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簡單線性迴歸

大二 · 機率統計

觀念

xy01234560246橘線:ŷ = b₀ + b₁x紅虛線:殘差,平方和最小

簡單線性迴歸 (simple linear regression) 用直線 y^=b0+b1x\hat{y} = b_0 + b_1x 描述 xx 對 yy 的影響,係數由最小平方法決定:b1=SxySxx=∑(xi−xˉ)(yi−yˉ)∑(xi−xˉ)2,b0=yˉ−b1xˉb_1 = \frac{S_{xy}}{S_{xx}} = \frac{\sum(x_i-\bar{x})(y_i-\bar{y})}{\sum(x_i-\bar{x})^2},\qquad b_0 = \bar{y} - b_1\bar{x} 迴歸線一定通過 (xˉ,yˉ)(\bar{x},\bar{y})。b1b_1 解讀為「xx 多 1 單位,yy 平均多 b1b_1」。

算例:點 (1,2),(2,4),(3,5),(4,9)(1,2),(2,4),(3,5),(4,9),xˉ=2.5\bar{x} = 2.5、yˉ=5\bar{y} = 5,Sxy=11S_{xy} = 11、Sxx=5S_{xx} = 5,b1=2.2b_1 = 2.2、b0=−0.5b_0 = -0.5;預測 x=5x = 5 得 10.510.5(外推要小心)。

b1=rsysxb_1 = r\frac{s_y}{s_x} 把斜率與相關係數接起來;R2R^2 說明直線解釋了多少變異。這是線性代數最小平方解的統計版本,也是多元迴歸、機器學習線性模型的起點;記住相關不等於因果。

例題

xy01230246810

資料點 (0,10),(1,2),(2,5),(3,2)(0,10), (1,2), (2,5), (3,2),求最小平方迴歸線 y^=b0+b1x\hat{y} = b_0 + b_1 x 的截距 b0b_0(填最簡分數)。

看解法與答案

先算各個和(n=4n = 4):∑x=6\sum x = 6、∑y=19\sum y = 19、∑x2=14\sum x^2 = 14、∑xy=0+2+10+6=18\sum xy = 0 + 2 + 10 + 6 = 18;xˉ=32\bar{x} = \frac{3}{2}、yˉ=194\bar{y} = \frac{19}{4}。

Sxx=∑x2−(∑x)2n=14−364=5S_{xx} = \sum x^2 - \dfrac{(\sum x)^2}{n} = 14 - \dfrac{36}{4} = 5;Sxy=∑xy−∑x∑yn=18−1144=−212S_{xy} = \sum xy - \dfrac{\sum x\sum y}{n} = 18 - \dfrac{114}{4} = -\frac{21}{2}。

斜率 b1=SxySxx=−2125=−2110b_1 = \dfrac{S_{xy}}{S_{xx}} = \dfrac{-\frac{21}{2}}{5} = -\frac{21}{10}。

迴歸線必過 (xˉ,yˉ)(\bar{x},\bar{y}):b0=yˉ−b1xˉ=194−(−2110)(32)=7910b_0 = \bar{y} - b_1\bar{x} = \frac{19}{4} - (-\frac{21}{10})(\frac{3}{2}) = \frac{79}{10}。

答案: 7910\frac{79}{10}

用在哪裡

講解影片

學習路徑

先學會

互動練習在本機版

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