【清华】2.0_实验12-回归分析

定量分析实验室项目课程介绍
1、回归分析（Linear Regression Analysis）：
教师：Yu Xie（谢宇），美国密歇根大学社会学系教授。

时间：2007年7月16日至8月10日
课时：48学时。

课程内容：简介线性代数，以矩阵形式温习线性回归模型。

主要讲授线性回归在社会科学研究中的应用，并介绍通径分析、纵贯数据分析、对二分类因变量的logit 分析。

本课程将结合STATA统计软件的应用。

该课程为本实验室开设系列方法课程的必修课之一。

2、分层线性模型（Hierarchical Linear Model）：
教师：Stephen Raudenbush，美国芝加哥大学社会学系教授
时间：2007年8月13日至8月31日
课时：48学时。

课程内容：介绍分层数据结构与分层模型的基本原理，通过大量纵贯数据和分层数据的分析实例来示范分层模型在社会科学研究中的应用。

课程从两层分析模型入手，然后扩展到三层模型（包括个体重复测量分析），并介绍对潜在变量和交互分组数据的分层分析。

本课程将结合HLM统计软件的应用。

回归分析实验案例数据引言：回归分析是一种常用的统计方法，用于探索一个或多个自变量对一个因变量的影响程度。

在实际应用中，回归分析有很多种，例如简单线性回归、多元线性回归、逻辑回归等。

本文将介绍一个回归分析实验案例，并分析其中的数据。

案例背景：一家汽车制造公司对汽车的油耗进行研究。

他们收集了一些汽车的相关数据，并希望通过回归分析来探究这些数据之间的关系。

数据收集：为了进行回归分析，他们收集了以下数据：1. 汽车型号：不同汽车型号的标识符。

2. 汽车价格：每辆汽车的价格，单位为美元。

3. 汽车速度：以每小时英里的速度来衡量。

4. 引擎大小：汽车引擎的容量大小，以升为单位。

5. 油耗：每加仑汽油行驶的英里数。

数据分析：通过对收集的数据进行回归分析，可以得出以下结论：1. 汽车价格与汽车引擎大小之间存在正相关关系。

即引擎越大，汽车价格越高。

2. 汽车速度与油耗之间呈现负相关。

即速度越高，油耗越大。

3. 汽车引擎大小与油耗之间存在正相关关系。

即引擎越大，油耗越大。

结论：基于以上分析结果，可以得出以下结论：1. 汽车价格受到引擎大小的影响，即引擎越大，汽车价格越高。

这一结论可以帮助汽车制造公司在制定价格策略时做出合理的决策。

2. 汽车速度与油耗之间呈现负相关。

这一结论可以帮助消费者在购买汽车时考虑速度对油耗的影响，从而选择更经济的汽车。

3. 汽车引擎大小与油耗之间存在正相关关系。

这一结论可以帮助汽车制造公司在设计引擎时考虑油耗因素，从而提高汽车的燃油效率。

总结：回归分析是一种有效的统计方法，可以用于探索数据间的关系。

通过对汽车制造公司收集的数据进行回归分析，我们发现了汽车价格、速度和引擎大小与油耗之间的关系。

这些分析结果对汽车制造公司制定价格策略、消费者购车以及提高燃油效率都具有重要的指导意义。

数据预处理1.计算每年每一个变量的基本统计量：均值，标准差，中位数；并用折线图给出原始数据和均值、中位数的变化趋势。

由所给的《中国企业商品价格指数数据99年至今》数据，利用MATLAB，很容易计算出结果，并画出折线图。

折线图如下：2.给出各变量按季节变化趋势；每年各变量频数直方图的变化趋势，可做动态图。

利用MATLAB作图如下：（此频数直方图是动态图）3. 按原始数据，指出被解释变量和每解释变量之间的关系，画图；利用MATLAB分别作图如下：从图中可以看出，随着农产品价格指数的增长，总指数有线性增长的趋势，所以总指数与农产品价格指数有线性关系。

