数学建模：统计模型(教育精品).ppt

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1、建立实际回归模型的过程建立实际回归模型的过程实际问题实际问题设置指标变量设置指标变量解释变量的重要性；不相关性；用相近的变量代替或几个指标复合；个数适当这个过程需反复试算收集整理数据收集整理数据时间序列数据：随机误差项的序列相关，如人们的消费习惯横截面数据：随机误差项的异方差性，如居民收入与消费样本容量的个数应比解释变量个数多缺失值，异常值处理构造理论模型构造理论模型绘制 yi 与 xi 的样本散点图，如生产函数、投资函数、需求函数估计模型参数估计模型参数最小二乘,偏最小二乘,主成分回归等,依靠软件.模型检验模型检验统计检验和模型经济意义检验,从设置指标变量修改模型运用模型运用经济因素分析、经

2、济变量控制、经济决策预测1线性回归实例选讲牙膏的销售量线性回归实例选讲牙膏的销售量 1.问题问题建立建立牙膏销售量与价格、广告投入之间的牙膏销售量与价格、广告投入之间的模型模型;预测预测在不同价格和广告费用下的牙膏在不同价格和广告费用下的牙膏销售量销售量.收集了收集了30个销售周期本公司牙膏销售量、价格、个销售周期本公司牙膏销售量、价格、广告费用，及同期其他厂家同类牙膏的平均售价广告费用，及同期其他厂家同类牙膏的平均售价.9.260.556.804.253.70307.930.055.803.853.80298.510.256.754.003.7527.38-0.055.503.803.851

3、销售量销售量(百万支百万支)价格差价格差（元）（元）广告费用广告费用(百万元百万元)其他厂家其他厂家价格价格(元元)本公司价本公司价格格(元元)销售销售周期周期2明确问题一明确问题一 牙膏的销售量牙膏的销售量确定关系：确定关系：牙膏销售量牙膏销售量价格、广告投入价格、广告投入内部规律复杂内部规律复杂数据统计分析数据统计分析常用模型常用模型回归模型回归模型数学原理数学原理软件软件30个销售周期数据：个销售周期数据：销售量、价格、广告费用、同类产品均价销售量、价格、广告费用、同类产品均价销售周期公司价(元)它厂价(元)广告(百万元)价差(元)销售量(百万支)13.853.805.50-0.057.

4、3823.754.006.750.258.51293.803.855.800.057.93303.704.256.800.559.2632.基本模型基本模型x2yx1yvy 公司牙膏销售量vx1其它厂家与本公司价格差vx2公司广告费用解释变量(回归变量,自变量)被解释变量（因变量）v多元回归模型多元回归模型4MatlabMatlab 统计分析统计分析统计分析统计分析rcoplot(r,rint)残差残差及其及其置信区间作图置信区间作图MATLAB7.0版本版本 s增加一个统计量增加一个统计量:剩余方差剩余方差s2b,bint,r,rint,stats=regress(y,X,alpha)sta

5、tistics toolbox解释变量：矩阵显著性水平：0.05 系数 估计值 置信区间 残差向量向量y-xb 置信区间 被解释变量：列检验统计量：R2,F,p 随机误差：正态分布均值为零回归系数x=3.模型求解模型求解由由数据数据 y,x1,x2估计估计 x=ones(size(x1),x1,x2,x2.2;b,bint,r,rint,stats=regress(y,x)程序程序54.结果分析结果分析参数参数参数估计值参数估计值置信区间置信区间17.32445.7282 28.92061.30700.6829 1.9311-3.6956-7.4989 0.1077 0.34860.0379

6、0.6594 R2=0.9054 F=82.9409 p0.0001 s2=0.0490 0 1 2 3,故故x22项显著项显著 但可将但可将x2保留在模型中保留在模型中 v即：即：y的的90.54%可由模型确定、可由模型确定、F远超过远超过F检验的临界检验的临界值、值、p远小于远小于=0.05v显著性显著性：整体显著：整体显著vx2：2 置信区间包含零点置信区间包含零点,但但右端点距零点很近右端点距零点很近 x2 对因变量对因变量 y 的影响不太显著的影响不太显著；v 3 显著显著6v 控制价格差控制价格差 x1=0.2元，投入广告费元，投入广告费 x2=6.5 百万元百万元销售量预测区间为

