Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Математика_Семестр4_МетодПособие.pdf
Скачиваний:
643
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
4 Мб
Скачать
☆

140

приближенную (теоретическую) линию регрессии того или иного вида, определяя неизвестные параметры этой функции из условия минимума ∆.

Можно показать, что если переменные X и Y представляют собой суммы большого числа независимых (или почти независимых) случайных величин, то X и Y связаны линейной корреляционной зависимостью (если она вообще существует). Так как на практике именно этот случай реализуется чаще всего, то приближенную функцию регрессии ищут, как правило,

в виде линейной функции y = h(x) = a x + в.

При

этом задача сводится

лишь к отысканию неизвестных параметров

a и

в. Это можно сделать

различными способами. Наиболее распространенным из них, позволяющим получить в некотором смысле наилучшее приближение к экспериментальным данным, является метод наименьших квадратов.

10.3. Метод наименьших квадратов

Суть метода состоит в следующем: пусть известны результаты эксперимента (x1, y1), (x2, y2), . . . ,(xn, yn) и выбран с точностью до k неизвестных параметров вид функции

y = f (x, a1, a2, . . ., ak ), (10.4)

аппроксимирующей экспериментальные данные.

Согласно методу наименьших квадратов неизвестные параметры ai выбираются так, чтобы сумма квадратов отклонений была минимальной

∑k [yi − f (xi ,a1,a2 , ak )]2

= min .

(10.5)

i=1

 

 

Под отклонением понимается разность между наблюдавшимся значением yi и расчетным значением y, вычисленным по уравнению (10.4) при x=xi.

Для отыскания значений ai , обеспечивающих минимум левой части уравнения (10.5), необходимо приравнять нулю производные по ai . Тогда получим

141

 

n

 

 

∂f

 

 

 

 

 

 

∑[yi −

f (xi ,a1,a2

, ,ak )]

 

 

 

= 0,

 

 

∂a

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

x=x

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

∂f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (xi ,a1,a2

 

 

 

 

 

= 0,

 

 

 

 

 

∂a

 

 

 

 

∑= [yi −

, ,ak )]

2

 

 

 

(10.6)

 

i 1

 

 

 

 

 

x=x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

.................................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

∂f

 

 

 

 

 

 

 

 

∑[yi −

 

 

 

 

 

 

= 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (xi ,a1,a2 , ,ak )]

∂a

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

k

 

 

x=xi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь числа

 

 

- значения частных производных функции по

 

 

 

 

 

 

∂ai x=x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

параметрам αi в точке x i . Число уравнений в системе (10.6) равно числу неизвестных параметров.

В интересующем нас случае функция

f (xi , a1, , ak )= y = h(x)= a x + в линейна и содержит два неизвестных параметра. Необходимыми условиями минимума суммы квадратов отклонений условных средних (то есть “истинной” линии регрессии) от приближенной функции регрессии являются условия

∂α

= 0,

∂α

= 0,

∂a

∂в

 

 

где

α= 1 ∑∑s t (yj − a xj −в)2ni j n i=1 j=1

=

1

∑(yj − a xj −в)2 nxj .

 

n

j

В результате получим два линейных уравнения

1n ∑j (yj − axj − в)nxj = 0,1n ∑(yj − a xj − в)xjnxj = 0j

или

142

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑xjnxj

 

 

 

 

 

∑nxj

 

 

 

 

 

∑yjnxj

 

 

 

 

 

 

 

 

j=1

 

 

 

a

+

 

j=1

 

 

в =

 

j=1

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

n

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑x2j nxj

 

 

 

 

 

∑xjnxj

 

 

 

∑yj xjnxj

 

 

 

 

j=1

 

 

 

a

+

 

j=1

 

 

 

 

в=

 

j=1

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1∑x2j nxj

= x2 ,

 

 

 

 

 

1 ∑yj xjnxj

=

1

∑∑yi xjni j =

xy

,

n j=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n j=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n i=1 j=1

 

 

1

t

nxj

 

 

1

 

s

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑yj

=

 

∑∑yjni j = y,

 

 

 

 

 

 

 

 

n j=1

 

 

 

 

 

 

 

n i=1 j=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

с учетом обозначений (10.1) , (10.2)

можно записать

 

 

 

 

 

 

 

x a +в = y,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a + x b = xy,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

откуда следует:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− x y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 2 y − x

 

 

 

 

 

 

 

a =

 

xy

,

 

 

 

 

 

в =

xy

.

(10.7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

− x 2

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

− x 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Функция y = h(x)= a x + в, коэффициенты которой определяются по формуле (10.7), называется линейной среднеквадратической регрессией

Y на X.

10.4. Выборочный коэффициент регрессии

Угловой коэффициент a прямой линии регрессии Y на X называ-

ется выборочным коэффициентом регрессии Y на X и обозначается че-

рез

ρy / x = a.

 

Уравнение линейной среднеквадратической регрессии Y на

X

можно записать теперь в виде

 

y − y = ρy/ x (x − x).

 

143

Так как

 

 

 

∑t (x j − x)2 nx j

 

∑x2j nx j

 

2x∑x j nx j

 

x 2 ∑nx j

 

σ

2

=

j=1

=

j

−

j

+

j

=

 

 

 

 

 

x

 

n

 

n

 

n

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

= x2 − 2x x + x 2 = x2 − x 2 ,

то из первого выражения (10.7) следует

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρy/ x =

 

 

 

 

−

x y

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xy

(10.8)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σ 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

Аналогично, уравнение линейной среднеквадратической регрессии

X на Y имеет вид:

 

x − x = ρx/ y (y − y),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y =

 

 

− xy

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρx/

xy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σ 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

1 s

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= y

2

− y

=

- выборочная дисперсия

Y.

 

σ y

 

 

∑(yi − y) ny

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n i=1

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Замечание. В частном случае, когда все значения X и соответствующие им значения Y различны, а общее число опытов равно n, из усло-

вия минимума ∆ = ∑n [yi −(a xi + в)]2 получим

i=1

∑n [ yi −i=1

n∑[ yi −i=1

(axi + b)] xi = 0,

(axi + b)]= 0.

Разрешая эту систему относительно a и в, найдем следующие выражения для коэффициентов уравнения регрессии:

a = ρy/ x =

n∑xi yi

−∑xi ∑yi

,

n∑xi2

−(∑xi )2

 

 

в = ∑xi2 yi −∑xi ∑xi yi . n∑xi2 −(∑xi )2