例えば,「気温」と「アイスの売り上げ」のような相関のある2つのデータを考えるとき,集めたデータを 散布図 を描いて視覚的に考えることはよくありますね. 「気温」と「アイスの売り上げ」の場合には,散布図から分かりやすく「気温が高いほどアイスの売り上げが良い(正の相関がある)」ことは見てとれます. しかし,必ずしも散布図を見てすぐに相関が分かるとは限りません. そこで,相関を散布図の上に視覚的に表現するための方法として, 回帰分析 という方法があります. 回帰分析を用いると,2つのデータの相関関係をグラフとして視覚的に捉えることができ,相関関係を捉えやすくなります. 回帰分析の中で最も基本的なものに, 回帰直線 を描くための 最小二乗法 があります. この記事では, 最小二乗法 の考え方を説明し, 回帰直線 を求めます. 回帰分析の目的 あるテストを受けた8人の生徒について,勉強時間$x$とテストの成績$y$が以下の表のようになったとしましょう. これを$xy$平面上にプロットすると下図のようになります. このように, 2つのデータの組$(x, y)$を$xy$平面上にプロットした図を 散布図 といい,原因となる$x$を 説明変数 ,その結果となる$y$を 目的変数 などといいます. さて,この散布図を見たとき,データはなんとなく右上がりになっているように見えるので,このデータを直線で表すなら下図のようになるでしょうか. この直線のように, 「散布図にプロットされたデータをそれっぽい直線や曲線で表したい」というのが回帰分析の目的です. 回帰分析でデータを表現する線は必ずしも直線とは限らず,曲線であることもあります が,ともかく回帰分析は「それっぽい線」を見つける方法の総称のことをいいます. 最小二乗法 回帰分析のための1つの方法として 最小二乗法 があります. 最小二乗法の考え方 回帰分析で求めたい「それっぽい線」としては,曲線よりも直線の方が考えやすいと考えることは自然なことでしょう. 【よくわかる最小二乗法】絵で 直線フィッティング を考える | ばたぱら. このときの「それっぽい直線」を 回帰直線(regression line) といい,回帰直線を求める考え方の1つに 最小二乗法 があります. 当然のことながら,全ての点から離れた例えば下図のような直線は「それっぽい」とは言い難いですね. こう考えると, どの点からもそれなりに近い直線を回帰直線と言いたくなりますね.
1 \end{align*} したがって、回帰直線の傾き $a$ は 1. 1 と求まりました ステップ 6:y 切片を求める 最後に、回帰直線の y 切片 $b$ を求めます。ステップ 1 で求めた平均値 $\overline{x}, \, \overline{y}$ と、ステップ 5 で求めた傾き $a$ を、回帰直線を求める公式に代入します。 \begin{align*} b &= \overline{y} - a\overline{x} \\[5pt] &= 72 - 1. 1 \times 70 \\[5pt] &= -5. 0 \end{align*} よって、回帰直線の y 切片 $b$ は -5. 最小二乗法の意味と計算方法 - 回帰直線の求め方. 0(単位:点)と求まりました。 最後に、傾きと切片をまとめて書くと、次のようになります。 \[ y = 1. 1 x - 5. 0 \] これで最小二乗法に基づく回帰直線を求めることができました。 散布図に、いま求めた回帰直線を書き加えると、次の図のようになります。 最小二乗法による回帰直線を書き加えた散布図
まとめ 最小二乗法が何をやっているかわかれば、二次関数など高次の関数でのフィッティングにも応用できる。 :下に凸になるのは の形を見ればわかる。
大学1,2年程度のレベルの内容なので,もし高校数学が怪しいようであれば,統計検定3級からの挑戦を検討しても良いでしょう. なお,本書については,以下の記事で書評としてまとめています.