7、销售量预测区间为 7.8230，8.7636（置信度（置信度95%）上限用作库存管理的目标值上限用作库存管理的目标值 下限用来把握公司的现金流下限用来把握公司的现金流 v 若估计若估计 x3=3.9，设定，设定 x4=3.7(百万支百万支)销售量预测销售量预测价差价差x1=它厂价它厂价x3-公司价公司价x4估计估计x3，调整调整x4控制控制x1预测预测yv 得得 则可以则可以 95%的把握知道销售额在的把握知道销售额在 7.8320 3.7 29（百（百万万 元）以上元）以上75.模型改进模型改进x1和和x2对对y的的影响独立影响独立 参数参数参数估计值参数估计值置信区间置信区间17.3244

8、5.7282 28.92061.30700.6829 1.9311-3.6956-7.4989 0.1077 0.34860.0379 0.6594 R2=0.9054 F=82.9409 p0.0001 s2=0.0426 0 1 2 3参数参数参数估计值参数估计值置信区间置信区间29.113313.7013 44.525211.13421.9778 20.2906-7.6080-12.6932 -2.5228 0.67120.2538 1.0887-1.4777-2.8518 -0.1037 R2=0.9209 F=72.7771 p0.0001 s2=0.0490 3 0 1 2 4x1

9、和和x2对对y的影响有的影响有交互作用交互作用比较：比较：置信区间置信区间,R28比较比较:两模型销售量预测两模型销售量预测v控制价格差控制价格差 x1=0.2 元，投入广告费元，投入广告费 x2=6.5 百万元百万元(百万百万支支)区间区间 7.8230，8.7636区间区间 7.8953，8.7592(百万支百万支)预测区间长度更短预测区间长度更短 略有增加略有增加 9x2=6.5x1=0.2 x1x1x2x26.比较比较:两模型两模型 与与x1,x2的关系的关系10讨论：交互作用影响讨论：交互作用影响价格差价格差 x1=0.1价格差价格差 x1=0.3广告投入广告投入y （x2大于大于6

10、百万元）百万元）价格差较小时价格差较小时增加的速率更大增加的速率更大 x2价格优势价格优势y 价格差较小价格差较小广告作用大广告作用大x1x211多元二项式回归多元二项式回归命令：rstool（x，y，model,alpha）nm矩阵显著性水平（缺省时为0.05）n维列向量12完全二次多项式模型完全二次多项式模型 MATLAB中有命令中有命令rstool直接求解直接求解从输出从输出 Export 可得可得鼠标移动十字线鼠标移动十字线(或下方窗口输入或下方窗口输入)可改变可改变x1,x2,左边窗左边窗口显示预测值口显示预测值 及预测区间及预测区间Rstool(x,y,model,alpha,xn

11、ame,yname)13牙膏的销售量牙膏的销售量 建立统计回归模型的基本步骤建立统计回归模型的基本步骤 根据已知数据从常识和经验分析根据已知数据从常识和经验分析,辅之以作图辅之以作图,决决定定回回归归变变量量及及函函数数形形式式(先先取取尽尽量量简简单单的的形形式式).用用软件软件(如如MATLAB统计工具箱统计工具箱)求解求解.对结果作对结果作统计分析统计分析:R2,F,p,s2是对模型整体评价是对模型整体评价,回归系数置信区间是否含零点检验其影响的显著性回归系数置信区间是否含零点检验其影响的显著性.模型改进模型改进,如增添二次项、交互项等如增添二次项、交互项等.对因变量进行对因变量进行预测

12、预测.14非线性回归实例选讲酶促反应非线性回归实例选讲酶促反应 问问题题研研究究酶酶促促反反应应（酶酶催催化化反反应应）中中嘌嘌呤呤霉霉素素(处处理理与与否否)对对反反应应速速度度与与底底物物（反反应应物物）浓度之间关系的影响浓度之间关系的影响.酶促反应酶促反应由由酶酶作为作为催化剂催化剂催化进行的催化进行的化学反应化学反应生物体生物体内的化学反应绝大多数属于酶促反应内的化学反应绝大多数属于酶促反应酶促反应中酶作为高效催化剂使得反应以极快的速度酶促反应中酶作为高效催化剂使得反应以极快的速度（1031017倍）或在一般情况下无法反应的条件下进行倍）或在一般情况下无法反应的条件下进行酶是生物体内进