从图中可以看出，随着矿产品价格指数的增长，总指数有线性增长的趋势，所以总指数与矿产品价格指数有线性关系。

从图中可以看出，随着煤油电价格指数的增长，总指数有线性增长的趋势，所以总指数与煤油电价格指数有线性关系。

4.按年平均数、中位数预处理数据，指出被解释变量和每个解释变量之间的关系，画图；利用MATLAB，分别作图如下：从图中可以看出，对于每个解释变量（各个价格指数中均值），随着其增长，被解释变量（总指数均值）都有线性增长的趋势，所以被解释变量与每个解释变量分别有线性关系。

从图中可以看出，对于每个解释变量（各个价格指数均中位数），随着其增长，被解释变量（总指数中位数）都有线性增长的趋势，所以被解释变量与每个解释变量分别有线性关系。

（本节MATLAB代码见附录一）一元回归分析 基本模型下面先从简单入手，由上节数据预处理第三问求解得出，总指数y 与农产品价格指数x 之间存在线性关系，所以，可以建立以下一元线性回归模型：y i = β0+β1x i +εi, i=1,2……，191各εi 独立同分布，其分布为N （0，σ2）由数据（xi ，yi ）(i=1,2……，191)可获得β0、β1的估计ˆβ1ˆβ 称 01ˆˆˆx yββ=+ 为y 关于x 的回归方程，ˆβ，1ˆβ为回归系数，εi 是随机误差。

