Зависимость между критериями оценки качества уравнения регрессии

Показатели качества регрессии

Качество модели регрессии связывают с адекватностью модели наблюдаемым (эмпирическим) данным. Проверка адекватности (или соответствия) модели регрессии наблю­даемым данным проводится на основе анализа остатков — .

Анализ остатков позволяет получить представление, насколько хорошо подобрана сама модель и насколько правильно выбран метод оценки коэффициентов. Согласно общим предположениям регрессионного анализа, остатки должны вести себя как независимые (в действительности, почти независимые) одинаково распределенные случайные величины.

Качество модели регрессии оценивается по следующим направлениям:

проверка качества всего уравнения регрессии;

проверка значимости всего уравнения регрессии;

проверка статистической значимости коэффициентов уравнения регрессии;

проверка выполнения предпосылок МНК.

При анализе качества модели регрессии, в первую очередь, используется коэффициент детерминации, который определяется следующим образом:

где — среднее значение зависимой переменной,

— предсказанное (расчетное) значение зависимой переменной.

Коэффициент детерминации показывает долю вариации результативного признака, находя­щегося под воздействием изучаемых факторов, т. е. определяет, ка­кая доля вариации признака Y учтена в модели и обусловлена влия­нием на него факторов.

Чем ближе к 1, тем выше качество модели.

Для оценки качества регрессионных моделей целесообразно также ис­пользовать коэффициент множественной корреляции (индекс корреляции) R

R = =

Данный коэффициент является универсальным, так как он отра­жает тесноту связи и точность модели, а также может использовать­ся при любой форме связи переменных.

Важным моментом является проверка значимости построенного уравнения в целом и отдельных параметров.

Оценить значимость уравнения регрессии – это означает установить, соответствует ли математическая модель, выражающая зависимость между Y и Х, фактическим данным и достаточно ли включенных в уравнение объясняющих переменных Х для описания зависимой переменной Y

Оценка значимости уравнения регрессии производится для того, чтобы узнать, пригодно уравнение регрессии для практического использования (например, для прогноза) или нет.

Для проверки значимости модели регрессии используется F-критерий Фишера. Если расчетное значение с n1= k и n2 = (n — k — 1) степенями свободы, где k – количество факторов, включенных в модель, больше табличного при заданном уровне значимости, то модель считается значимой.

В качестве меры точности применяют несмещенную оценку дис­персии остаточной компоненты, которая представляет собой отно­шение суммы квадратов уровней остаточной компоненты к величи­не (n- k -1), где k – количество факторов, включенных в модель. Квадратный корень из этой величины ( ) называется стандартной ошибкой:

значимость отдельных коэффициентов регрессии проверяется по t-статистике пу­тем проверки гипотезы о равенстве нулю j-го параметра уравнения (кроме свободного члена):

,

где Saj — это стандартное (среднеквадратическое) отклонение коэффициента уравнения регрессии aj. Величина Saj представляет собой квадратный корень из произ­ведения несмещенной оценки дисперсии и j -го диагонального эле­мента матрицы, обратной матрице системы нормальных уравнений.

где — диагональный элемент матрицы .

Если расчетное значение t-критерия с (n — k — 1) степенями сво­боды превосходит его табличное значение при заданном уровне зна­чимости, коэффициент регрессии считается значимым. В противном случае фактор, соответствующий этому коэффициенту, следует ис­ключить из модели (при этом ее качество не ухудшится).

Проверка выполнения предпосылок МНК.

Рассмотрим выполнение предпосылки гомоскедастичности, или равноизменчивости случайной составляющей (возмущения).

Невыполнение этой предпосылки, т.е. нарушение условия гомоскедастичности возмущений означает, что дисперсия возмущения зависит от значений факторов. Такие регрессионные модели называются моделями с гетероскедастичностью возмущений.

Обнаружение гетероскедастичности. Для обнаружения гетероскедастич­ности обычно используют тесты, в которых делаются различные предположения о зависимости между дисперсией случайного члена и объясняющей переменной: тест ранговой корреляции Спирмена, тест Голдфельда — Квандта, тест Глейзера, двусторонний критерий Фишера и другие [2].