13、行各种化学反应最重要的因素酶是生物体内进行各种化学反应最重要的因素15建立数学模型，反映该酶促反应的速度与底物浓建立数学模型，反映该酶促反应的速度与底物浓度以及经嘌呤霉素处理与否之间的关系度以及经嘌呤霉素处理与否之间的关系设计了两个实验设计了两个实验酶经过嘌呤霉素处理酶经过嘌呤霉素处理酶未经嘌呤霉素处理酶未经嘌呤霉素处理实验数据实验数据:底物浓度底物浓度(ppmppm)0.020.060.11反应速反应速度度处理处理764797107123139未处理未处理6751848698115底物浓度底物浓度(ppmppm)0.220.561.10反应速反应速度度处理处理1591521912012072

14、00未处理未处理131124144158160/方案方案16经嘌呤霉经嘌呤霉素处理素处理xy未经嘌呤未经嘌呤霉素处理霉素处理xyxy0 1 1/2 2 2(半速度点半速度点)分分析析Michaelis-Menten模型待定系数 =(1,2)基本模型 酶促反应的速度底物浓度v酶促反应的基本性质酶促反应的基本性质底物浓度较小时，反应速度大致与浓度成正比；底物浓度较小时，反应速度大致与浓度成正比；底物浓度很大、渐进饱和时，反应速度趋于固定值底物浓度很大、渐进饱和时，反应速度趋于固定值数据数据分析分析17解决方案一：线性化模型解决方案一：线性化模型 v经嘌呤霉素处理后实验数据的估计结果经嘌呤霉素处理后

15、实验数据的估计结果 参数参数参数估参数估计值计值（10-3）置信区置信区间间（10-3）15.1073.539 6.676 20.2470.176 0.319R2=0.8557 F=59.2975 pk,a1(n)=0，a2(n)=0,a3(n)=1从状态从状态3不会转移到其它状态。不会转移到其它状态。n012350a1(n)10.80.7570.72850.12930a2(n)00.180.1890.18350.03260a3(n)00.020.0540.08800.8381152理论理论v状态状态v 基本方程基本方程马氏链的基本方程马氏链的基本方程v 状态概率状态概率v 转移概率转移概率5

16、3 1 1、正则链、正则链马氏链的两个重要类型马氏链的两个重要类型v任一状态出发经有限次转移任一状态出发经有限次转移以正概率到达另外任一状态以正概率到达另外任一状态w 稳态概率稳态概率v例例1：特征向量特征向量定义定义 对于马氏链，若存在一正整对于马氏链，若存在一正整 数数N，使其转移矩阵，使其转移矩阵 的的N次幂次幂MN0（每一分量均大（每一分量均大 于于0），则称此马尔链为一正则（），则称此马尔链为一正则（regular）链。）链。54v存在吸收状态存在吸收状态一旦到达就不会离开的状态一旦到达就不会离开的状态且且从任一非吸收状态出发经有限次转移能以正概率到从任一非吸收状态出发经有限次转移能

17、以正概率到达吸收状态达吸收状态 2 2、吸收链、吸收链有非零元素有非零元素yi 从第从第 i 个非吸收状态出发，被某个非吸收状态出发，被某个吸收状态吸收前的平均转移次数个吸收状态吸收前的平均转移次数v转移矩阵：转移矩阵：n-r个个非吸收状态非吸收状态有有r个吸收状态个吸收状态55模型二模型二 钢琴销售的存贮策略钢琴销售的存贮策略v钢琴销售钢琴销售售量很小售量很小商店的库存量不大以免积压资金商店的库存量不大以免积压资金一家商店根据经验估计：平均每周的钢琴需求为一家商店根据经验估计：平均每周的钢琴需求为1架架v存贮策略存贮策略每周末检查库存量每周末检查库存量仅当库存量为零时，才订购仅当库存量为零时

18、，才订购3架供下周销售架供下周销售否则，不订购。否则，不订购。v问题：问题：估计在这种策略下失去销售机会的可能性有多大，以估计在这种策略下失去销售机会的可能性有多大，以及每周的平均销售量是多少。及每周的平均销售量是多少。背景与问题背景与问题56分析与假设分析与假设v需求：顾客的到达相互独立需求：顾客的到达相互独立需求量近似服从波松分布，其参数由需求均值为每周需求量近似服从波松分布，其参数由需求均值为每周1架架确定确定 计算不同的需求概率计算不同的需求概率v失去销售机会：需求超过库存失去销售机会：需求超过库存动态过程动态过程概率概率v存贮策略：周末库存量为零时订购存贮策略：周末库存量为零时订购3