回归分析实验报告实验报告：回归分析摘要：回归分析是一种用于探究变量之间关系的数学模型。

本实验以地气温和电力消耗量数据为例，运用回归分析方法，建立了气温和电力消耗量之间的线性回归模型，并对模型进行了评估和预测。

实验结果表明，气温对电力消耗量具有显著的影响，模型能够很好地解释二者之间的关系。

1.引言回归分析是一种用于探究变量之间关系的统计方法，它通常用于预测或解释一个变量因另一个或多个变量而变化的程度。

回归分析陶冶于20世纪初，经过不断的发展和完善，成为了数量宏大且复杂的数据分析的重要工具。

本实验旨在通过回归分析方法，探究气温与电力消耗量之间的关系，并基于建立的线性回归模型进行预测。

2.实验设计与数据收集本实验选择地的气温和电力消耗量作为研究对象，数据选取了一段时间内每天的气温和对应的电力消耗量。

数据的收集方法包括了实地观测和数据记录，并在数据整理过程中进行了数据的筛选与清洗。

3.数据分析与模型建立为了探究气温与电力消耗量之间的关系，需要建立一个合适的数学模型。

根据回归分析的基本原理，我们初步假设气温与电力消耗量之间的关系是线性的。

因此，我们选用了简单线性回归模型进行分析，并通过最小二乘法对模型进行了估计。

运用统计软件对数据进行处理，并进行了以下分析：1)描述性统计分析：计算了气温和电力消耗量的平均值、标准差和相关系数等。

2)直线拟合与评估：运用最小二乘法拟合出了气温对电力消耗量的线性回归模型，并进行了模型的评估，包括了相关系数、残差分析等。

3)预测分析：基于建立的模型，进行了其中一未来日期的电力消耗量的预测，并给出了预测结果的置信区间。

4.结果与讨论根据实验数据的分析结果，我们得到了以下结论：1)在地的气温与电力消耗量之间存在着显著的线性关系，相关系数为0.75，表明二者之间的关系较为紧密。

2)构建的线性回归模型：电力消耗量=2.5+0.3*气温，模型参数的显著性检验结果为t=3.2，p<0.05，表明回归系数是显著的。

1．1回归分析的基本思想及其初步应用（第1课时）教案教材：人民教育出版社A版必修3授课教师：中卫市第一中学俞清华【教学目标】在《数学③（必修）》之后，学生已经学习了两个变量之间的相关关系，包括画散点图，最小二乘法求回归直线方程等内容.在人教A版选修1-2第一章第一节“回归分析的基本思想及其初步应用”这一节中进一步介绍回归分析的基本思想及其初步应用.这部分内容《教师用书》共计4课时，第一课时：介绍线性回归模型的数学表达式，解释随机误差项产生的原因，使学生能正确理解回归方程的预报结果；第二课时：从相关系数、相关指数和残差分析角度探讨回归模型的拟合效果，以及建立回归模型的基本步骤；第三课时：介绍两个变量非线性相关关系；第四课时：回归分析的应用. 本节课是第一课时的内容.1、知识与技能目标认识随机误差；2、过程与方法目标（1）会使用函数计算器求回归方程；（2）能正确理解回归方程的预报结果.3、情感、态度、价值观通过本节课的学习，加强数学与现实生活的联系，以科学的态度评价两个变量的相关性，理解处理问题的方法，形成严谨的治学态度和锲而不舍的求学精神.培养学生运用所学知识，解决实际问题的能力.教学中适当地利用学生合作与交流，使学生在学习的同时，体会与他人合作的重要性.【教学重点】随机误差ｅ的认识【教学难点】随机误差的来源和对预报变量的影响【教学方法】启发式教学法【教学手段】多媒体辅助教学【教学流程】【教学过程设计】．几点注明：1、复习引入时教师做示范——提供5组身高与体重的数据，用Excel展示如何画散点图、用最小二乘法求线性回归方程.随机抽样并列表如下：2、计算机做散点图的步骤如下：（1）进入Excel软件操作界面，在A1,B1分别输入“身高”和“体重”，在A,B 列输入相应的数据.（2）点击“图表向导”图标，进入“图表类型”对话框，选择“标准类型”中的“XY散点图”，单击“下一步”.（3）在“图表向导”中的“图表数据源”对话框中，选择“系列”选项，单击“添加”按钮添加系列1，在“X值”栏中输入身高所在数据区域，在“Y值”栏中输入体重所在数据区域，单击“下一步”.（4）进入“图表向导”中的图表选项对话框，对图表的一些属性进行设置. （5）单击“完成”按钮.注：也可以直接使用我们提供的文件来给学生演示，相对节约课堂时间.3、学生使用函数计算器求回归方程的过程如下：MODE SHIFT CLR =1 13 ， DT 165 49 ，DT17565， DT 165 58 ， DT 157 51 ， DT 170 53 SHIFT CLRSHIFTCLR2==1 (进入回归计算模式)(清除统计存储器)(输入五组数据)所以回归方程为 yˆ0.673x-56.79 (计算参数a) (计算参数b)（学生还会使用更先进的计算器）4、课堂使用的数据如下高二女生前15组数据列表：高二女生中间15组数据列表：高二女生后15组数据列表：课本P2例题1 女大学生8组数据列表：例1.1．1回归分析的基本思想及其初步应用（第1课时）教案说明教材：人民教育出版社A版必修3授课教师：中卫市第一中学俞清华1、设计理念《数学课程标准》明确指出：有效的数学学习活动不能单纯地模仿与记忆，动手实践、自主探索与合作交流，可以促进学生自主、全面、可持续的发展，是学生学习数学的重要方式．为使教学真正做到以学生为本，我对教材P2—P3的知识进行了适当地重组和加工，力求给学生提供研究、探讨的时间与空间，让学生充分经历“做数学”的过程，促使学生在自主中求知，在合作中获取，在探究中发展.2、授课内容的数学本质与教学目标定位回归分析，是一种从事物因果关系出发进行预测的方法．