При малом объеме выборки для оценки гетероскедастич­ности может использоваться метод Голдфельда — Квандта. Данный тест используется для проверки такого типа гетероскедастичности, когда дисперсия остатков воз­растает пропорционально квадрату фактора. При этом делается предположение, что, случайная составляющая распределена нормально.

Чтобы оценить на­рушение гомоскедастичности по тесту Голдфельда — Квандта необходимо выполнить следующие шаги.

Упорядочение п наблюдений по мере возрастания перемен­ной х.

Исключение средних наблюдений ( должно быть примерно равно четверти общего количества наблюдений).

Разделение совокупности на две группы (соответственно с малыми и большими значениями фактора ) и определение по каждой из групп уравнений регрессии.

Определение остаточной суммы квадратов для первой регрессии и второй регрессии .

Вычисление отношений (или ). В числителе должна быть большая сумма квадратов.

Полученное от­ношение имеет F распределение со степенями свободы k1=n1-k и k2=n-n1-k, (k– число оцениваемых параметров в уравнении регрессии).

Если , то гетероскедастичность имеет место.

Чем больше величина F превышает табличное значение F -критерия, тем более нарушена предпосылка о равенстве дисперсий остаточ­ных величин.

Оценка влияния отдельных факторов на зависимую переменную на основе модели (коэффициенты эластичности, b — коэффициенты).

Важную роль при оценке влияния факторов играют коэффициен­ты регрессионной модели. Однако непосредственно с их помощью нельзя сопоставить факторы по степени их влияния на зависимую переменную из-за различия единиц измерения и разной степени ко­леблемости. Для устранения таких различий при интерпретации применяются средние частные коэффициенты эластичности Э(j) и бета-коэффициенты b(j).

Эластичность Y по отношению к Х(j) определяется как процентное изменение Y, отнесенное к соответствующему процентному изменению Х. В общем случае эластичности не постоянны, они различаются, если измерены для различных точек на линии регрессии. По умолчанию стандартные программы, оценивающие эластичность, вычисляют ее в точках средних значений:

Эластичность ненормирована и может изменяться от — до + . Важно, что она безразмерна, так что интерпретация эластичности =2.0 означает, что если изменится на 1%, то это приведет к изменению на 2%. Если =-0.5, то это означает, что увеличение на 1% приведет к уменьшению на 0.5%.

Высокий уровень эластичности означает сильное влияние независимой переменной на объясняемую переменную.

где Sxj — среднеквадратическое отклонение фактора j

где .

Коэффициент эластичности показывает, на сколько процентов изменяется зависимая переменная при изменении фактора j на один процент. Однако он не учитывает степень колеблемости факторов.

Бета-коэффициент показывает, на какую часть величины средне­го квадратического отклонения Sy изменится зависи­мая переменная Y с изменением соответствующей независимой пере­менной Хj на величину своего среднеквадратического отклонения при фиксирован­ном на постоянном уровне значении остальных независимых пере­менных.

Указанные коэффициенты позволяют упорядочить факторы по степени влияния факторов на зависимую переменную.

Долю влияния фактора в суммарном влиянии всех факторов мож­но оценить по величине дельта — коэффициентов D (j):

где — коэффициент парной корреляции между фактором j (j = 1. m) и зависимой переменной.

В качестве основного литературного источника рекомендуется использовать [4], в качестве дополнительного – [2].

Множественная линейная регрессия. Оценка качества уравнения регрессии

Вы будете перенаправлены на Автор24

Множественная линейная регрессия

Множественная линейная регрессия – это статистическая модель, в которой число переменных составляет две и более.

Математическая статистика широко применяется в экономических исследованиях для того, чтобы приблизить входные и выходные данные на основе линейного уравнения. Она является элементом регрессионного анализа, который используется в статистическом моделировании. Регрессионный анализ базируется на методах моделирования и исследования связей между зависимыми и независимыми переменными, называемыми регрессорами. Цель анализа — формирование представления об изменениях зависимой величины в случае, если другие переменные остаются неизменными. Обычно регрессионный анализ применяется для оценки ожиданий.