19、架架,周初到货；否则，不周初到货；否则，不订购订购周末的库存量：周末的库存量：0,1,2,3周初的库存量：周初的库存量：1,2,3共三种状态共三种状态v用马氏链描述不同需求导致的周初库存状态的变化用马氏链描述不同需求导致的周初库存状态的变化以每周初的库存量作为状态变量以每周初的库存量作为状态变量状态转移具有无后效性状态转移具有无后效性v在稳态情况下在稳态情况下时间充分长以后时间充分长以后计算该存贮策略失去销售机会的概率、每周的平均销售量计算该存贮策略失去销售机会的概率、每周的平均销售量动态过程中每周销售量不同，失去动态过程中每周销售量不同，失去销售机会（需求超过库存）的概率销售机会（需求超过库

20、存）的概率不同不同.57v状态转移规律状态转移规律模型模型Dn第第n周需求量：泊松分布周需求量：泊松分布 状态变量：状态变量：Sn第第n周初库存量周初库存量均值为均值为1v需求量需求量需求量需求量进货量进货量v状态转移矩阵状态转移矩阵58则则计算计算Dn第第n周需求量周需求量，均值为均值为1的泊松分布的泊松分布 Dn 0 1 2 3 3P 0.368 0.368 0.184 0.061 0.019Sn第第n周初库存量周初库存量(状态变量状态变量)状态转状态转移规律移规律 59v 状态概率状态概率v马氏链的基本方程马氏链的基本方程已知初始状态：可预测第已知初始状态：可预测第n周初库存量周初库存量

21、Sn=i 的概率的概率n,状态概率状态概率 已知已知正则链正则链正则链正则链稳态概率分布稳态概率分布 w 满足满足 wP=w模型建立模型建立 60v估计在这种策略下失去销售机会的可能性估计在这种策略下失去销售机会的可能性第第n周失去销售机会的概率周失去销售机会的概率模型求解模型求解n充分大时充分大时 稳态概率分布稳态概率分布需求需求 库存库存从长期看，失去销售机会的可能性大约从长期看，失去销售机会的可能性大约 10%D 0 1 2 3 3P 0.368 0.368 0.184 0.061 0.01961v估计这种策略下每周的平均销售量估计这种策略下每周的平均销售量第第n周平均售量周平均售量n充

22、分大时充分大时 需求不超过存量需求不超过存量,需求被售需求被售需求超过存量需求超过存量,存量被售存量被售需求需求存量存量从长期看，每周的平均销售量为从长期看，每周的平均销售量为 0.857(架架)62平均需求：每周平均需求：每周1(架架)附近波动时，结果有多大变化附近波动时，结果有多大变化设设Dn服从均值为服从均值为 的柏松分布的柏松分布敏感性分析敏感性分析 状态转移阵状态转移阵63for i=1:10 lamda=0.5+0.1*i;d(i,1)=poisspdf(0,lamda);d(i,2)=poisspdf(1,lamda);d(i,3)=poisspdf(2,lamda);d(i,4

23、)=poisspdf(3,lamda);d(i,5)=1-poisscdf(3,lamda);p1=d(i,1)0 1-d(i,1);d(i,2)d(i,1)1-d(i,1)-d(i,2);d(i,3)d(i,2)1-d(i,2)-d(i,3);V,D=eig(p1);V1(i,:)=abs(V(:,1)/(1 1 1*V(:,1);P(i)=d(i,3)+d(i,4)+d(i,5),d(i,4)+d(i,5),d(i,5)*V1(i,:);endP第第n周周(n充分大充分大)失去销售机会的概率：失去销售机会的概率：v当平均需求当平均需求(=1.0)增长（或减少）增长（或减少）10%时，失去销

24、售机时，失去销售机会的概率将增长（或减少）约会的概率将增长（或减少）约12%0.80.91.01.11.2P0.0730.0890.1050.1220.139结果64钢琴销售的存贮策略钢琴销售的存贮策略 存贮策略存贮策略(周末库存为周末库存为0则订购则订购3架架,否则不订购否则不订购)已定已定,计算计算两个指标两个指标(失去销售的概率和每周平均销售量失去销售的概率和每周平均销售量).动态随机存贮策略动态随机存贮策略是马氏链的典型应用是马氏链的典型应用.关键是在无后效性的前提下恰当地定义系统的关键是在无后效性的前提下恰当地定义系统的状态状态变量变量(本例是每周初的库存量本例是每周初的库存量).65