操作中，是在掌握大量观察数据的基础上，利用数理统计方法建立因变量与自变量之间的回归关系函数表达式（称回归方程式），预测今后事物发展的趋势．然而，所建立的回归方程与样本点的分布之间还存在有差异，这一差异就是我们本节课学习的主要内容：随机变量．3、学习本课内容的基础以及应用本课内容安排在《数学3（必修）》之后，学生已经学习了两个变量之间的相关关系，包括画散点图，会利用最小二乘法求回归直线方程等内容.以此为基础，进一步讨论一元线性回归模型，分析产生模型中随机误差项的原因，从而让学生了解线性回归模型与函数模型之间的区别与联系，体会统计思维与确定性思维的区别与联系.通过本节课的学习，为后继课程了解偏差平方和分解思想和相关指数的含义、了解相关指数R2和模型拟合的效果之间的关系、了解残差图的作用，体会什么是回归分析、回归分的必要性，都起到铺垫作用．在本节课的教学中，学生使用了函数计算器，教师则利用电脑Excel表格完成对数据的整理，需要学生有一定的动手能力．4、学习本课内容时容易了解与容易误解的地方由于学生对必修3中的线性回归知识已经熟悉，会抽取样本、会画散点图、会利用最小二乘法求出线性回归方程，所以本节课学生容易了解：（1）从散点图看出，样本点呈条状分布，体重与身高具有线性相关关系，因此可以用线性回归方程来近似刻画它们之间的关系．（2）可以发现样本点并不完全落在回归方程上，有随机误差存在.（3）容易理解由一条回归方程预测到的身高172cm的女生体重不是都一样，它只是一个平均值．在学习过程中，相对不易理解的地方有：（1）对于随机误差的来源，学生是能够从样本的个体差异上来理解的，但是对于由用线性回归模型近似真实模型所引起的误差，学生理解还是有一定困难的.（2）随机误差对预报变量的影响，学生从感性上很好理解，当然是随机误差越小越好.但是从理性上认识，怎样从数据上刻画出随机误差是否变小了呢？学生还有困难.5、本节课的教法特点以及预期效果分析5.1 改造创新教师通过分析教材和学生认知规律，创造性地使用教材，做到既重视教材，更重视学生.具体说来有以下改造：（1）创设生活情景.利用学生的“体检经验”设置问题，既没有脱离课本例题1的相关内容，又能激发学生对数学的亲切感，引发学生看个究竟的冲动，兴趣盎然地投入学习.（2）充分体现随机观念.课本上仅仅希望利用8组数据就要学生体会到统计的思想和后继课程中回归分析的必要性，实在是为难学生了．在本课教学设计学生操作时强调“增多数据，加强比较”. 帮助学生体会“不同事件（如课本例1女大学生和高二女生）”，则统计结果不同、“同一事件（如都是高二女生），采样不同结果也不同”的基本事实.（3）教师的作用. 在这节课里，教师在学生操作结束后，利用更多数据的操作，形成一个与学生结果的对比，这一操作与展示为学生创造了新的思维增长点，引领学生进入更深层领悟.5.2 问题性本课教学以问题引导学习活动，通过恰时恰点地提出问题，提好问题，给学生提问的示范，使他们领悟发现和提出问题的艺术，引导他们更加主动和有兴趣地学，逐步培养学生的问题意识，孕育创新精神.例如，在“结果的分析”中的问题4、“预测出的体重值都不同，那么它还有参考价值吗？”目的是让学生充分认识随机误差e的来源和对预报变量的影响，而这一问题的提出，立刻吸引学生细细体会随机观念，同时激发出学生的好奇心，提升深入探求的欲望．5.3 合作、探究的学习方式本节课的合作学习体现在两个方面：除了体现在每个小组内部成员之间，还体现在整堂课的教学结构上．小组成员内部提倡“不同的人作不同的事”，面对不同分组，学生可以自主选择的不同工作，动手带动动脑，遇到小的问题，通过探讨和帮助，能做到“学生的问题由学生自己解决”，促进对某一问题更清晰的认识，还能感受到团结合作的好处与必要.同时，每个小组的劳动成果共同构成课堂教学需要的多条回归方程，组与组之间的合作推动整节课的比较与区分得以实现.5.4教学手段本课积极将数学课程与信息技术进行整合，采用多种技术手段，特点主要体现如下：（1）以PPT 为操作平台，界面活泼，操作简单，能有效支持多种其它技术；（2）教师用Excel图表展示，直观形象，节约时间，帮助学生顺利完成学习内容；（3）学生使用函数计算器动手操作，求出回归方程．本课预期：（1）学生可以很好地复习使用函数计算器求回归方程，虽然在要求学生自己操作前教师有一个示例，但是还是会有一少部分人不会使用，所以在教学前要有一定的思想准备，和必要措施.（2）在分析各个组的预测结果为什么有差异时，由于个体经验不同，对问题的挖掘深度产生不同，这时教师的启发引导可能会十分必要，不能完全由学生漫无目的的“讨论”，使学生活动流于形式.（3）“结果分析”前，由学生展示操作成果，这些结果已经够用来说明问题，教师不要急于参与.在“结果分析”的第4个问题中引入教师利用电脑求出的由45 组数据得到的回归方程，让学生再一次通过比较得到新的思考点——怎样知道自己模拟的回归方程身高变化对体重变化影响有多大呢？这样会使学生自然而然渴望进一步了解相关回归分析的知识，为后继课程做好伏笔.对于体现本节课承上启下的作用，可能更好一些.6 教学反思通过本节课的教学实践，我再次体会到什么是由“关注知识”转向“关注学生”，在教学过程中，注意到了由“给出知识”转向“引起活动”，由“完成教学任务”转向“促进学生发展”，课堂上的真正主人应该是学生．一堂好课，师生一定会有共同的、积极的情感体验．本节课的教学中，知识点均是学生通过探索“发现”的，学生充分经历了探索与发现的过程．教学中没有以练习为主，而是定位在知识形成过程的探索，注重数学的思想性，如统计思想、随机观念、函数思想、数形结合的思想方法等，引导学生体验数学中的理性精神，加强数学形式下的思考和推理。