Простая линейная регрессия рассматривает зависимость между одной входной и одной выходной величиной выборки. Уравнение выглядит достаточно просто $y = ax + b$. Графически оно отображается как прямая с множеством точек отклонения. Коэффициенты уравнения являются параметрами модели. Отклонение рассчитывается через сумму квадратов.

Метод наименьших квадратов опирается на экспериментальные данные, которые могут содержать случайные отклонения. Знание параметров модели позволяет применять приближенные значения. Если величины уравнения рассчитаны, то разница между реальными и теоретическими значениями снижается.

Параметры множественной регрессии так же вычисляются с помощью метода наименьших квадратов. Ее отличительной особенностью является использование гиперплоскости. Уравнение множественной регрессии удобно тем, что увеличивает количество объясненных отклонений переменных. Результатом становится улучшение соответствия между данными модели. Добавление новых величин или параметров в исследование будет только увеличивать коэффициент его детерминации. Этот коэффициент показывает, насколько уравнение соответствует реальной действительности.

Готовые работы на аналогичную тему

Оценка качества уравнения множественной линейной регрессии

Исследование качества уравнения регрессии заключается в оценке его адекватности и точности. Анализ опирается на изучение следующих величин:

1. Коэффициент детерминации.
2. Индекс корреляции или коэффициент множественной регрессии.
3. Средняя относительная ошибка.

Коэффициент детерминации в уравнении множественной регрессии равен квадрату коэффициента корреляции между зависимой и независимой переменными. Индекс корреляции анализирует тесноту связи переменных. Если он используется для нелинейных уравнений, то применяется критерий Фишера. Множественный коэффициент корреляции применяется для исследования связей между случайной величиной и другими величинами. Средняя относительная ошибка помогает вычислить отклонение расчетных значений уравнения от фактических данных. Если отклонение не превышает 15%, то речь идет о хорошо подобранном уравнении регрессии.

Значимость уравнения проверяется по критерию Фишера. Далее ему присуждается критическое значение, которое сопоставляется с расчетными данными. Качество модели расценивается при помощи ряда остатков. Полученный коэффициент детерминации показывает зависимость величин друг от друга, а так же тесноту этой связи. Уравнение считается значимым в том случае, если значение критерия Фишера будет больше критического. Точность модели считается неудовлетворительной, если процент соответствия будет более 15%. Тогда модель рассматривается как неудовлетворительная, поэтому в дальнейшем она не используется.

Изучение графика остатков позволяет увидеть какие-либо зависимости, которые не были учтены в модели. Он показывает выбросы. Аномалии могут искажать конечный результат и качество анализа. Чтобы устранить выбросы, необходимо их удалить из данных исследования. Этот процесс называется цензурированием.

Таким образом, оценка качества модели регрессии проверяется качеством уравнения, проверкой его значимости, выполнением предпосылок.

Выбор оптимальной модели множественной регрессии

Исследование начинается с создания первоначальной модели множественной регрессии. Ее анализ необходим для последующего улучшения. Качество модели изучается с помощью коэффициентов, применяемых для парной регрессии. Среди них отмечают:

1. Коэффициент детерминации.
2. Статистику Фишера.
3. Стандартную ошибку регрессии.
4. Сумму квадратов остатков.

Скорректированный коэффициент детерминации обычно применяется для множественной регрессии. Он исключает или добавляет в уравнение переменные или наблюдения. Качество может определяться с помощью проверки на выполнение требований Маркова-Гаусса. Условия считаются выполненными, если математическое наблюдение остатков равно нулю для каждого значения. Дисперсия постоянна для каждого наблюдения. Системные связи между остатками отсутствуют. Зависимость между остатками и переменными так же отсутствует. Выявление соответствия требованиям Гаусса-Маркова позволяет применять метод наименьших квадратов. Полученная с его помощью модель является несмещенной, эффективной и состоятельной.

Следующий шаг – проверка модели с помощью критерия Стьюдента. Если в уравнении есть резко выделяющиеся наблюдения, то их последовательно исключают. Так же выявляются незначимые переменные, которые исключаются из модели в случае необходимости. Например, при изучении экономического поведения человека устанавливается зависимость между факторами, а так же формируется база статических показателей, которые позволяют проверить гипотезу.

