225.639 这个值称为回归平方和。我们可以用相关指数R2来刻画回归的效果，其计算公式是1354总计总计0.36128.361残差变量残差变量0.64225.639随机误差随机误差比例比例平方和平方和来源来源 从表3-1中可以看出，解释变量对总效应约贡献了

9、64%，即R2 0.64，可以叙述为“身高解析了64%的体重变化”，而随机误差贡献了剩余的36%。所以，身高对体重的效应比随机误差的效应大得多。我们可以用相关指数R2来刻画回归的效果，其计算公式是小结小结：样本决定系数样本决定系数（判定系数 R2）1.回归平方和占总偏差平方和的比例回归平方和占总偏差平方和的比例2.反映回归直线的拟合程度反映回归直线的拟合程度3.取值范围在取值范围在 0,1 0,1 之间之间4.4.R R2 2 1 1，说明回归方程拟合的越好；，说明回归方程拟合的越好；R R2 20 0，说，说明回归方程拟合的越差明回归方程拟合的越差5.5.判定系数等于相关系数的平方，即判定系

10、数等于相关系数的平方，即R R2 2(r r)2 2 显然，显然，R2的值越大，说明残差平方和越小，也就是说模型拟合效果越好。的值越大，说明残差平方和越小，也就是说模型拟合效果越好。在线性回归模型中，在线性回归模型中，R2表示解析变量对预报变量变化的贡献率。表示解析变量对预报变量变化的贡献率。R2越接近越接近1，表示回归的效果越好（因为，表示回归的效果越好（因为R2越接近越接近1，表示解释变量和预，表示解释变量和预报变量的线性相关性越强）。报变量的线性相关性越强）。如果某组数据可能采取几种不同回归方程进行回归分析，则可以通过比如果某组数据可能采取几种不同回归方程进行回归分析，则可以通过比较较R

11、2的值来做出选择，即选取的值来做出选择，即选取R2较大的模型作为这组数据的模型。较大的模型作为这组数据的模型。总的来说：总的来说：相关指数相关指数R2是度量模型拟合效果的一种指标。是度量模型拟合效果的一种指标。在线性模型中，它代表自变量刻画预报变量的能力。在线性模型中，它代表自变量刻画预报变量的能力。我们可以用相关指数R2来刻画回归的效果，其计算公式是表表3-2列出了女大学生身高和体重的原始数据以及相应的残差数据。列出了女大学生身高和体重的原始数据以及相应的残差数据。在研究两个变量间的关系时，首先要根据散点图来粗略判断它们是否线在研究两个变量间的关系时，首先要根据散点图来粗略判断它们是否线性相

12、关，是否可以用回归模型来拟合数据。性相关，是否可以用回归模型来拟合数据。残差分析与残差图的定义：然后，我们可以通过残差 来判断模型拟合的效果，判断原始数据中是否存在可疑数据，这方面的分析工作称为残差分析。编号编号12345678身高身高/cm165165157170175165155170体重体重/kg4857505464614359残差残差-6.3732.6272.419-4.6181.1376.627-2.8830.382 我们可以利用图形来分析残差特性，作图时纵坐标为残差，横坐标可以选为样本我们可以利用图形来分析残差特性，作图时纵坐标为残差，横坐标可以选为样本编号，或身高数据，或体重估计

13、值等，这样作出的图形称为残差图。编号，或身高数据，或体重估计值等，这样作出的图形称为残差图。2023/1/24残差图的制作及作用。坐标纵轴为残差变量，横轴可以有不同的选择；若模型选择的正确，残差图中的点应该分布在以横轴为心的带形区域；对于远离横轴的点，要特别注意。身身高高与与体体重重残残差差图图异异常常点点 错误数据错误数据 模型问题模型问题 几点说明：第一个样本点和第6个样本点的残差比较大，需要确认在采集过程中是否有人为的错误。如果数据采集有错误，就予以纠正，然后再重新利用线性回归模型拟合数据；如果数据采集没有错误，则需要寻找其他的原因。另外，残差点比较均匀地落在水平的带状区域中，说明选用的

14、模型计较合适，这样的带状区域的宽度越窄，说明模型拟合精度越高，回归方程的预报精度越高。例2、在一段时间内，某种商品的价格x元和需求量Y件之间的一组数据为：求出Y的回归直线方程，并说明拟合效果的好坏。价格价格x1416182022需求量需求量Y1210753解：练习、在一段时间内，某种商品的价格x元和需求量Y件之间的一组数据为：求出Y对的回归直线方程，并说明拟合效果的好坏。价格价格x1416182022需求量需求量y1210753列出残差表为0.994因而，拟合效果较好。00.3-0.4-0.10.24.62.6-0.4-2.4-4.4用身高预报体重时，需要注意下列问题：1、回归方程只适用于我们

15、所研究的样本的总体；2、我们所建立的回归方程一般都有时间性；3、样本采集的范围会影响回归方程的适用范围；4、不能期望回归方程得到的预报值就是预报变量的精确值。事实上，它是预报变量的可能取值的平均值。这些问题也使用于其他问题。涉及到统计的一些思想：模型适用的总体；模型的时间性；样本的取值范围对模型的影响；模型预报结果的正确理解。小结一般地，建立回归模型的基本步骤为：（1）确定研究对象，明确哪个变量是解析变量，哪个变量是预报变量。（2）画出确定好的解析变量和预报变量的散点图，观察它们之间的关系 （如是否存在线性关系等）。（3）由经验确定回归方程的类型（如我们观察到数据呈线性关系，则选用线性回归方程y=bx+a）.（4）按一定规则估计回归方程中的参数（如最小二乘法）。（5）得出结果后分析残差图是否有异常（个别数据对应残差过大，或残差呈现不随机的规律性，等等），过存在异常，则检查数据是否有误，或模型是否合适等。