可编辑修改精选全文完整版实用回归分析第四版第一章回归分析概述1.3回归模型中随机误差项ε的意义是什么？答：ε为随机误差项，正是由于随机误差项的引入，才将变量间的关系描述为一个随机方程，使得我们可以借助随机数学方法研究y与x1,x2…..xp的关系，由于客观经济现象是错综复杂的，一种经济现象很难用有限个因素来准确说明，随机误差项可以概括表示由于人们的认识以及其他客观原因的局限而没有考虑的种种偶然因素。

1.4 线性回归模型的基本假设是什么？答：线性回归模型的基本假设有：1.解释变量x1.x2….xp是非随机的，观测值xi1.xi2…..xip是常数。

2.等方差及不相关的假定条件为{E(εi)=0 i=1,2…. Cov(εi,εj)=｛σ^23.正态分布的假定条件为相互独立。

4.样本容量的个数要多于解释变量的个数，即n>p.第二章一元线性回归分析思考与练习参考答案2.1一元线性回归有哪些基本假定?答：假设1、解释变量X是确定性变量，Y是随机变量；假设2、随机误差项ε具有零均值、同方差和不序列相关性：E(εi)=0 i=1,2, …,nVar (εi)=σ2i=1,2, …,nCov(εi,εj)=0 i≠j i,j= 1,2, …,n假设3、随机误差项ε与解释变量X之间不相关：Cov(X i, εi)=0 i=1,2, …,n假设4、ε服从零均值、同方差、零协方差的正态分布εi~N(0, σ2) i=1,2, …,n2.3 证明（2.27式），∑e i =0 ，∑e i X i=0 。

证明：∑∑+-=-=niiiniXYYYQ12121))ˆˆ(()ˆ(ββ其中：即： ∑e i =0 ，∑e i X i =02.5 证明0ˆβ是β0的无偏估计。