Далее строится две нелинейных модели, которые учитывают квадраты двух наиболее значимых моделей и учитывают их логарифмы. Их сравнивают с линейными уравнениями, которые возникают на разных этапах проверки. Полученные модели сравниваются, из них выбирается наилучший вариант, который принимается за качественную модель.

Таким образом, оценка модели проводится для исключения незначимых событий, ошибочных наблюдений.

Основы линейной регрессии

Что такое регрессия?

Разместим точки на двумерном графике рассеяния и скажем, что мы имеем линейное соотношение, если данные аппроксимируются прямой линией.

Если мы полагаем, что y зависит от x, причём изменения в y вызываются именно изменениями в x, мы можем определить линию регрессии (регрессия y на x), которая лучше всего описывает прямолинейное соотношение между этими двумя переменными.

Статистическое использование слова «регрессия» исходит из явления, известного как регрессия к среднему, приписываемого сэру Френсису Гальтону (1889).

Он показал, что, хотя высокие отцы имеют тенденцию иметь высоких сыновей, средний рост сыновей меньше, чем у их высоких отцов. Средний рост сыновей «регрессировал» и «двигался вспять» к среднему росту всех отцов в популяции. Таким образом, в среднем высокие отцы имеют более низких (но всё-таки высоких) сыновей, а низкие отцы имеют сыновей более высоких (но всё-таки довольно низких).

Линия регрессии

Математическое уравнение, которое оценивает линию простой (парной) линейной регрессии:

x называется независимой переменной или предиктором.

Y – зависимая переменная или переменная отклика. Это значение, которое мы ожидаем для y (в среднем), если мы знаем величину x, т.е. это «предсказанное значение y»

• a – свободный член (пересечение) линии оценки; это значение Y, когда x=0 (Рис.1).
• b – угловой коэффициент или градиент оценённой линии; она представляет собой величину, на которую Y увеличивается в среднем, если мы увеличиваем x на одну единицу.
• a и b называют коэффициентами регрессии оценённой линии, хотя этот термин часто используют только для b.

Парную линейную регрессию можно расширить, включив в нее более одной независимой переменной; в этом случае она известна как множественная регрессия.

Рис.1. Линия линейной регрессии, показывающая пересечение a и угловой коэффициент b (величину возрастания Y при увеличении x на одну единицу)

Метод наименьших квадратов

Мы выполняем регрессионный анализ, используя выборку наблюдений, где a и b – выборочные оценки истинных (генеральных) параметров, α и β , которые определяют линию линейной регрессии в популяции (генеральной совокупности).

Наиболее простым методом определения коэффициентов a и b является метод наименьших квадратов (МНК).

Подгонка оценивается, рассматривая остатки (вертикальное расстояние каждой точки от линии, например, остаток = наблюдаемому y – предсказанный y, Рис. 2).

Линию лучшей подгонки выбирают так, чтобы сумма квадратов остатков была минимальной.

Рис. 2. Линия линейной регрессии с изображенными остатками (вертикальные пунктирные линии) для каждой точки.

Предположения линейной регрессии

Итак, для каждой наблюдаемой величины остаток равен разнице и соответствующего предсказанного Каждый остаток может быть положительным или отрицательным.

Можно использовать остатки для проверки следующих предположений, лежащих в основе линейной регрессии:

• Между и существует линейное соотношение: для любых пар данные должны аппроксимировать прямую линию. Если нанести на двумерный график остатки, то мы должны наблюдать случайное рассеяние точек, а не какую-либо систематическую картину.

• Остатки нормально распределены с нулевым средним значением;

• Остатки имеют одну и ту же вариабельность (постоянную дисперсию) для всех предсказанных величин Если нанести остатки против предсказанных величин от мы должны наблюдать случайное рассеяние точек. Если график рассеяния остатков увеличивается или уменьшается с увеличением то это допущение не выполняется;

Если допущения линейности, нормальности и/или постоянной дисперсии сомнительны, мы можем преобразовать или и рассчитать новую линию регрессии, для которой эти допущения удовлетворяются (например, использовать логарифмическое преобразование или др.).

Аномальные значения (выбросы) и точки влияния

«Влиятельное» наблюдение, если оно опущено, изменяет одну или больше оценок параметров модели (т.е. угловой коэффициент или свободный член).