ということになりますね。 よって、先ほど平方完成した式の $()の中身=0$ という方程式を解けばいいことになります。 今回変数が2つなので、()が2つできます。 よってこれは 連立方程式 になります。 ちなみに、こんな感じの連立方程式です。 \begin{align}\left\{\begin{array}{ll}a+\frac{b(x_1+x_2+…+x_{10})-(y_1+y_2+…+y_{10})}{10}&=0 \\b-\frac{10(x_1y_1+x_2y_2+…+x_{10}y_{10})-(x_1+x_2+…+x_{10})(y_1+y_2+…+y_{10}}{10({x_1}^2+{x_2}^2+…+{x_{10}}^2)-(x_1+x_2+…+x_{10})^2}&=0\end{array}\right. \end{align} …見るだけで解きたくなくなってきますが、まあ理論上は $a, b$ の 2元1次方程式 なので解けますよね。 では最後に、実際に計算した結果のみを載せて終わりにしたいと思います。 手順5【連立方程式を解く】 ここまで皆さんお疲れさまでした。 最後に連立方程式を解けば結論が得られます。 ※ここでは結果だけ載せるので、 興味がある方はぜひチャレンジしてみてください。 $$a=\frac{ \ x \ と \ y \ の共分散}{ \ x \ の分散}$$ $$b=-a \ ( \ x \ の平均値) + \ ( \ y \ の平均値)$$ この結果からわかるように、 「平均値」「分散」「共分散」が与えられていれば $a$ と $b$ を求めることができて、それっぽい直線を書くことができるというわけです! 最小二乗法と回帰分析の違い、最小二乗法で会社の固定費の簡単な求め方 | 業務改善＋ＩＴコンサルティング、econoshift. 最小二乗法の問題を解いてみよう! では最後に、最小二乗法を使う問題を解いてみましょう。 問題1. $(1, 2), (2, 5), (9, 11)$ の回帰直線を最小二乗法を用いて求めよ。 さて、この問題では、「平均値」「分散」「共分散」が与えられていません。 しかし、データの具体的な値はわかっています。 こういう場合は、自分でこれらの値を求めましょう。 実際、データの大きさは $3$ ですし、そこまで大変ではありません。 では解答に移ります。 結論さえ知っていれば、このようにそれっぽい直線(つまり回帰直線)を求めることができるわけです。 逆に、どう求めるかを知らないと、この直線はなかなか引けませんね(^_^;) 「分散や共分散の求め方がイマイチわかっていない…」 という方は、データの分析の記事をこちらにまとめました。よろしければご活用ください。 最小二乗法に関するまとめ いかがだったでしょうか。 今日は、大学数学の内容をできるだけわかりやすく噛み砕いて説明してみました。 データの分析で何気なく引かれている直線でも、 「きちんとした数学的な方法を用いて引かれている」 ということを知っておくだけでも、 数学というものの面白さ を実感できると思います。 ぜひ、大学に入学しても、この考え方を大切にして、楽しく数学に取り組んでいってほしいと思います。
分母が$0$(すなわち,$0$で割る)というのは数学では禁止されているので,この場合を除いて定理を述べているわけです. しかし,$x_1=\dots=x_n$なら散布図の点は全て$y$軸に平行になり回帰直線を描くまでもありませんから,実用上問題はありませんね. 最小二乗法の計算 それでは,以上のことを示しましょう. 行列とベクトルによる証明 本質的には,いまみた証明と何も変わりませんが,ベクトルを用いると以下のようにも計算できます. この記事では説明変数が$x$のみの回帰直線を考えましたが,統計ではいくつもの説明変数から回帰分析を行うことがあります. この記事で扱った説明変数が1つの回帰分析を 単回帰分析 といい,いくつもの説明変数から回帰分析を行うことを 重回帰分析 といいます. 説明変数が$x_1, \dots, x_m$と$m$個ある場合の重回帰分析において,考える方程式は となり,この場合には$a, b_1, \dots, b_m$を最小二乗法により定めることになります. しかし,その場合には途中で現れる$a, b_1, \dots, b_m$の連立方程式を消去法や代入法から地道に解くのは困難で,行列とベクトルを用いて計算するのが現実的な方法となります. このベクトルを用いた証明はそのような理由で重要なわけですね. 決定係数 さて,この記事で説明した最小二乗法は2つのデータ$x$, $y$にどんなに相関がなかろうが,計算すれば回帰直線は求まります. しかし,相関のない2つのデータに対して回帰直線を求めても,その回帰直線はあまり「それっぽい直線」とは言えなさそうですよね. 次の記事では,回帰直線がどれくらい「それっぽい直線」なのかを表す 決定係数 を説明します. 参考文献 改訂版 統計検定2級対応 統計学基礎 [日本統計学会 編/東京図書] 日本統計学会が実施する「統計検定」の2級の範囲に対応する教科書です. 統計検定2級は「大学基礎科目(学部1,2年程度)としての統計学の知識と問題解決能力」という位置付けであり,ある程度の数学的な処理能力が求められます. そのため,統計検定2級を取得していると,一定以上の統計的なデータの扱い方を身に付けているという指標になります. 本書は データの記述と要約 確率と確率分布 統計的推定 統計的仮説検定 線形モデル分析 その他の分析法-正規性の検討,適合度と独立性の$\chi^2$検定 の6章からなり,基礎的な統計的スキルを身につけることができます.
第二話:単回帰分析の結果の見方(エクセルのデータ分析ツール) 第三話:重回帰分析をSEOの例題で理解する。 第四話:← 今回の記事
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