证明：)1[)ˆ()ˆ(1110∑∑==--=-=ni i xxi ni i Y L X X X Y n E X Y E E ββ)] )(1([])1([1011i i xx i n i i xx i ni X L X X X n E Y L X X X n E εββ++--=--=∑∑==01010)()1(])1([βεβεβ=--+=--+=∑∑==i xxi ni i xx i ni E L X X X n L X X X n E 2.6 证明 证明：)] ()1([])1([)ˆ(102110i i xxi ni i xx i n i X Var L X X X n Y L X X X n Var Var εβββ++--=--=∑∑==222212]1[])(2)1[(σσxx xx i xx i ni L X n L X X X nL X X X n +=-+--=∑=2.7 证明平方和分解公式：SST=SSE+SSR证明：2.8 验证三种检验的关系，即验证： （1）21)2(r r n t --=；（2）2221ˆˆ)2/(1/t L n SSE SSR F xx ==-=σβ 证明：（1）01ˆˆˆˆi i i i iY X e Y Y ββ=+=-())1()1()ˆ(222122xx ni iL X n X XX nVar +=-+=∑=σσβ()()∑∑==-+-=-=n i ii i n i i Y Y Y Y Y Y SST 1212]ˆ()ˆ[()()()∑∑∑===-+--+-=ni ii ni i i i ni iY Y Y Y Y Y Y Y 12112)ˆˆ)(ˆ2ˆ()()SSE SSR )Y ˆY Y Y ˆn1i 2i i n1i 2i+=-+-=∑∑==0100ˆˆQQββ∂∂==∂∂ˆt======（2）2222201111 1111ˆˆˆˆˆˆ()()(())(()) n n n ni i i i xxi i i iSSR y y x y y x x y x x Lβββββ=====-=+-=+--=-=∑∑∑∑2212ˆ/1ˆ/(2)xxLSSRF tSSE nβσ∴===-2.9 验证（2.63）式：2211σ)L)xx(n()e(Varxxii---=证明：0112222222ˆˆˆvar()var()var()var()2cov(,)ˆˆˆvar()var()2cov(,())()()11[]2[]()1[1]i i i i i i ii i i ii ixx xxixxe y y y y y yy x y y x xx x x xn L n Lx xn Lβββσσσσ=-=+-=++-+---=++-+-=--其中：222221111))(1()(1))(,()()1,())(ˆ,(),())(ˆ,(σσσββxxixxiniixxiiiniiiiiiiiLxxnLxxnyLxxyCovxxynyCovxxyCovyyCovxxyyCov-+=-+=--+=-+=-+∑∑==2.10 用第9题证明是σ2的无偏估计量证明：2221122112211ˆˆ()()()22()111var()[1]221(2)2n ni ii in niii i xxE E y y E en nx xen n n Lnnσσσσ=====-=---==----=-=-∑∑∑∑第三章1.一个回归方程的复相关系数R=0.99，样本决定系数R2=0.9801，我们能2ˆ22-=∑neiσ判断这个回归方程就很理想吗？ 答：不能断定这个回归方程理想。

双因素实验回归分析和方差分析的转化李晓燕新疆大学数学与系统科学学院，乌鲁木齐 （830046）E-mail: lieryan2008@摘 要：本文简要介绍了回归分析和方差分析的基本原理，并根据实际问题中的双因素无重复实验的具体实施情况分别采用回归分析法和方差分析法进行分析讨论。

对前者，首先对实验数据进行认真观测，研究自变量及结果变量的相关性和变化规律，给出假定的回归模型并对参数及其置信区间进行估计推断；对后者，双因素实验观测数据虽较多，但因素水平较少的情况下，就可以通过重新调整数据结构设置，使其变为正交实验设计模式，从而可单独对某因素进行显著性影响的评判，即方差分析。

从而得出同一问题在适当条件下两种方法的可实现性。

关键词：回归分析，方差分析，最小二乘原理，离差平方和，双因素中图分类号：O212.61. 引言在科学实践的许多问题中，常会遇到许多相互联系相互制约的变量，常见的变量之间的关系大致分为两类：确定性关系和非确定性关系。

确定性关系即函数关系，此关系大家较为熟悉；非确定性关系即相关关系。

相关关系是指两个相互关联的变量之间存在着一定的数量关系，而这种关系并不是完全确定的，当一个变量发生变化时，另一个变量也在一定范围内有规律的变化。

变量间存在相关关系的例子也很多。

例如，身高和体重的关系，总体来说，身高者体也重；在气候、种子、管理等条件基本相同时，施肥量和浇水量多些，亩产量则高些，但也不会无限制上涨，而是在某个范围内大体上满足这种关系。

回归分析就是研究某随机变量（因变量）与其它一个或多个普通变量（自变量）之间的数量关系，并建立其数学关系，称为回归方程。

如果所建立的方程是线性的，称作线性回归[1]，否则称作非线性回归。

回归分析是解决这种非确定关系的有力工具。

方差分析也是数理统计的基本方法之一，是工农业生产和科学研究中分析数据的一种常用方法。

例如，在化工生产中，原料成分、原料剂量、催化剂和反应时间等因素都会对产品的质量和数量产生影响，但影响大小各有不同，要想找出对产品的质量和数量产生显著影响的因素就需要进行实验。