Выброс (наблюдение, которое противоречит большинству значений в наборе данных) может быть «влиятельным» наблюдением и может хорошо обнаруживаться визуально, при осмотре двумерной диаграммы рассеяния или графика остатков.

И для выбросов, и для «влиятельных» наблюдений (точек) используют модели, как с их включением, так и без них, обращают внимание на изменение оценки (коэффициентов регрессии).

При проведении анализа не стоит отбрасывать выбросы или точки влияния автоматически, поскольку простое игнорирование может повлиять на полученные результаты. Всегда изучайте причины появления этих выбросов и анализируйте их.

Гипотеза линейной регрессии

При построении линейной регрессии проверяется нулевая гипотеза о том, что генеральный угловой коэффициент линии регрессии β равен нулю.

Если угловой коэффициент линии равен нулю, между и нет линейного соотношения: изменение не влияет на

Для тестирования нулевой гипотезы о том, что истинный угловой коэффициент равен нулю можно воспользоваться следующим алгоритмом:

Вычислить статистику критерия, равную отношению , которая подчиняется распределению с степенями свободы, где стандартная ошибка коэффициента

,

— оценка дисперсии остатков.

Обычно если достигнутый уровень значимости нулевая гипотеза отклоняется.

Можно рассчитать 95% доверительный интервал для генерального углового коэффициента :

где процентная точка распределения со степенями свободы что дает вероятность двустороннего критерия

Это тот интервал, который содержит генеральный угловой коэффициент с вероятностью 95%.

Для больших выборок, скажем, мы можем аппроксимировать значением 1,96 (то есть статистика критерия будет стремиться к нормальному распределению)

Оценка качества линейной регрессии: коэффициент детерминации R 2

Из-за линейного соотношения и мы ожидаем, что изменяется, по мере того как изменяется , и называем это вариацией, которая обусловлена или объясняется регрессией. Остаточная вариация должна быть как можно меньше.

Если это так, то большая часть вариации будет объясняться регрессией, а точки будут лежать близко к линии регрессии, т.е. линия хорошо соответствует данным.

Долю общей дисперсии , которая объясняется регрессией называют коэффициентом детерминации, обычно выражают через процентное соотношение и обозначают R 2 (в парной линейной регрессии это величина r 2 , квадрат коэффициента корреляции), позволяет субъективно оценить качество уравнения регрессии.

Разность представляет собой процент дисперсии который нельзя объяснить регрессией.

Нет формального теста для оценки мы вынуждены положиться на субъективное суждение, чтобы определить качество подгонки линии регрессии.

Применение линии регрессии для прогноза

Можно применять регрессионную линию для прогнозирования значения по значению в пределе наблюдаемого диапазона (никогда не экстраполируйте вне этих пределов).

Мы предсказываем среднюю величину для наблюдаемых, которые имеют определенное значение путем подстановки этого значения в уравнение линии регрессии.

Итак, если прогнозируем как Используем эту предсказанную величину и ее стандартную ошибку, чтобы оценить доверительный интервал для истинной средней величины в популяции.

Повторение этой процедуры для различных величин позволяет построить доверительные границы для этой линии. Это полоса или область, которая содержит истинную линию, например, с 95% доверительной вероятностью.

Подобным образом можно рассчитать более широкую область, внутри которой, как мы ожидаем, лежит наибольшее число (обычно 95%) наблюдений.

Простые регрессионные планы

Простые регрессионные планы содержат один непрерывный предиктор. Если существует 3 наблюдения со значениями предиктора P , например, 7, 4 и 9, а план включает эффект первого порядка P , то матрица плана X будет иметь вид

а регрессионное уравнение с использованием P для X1 выглядит как

Если простой регрессионный план содержит эффект высшего порядка для P , например квадратичный эффект, то значения в столбце X1 в матрице плана будут возведены во вторую степень:

а уравнение примет вид

Y = b 0 + b 1 P 2

Сигма -ограниченные и сверхпараметризованные методы кодирования не применяются по отношению к простым регрессионным планам и другим планам, содержащим только непрерывные предикторы (поскольку, просто не существует категориальных предикторов). Независимо от выбранного метода кодирования, значения непрерывных переменных увеличиваются в соответствующей степени и используются как значения для переменных X . При этом перекодировка не выполняется. Кроме того, при описании регрессионных планов можно опустить рассмотрение матрицы плана X , а работать только с регрессионным уравнением.

