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。
ここではデータ点を 一次関数 を用いて最小二乗法でフィッティングする。二次関数・三次関数でのフィッティング式は こちら 。 下の5つのデータを直線でフィッティングする。 1. 最小二乗法とは? フィッティングの意味 フィッティングする一次関数は、 の形である。データ点をフッティングする 直線を求めたい ということは、知りたいのは傾き と切片 である! 上の5点のデータに対して、下のようにいろいろ直線を引いてみよう。それぞれの直線に対して 傾きと切片 が違うことが確認できる。 こうやって、自分で 傾き と 切片 を変化させていき、 最も「うまく」フィッティングできる直線を探す のである。 「うまい」フィッティング 「うまく」フィッティングするというのは曖昧すぎる。だから、「うまい」フィッティングの基準を決める。 試しに引いた赤い直線と元のデータとの「差」を調べる。たとえば 番目のデータ に対して、直線上の点 とデータ点 との差を見る。 しかしこれは、データ点が直線より下側にあればマイナスになる。単にどれだけズレているかを調べるためには、 二乗 してやれば良い。 これでズレを表す量がプラスの値になった。他の点にも同じようなズレがあるため、それらを 全部足し合わせて やればよい。どれだけズレているかを総和したものを とおいておく。 ポイント この関数は を 2変数 とする。これは、傾きと切片を変えることは、直線を変えるということに対応し、直線が変わればデータ点からのズレも変わってくることを意味している。 最小二乗法 あとはデータ点からのズレの最も小さい「うまい」フィッティングを探す。これは、2乗のズレの総和 を 最小 にしてやればよい。これが 最小二乗法 だ! は2変数関数であった。したがって、下図のように が 最小 となる点を探して、 (傾き、切片)を求めれば良い 。 2変数関数の最小値を求めるのは偏微分の問題である。以下では具体的に数式で計算する。 2. 回帰分析の目的｜最小二乗法から回帰直線を求める方法. 最小値を探す 最小値をとるときの条件 の2変数関数の 最小値 になる は以下の条件を満たす。 2変数に慣れていない場合は、 を思い出してほしい。下に凸の放物線の場合は、 のときの で最小値になるだろう(接線の傾きゼロ)。 計算 を で 偏微分 する。中身の微分とかに注意する。 で 偏微分 上の2つの式は に関する連立方程式である。行列で表示すると、 逆行列を作って、 ここで、 である。したがって、最小二乗法で得られる 傾き と 切片 がわかる。データ数を として一般化してまとめておく。 一次関数でフィッティング(最小二乗法) ただし、 は とする はデータ数。 式が煩雑に見えるが、用意されたデータをかけたり、足したり、2乗したりして足し合わせるだけなので難しくないでしょう。 式変形して平均値・分散で表現 はデータ数 を表す。 はそれぞれ、 の総和と の総和なので、平均値とデータ数で表すことができる。 は同じく の総和であり、2乗の平均とデータ数で表すことができる。 の分母の項は の分散の2乗によって表すことができる。 は共分散として表すことができる。 最後に の分子は、 赤色の項は分散と共分散で表すために挟み込んだ。 以上より一次関数 は、 よく見かける式と同じになる。 3.
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.
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. 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。 \[ y = 1. 最小二乗法とは？公式の導出をわかりやすく高校数学を用いて解説！【平方完成の方法アリ】 | 遊ぶ数学. 1 x - 5. 0 \] 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
では,この「どの点からもそれなりに近い」というものをどのように考えれば良いでしょうか? ここでいくつか言葉を定義しておきましょう. 実際のデータ$(x_i, y_i)$に対して,直線の$x=x_i$での$y$の値をデータを$x=x_i$の 予測値 といい,$y_i-\hat{y}_i$をデータ$(x_i, y_i)$の 残差(residual) といいます. 本稿では, データ$(x_i, y_i)$の予測値を$\hat{y}_i$ データ$(x_i, y_i)$の残差を$e_i$ と表します. 「残差」という言葉を用いるなら, 「どの点からもそれなりに近い直線が回帰直線」は「どのデータの残差$e_i$もそれなりに0に近い直線が回帰直線」と言い換えることができますね. ここで, 残差平方和 (=残差の2乗和)${e_1}^2+{e_2}^2+\dots+{e_n}^2$が最も0に近いような直線はどのデータの残差$e_i$もそれなりに0に近いと言えますね. 一般に実数の2乗は0以上でしたから,残差平方和は必ず0以上です. 最小二乗法の意味と計算方法 - 回帰直線の求め方. よって,「残差平方和が最も0に近いような直線」は「残差平方和が最小になるような直線」に他なりませんね. この考え方で回帰直線を求める方法を 最小二乗法 といいます. 残差平方和が最小になるような直線を回帰直線とする方法を 最小二乗法 (LSM, least squares method) という. 二乗が最小になるようなものを見つけてくるわけですから,「最小二乗法」は名前そのままですね! 最小二乗法による回帰直線 結論から言えば,最小二乗法により求まる回帰直線は以下のようになります. $n$個のデータの組$x=(x_1, x_2, \dots, x_n)$, $y=(y_1, y_2, \dots, y_n)$に対して最小二乗法を用いると,回帰直線は となる.ただし, $\bar{x}$は$x$の 平均 ${\sigma_x}^2$は$x$の 分散 $\bar{y}$は$y$の平均 $C_{xy}$は$x$, $y$の 共分散 であり,$x_1, \dots, x_n$の少なくとも1つは異なる値である. 分散${\sigma_x}^2$と共分散$C_{xy}$は とも表せることを思い出しておきましょう. 定理の「$x_1, \dots, x_n$の少なくとも1つは異なる値」の部分について,もし$x_1=\dots=x_n$なら${\sigma_x}^2=0$となり$\hat{b}=\dfrac{C_{xy}}{{\sigma_x}^2}$で分母が$0$になります.
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.
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