Пример: простой регрессионный анализ

Этот пример использует данные, представленные в таблице:

Рис. 3. Таблица исходных данных.

Данные составлены на основе сравнения переписей 1960 и 1970 в произвольно выбранных 30 округах. Названия округов представлены в виде имен наблюдений. Информация относительно каждой переменной представлена ниже:

Рис. 4. Таблица спецификаций переменных.

Задача исследования

Для этого примера будут анализироваться корреляция уровня бедности и степень, которая предсказывает процент семей, которые находятся за чертой бедности. Следовательно мы будем трактовать переменную 3 ( Pt_Poor ) как зависимую переменную.

Можно выдвинуть гипотезу: изменение численности населения и процент семей, которые находятся за чертой бедности, связаны между собой. Кажется разумным ожидать, что бедность ведет к оттоку населения, следовательно, здесь будет отрицательная корреляция между процентом людей за чертой бедности и изменением численности населения. Следовательно мы будем трактовать переменную 1 ( Pop_Chng ) как переменную-предиктор.

Просмотр результатов

Коэффициенты регрессии

Рис. 5. Коэффициенты регрессии Pt_Poor на Pop_Chng.

На пересечении строки Pop_Chng и столбца Парам. не стандартизованный коэффициент для регрессии Pt_Poor на Pop_Chng равен -0.40374 . Это означает, что для каждого уменьшения численности населения на единицу, имеется увеличение уровня бедности на .40374. Верхний и нижний (по умолчанию) 95% доверительные пределы для этого не стандартизованного коэффициента не включают ноль, так что коэффициент регрессии значим на уровне p . Обратите внимание на не стандартизованный коэффициент, который также является коэффициентом корреляции Пирсона для простых регрессионных планов, равен -.65, который означает, что для каждого уменьшения стандартного отклонения численности населения происходит увеличение стандартного отклонения уровня бедности на .65.

Распределение переменных

Коэффициенты корреляции могут стать существенно завышены или занижены, если в данных присутствуют большие выбросы. Изучим распределение зависимой переменной Pt_Poor по округам. Для этого построим гистограмму переменной Pt_Poor .

Рис. 6. Гистограмма переменной Pt_Poor.

Как вы можете заметить, распределение этой переменной заметно отличается от нормального распределения. Тем не менее, хотя даже два округа (два правых столбца) имеют высокий процент семей, которые находятся за чертой бедности, чем ожидалось в случае нормального распределения, кажется, что они находятся «внутри диапазона.»

Рис. 7. Гистограмма переменной Pt_Poor.

Это суждение в некоторой степени субъективно. Эмпирическое правило гласит, что выбросы необходимо учитывать, если наблюдение (или наблюдения) не попадают в интервал (среднее ± 3 умноженное на стандартное отклонение). В этом случае стоит повторить анализ с выбросами и без, чтобы убедиться, что они не оказывают серьезного эффекта на корреляцию между членами совокупности.

Диаграмма рассеяния

Если одна из гипотез априори о взаимосвязи между заданными переменными, то ее полезно проверить на графике соответствующей диаграммы рассеяния.

Рис. 8. Диаграмма рассеяния.

Диаграмма рассеяния показывает явную отрицательную корреляцию ( -.65 ) между двумя переменными. На ней также показан 95% доверительный интервал для линии регрессии, т.е., с 95% вероятностью линия регрессии проходит между двумя пунктирными кривыми.

Критерии значимости

Рис. 9. Таблица, содержащая критерии значимости.

Критерий для коэффициента регрессии Pop_Chng подтверждает, что Pop_Chng сильно связано с Pt_Poor , p .

На этом примере было показано, как проанализировать простой регрессионный план. Была также представлена интерпретация не стандартизованных и стандартизованных коэффициентов регрессии. Обсуждена важность изучения распределения откликов зависимой переменной, продемонстрирована техника определения направления и силы взаимосвязи между предиктором и зависимой переменной.