Рассчитать среднюю ошибку аппроксимации для однофакторной линейной модели

Коэффициент корреляции

Тесноту (силу) связи изучаемых показателей в предмете эконометрика оценивают с помощью коэффициента корреляции Rxy, который может принимать значения от -1 до +1.

Если Rxy > 0,7 — связь между изучаемыми показателями сильная, можно проводить анализ линейной модели

Если 0,3 < Rxy < 0,7 — связь между показателями умеренная, можно использовать нелинейную модель при отсутствии Rxy > 0,7

Если Rxy < 0,3 — связь слабая, модель строить нельзя

Для нелинейной регрессии используют индекс корреляции (0 < Рху < 1):

Средняя ошибка аппроксимации

Для оценки качества однофакторной модели в эконометрике используют коэффициент детерминации и среднюю ошибку аппроксимации.

Средняя ошибка аппроксимации определяется как среднее отклонение полученных значений от фактических

Допустимая ошибка аппроксимации не должна превышать 10%.

В эконометрике существует понятие среднего коэффициента эластичности Э – который говорит о том, на сколько процентов в среднем изменится показатель у от своего среднего значения при изменении фактора х на 1% от своей средней величины.

Пример нахождения коэффициента корреляции

Исходные данные:

Рассчитаем параметры парной линейной регрессии, составив таблицу

формула расчета дисперсии σ2 приведена здесь.

Коэффициенты уравнения y = a + bx определяются по формуле

Получаем уравнение регрессии: y = 0,947x + 60,279.

Коэффициент уравнения b = 0,947 показывает, что при увеличении среднедушевого прожиточного минимума в день одного трудоспособного на 1 руб. среднедневная заработная плата увеличивается на 0,947 руб.
Коэффициент корреляции рассчитывается по формуле:

Значение коэффициента корреляции более — 0,7, это означает, что связь между среднедушевым прожиточным минимумом в день одного трудоспособного и среднедневной заработной платой сильная.

Коэффициент детерминации равен R2 = 0.838^2 = 0.702
т.е. 70,2% результата объясняется вариацией объясняющей переменной x.

2.6.1
Коэффициент детерминации.
Для оценки качества построенной модели
регрессии можно использовать коэффициент
детерминации
.
Коэффициент детерминации может быть
вычислен по формуле:

.

С другой стороны,
для парной линейной регрессии верно
равенство:

.

При
близости значения коэффициента
детерминации к 1 говорят, что уравнение
регрессии статистически значимо и
фактор
оказывает сильное воздействие на
результирующий признак.

При анализе модели
парной линейной регрессии по значению
коэффициента детерминации можно сделать
следующие предварительные выводы о
качестве модели:

• Если
  ,
  то будем считать, что использование
  регрессионной модели для аппроксимации
  зависимости между переменнымиистатистически необоснованно.

• Если
  ,
  то использование регрессионной модели
  возможно, но после оценивания параметров
  модель подлежит дальнейшему многостороннему
  статистическому анализу.

• Если
  ,
  то будем. считать, что у нас есть основания
  для использования регрессионной модели
  при анализе поведения переменной.

2.6.2 Средняя ошибка аппроксимации.

Другой
показатель качества построенной модели
–– среднее относительное отклонение
расчетных значений от фактических или
средняя
ошибка аппроксимации:

.

Построенное
уравнение регрессии считается
удовлетворительным, если значение
не превышает 10% – 12% .

3. Пример.

По
21 региону страны изучается зависимость
розничной продажи телевизоров ()
от среднедушевого денежного дохода в
месяц ().

Необходимо
найти зависимость, наилучшим образом
отражающую связь между переменными

и
.

Рассмотрим вопрос
применения модели линейной регрессии
в этой задаче.

Построим
поле корреляции, т.е. нанесем исходные
данные на координатную плоскость. Для
этого воспользуемся, например,
возможностями MS
Excel
2003.

Подготовим таблицу
исходных данных.

Нанесем на
координатную плоскость исходные данные:

Характер
расположения точек на графике дает нам
основание предположить, что искомая
функция регрессии линейная:
.
Для оценки коэффициентов уравнения
регрессии необходимо составить и решить
систему нормальных уравнений ( ).

По исходным данным
рассчитываем необходимые суммы:

Составляем систему
уравнений:

Имеем систему
линейных алгебраических уравнений,
которая может быть решена, например, по
формулам Крамера. Для этого вычислим
следующие определители:

Тогда, согласно
теореме Крамера,

Получаем уравнение
регрессии:

Величина
коэффициента регрессии
означает, что увеличение среднедушевого
месячного дохода на 1 тыс. руб. приведет
к увеличение объема розничной продажи
в среднем на 7 540 телевизоров. Коэффициентв данном случае не имеет содержательной
интерпретации.

Оценим тесноту
линейной связи между переменными и
качество построенной модели в целом.

Для оценки тесноты
линейной зависимости рассчитаем
коэффициент детерминации. Для этого
необходимо провести ряд дополнительных
вычислений.

Прежде
всего, найдем выборочное
среднее
по формуле:

.

Для рассматриваемого
примера имеем:

Теперь произведем
расчет остальных вспомогательных
величин:

Здесь
столбец «»
– это значения,рассчитанные с помощью построенного
уравнения регрессии, столбцы «»
и– это столбцы, так называемых, «остатков»:
разностей между исходными значениями,и рассчитанными с помощью уравнения
регрессии,
а также их квадратов, а в последних двух
столбцах – разности между исходными
значениями,
выборочным средним,
а также их квадраты.

Для
вычисления коэффициента детерминации
воспользуемся формулой ( ):

Значение
коэффициента детерминации позволяет
сделать предварительный вывод о том,
что у нас имеются основания использовать
модель линейной регрессии в данной
задаче, поскольку
.

Построим
линию регрессии на корреляционном поле,
для чего добавим на координатной
плоскости точки, соответствующие
уравнению регрессии ().

Нанесем
теперь уравнение регрессии на диаграмму,
используя специальные средства Excel.
Для этого необходимо выделить правой
кнопкой мыши исходные точки и выбрать
опцию Добавить
линию тренда.

В
открывшемся меню Параметры
линии тренда
выбрать Линейную
аппроксимацию.
Далее поставить флажок напротив полей
Показывать
уравнение на диаграмме
и Поместить
на диаграмму величину достоверности
аппроксимации .

Нажав
на ОК, получаем еще одну прямую на
диаграмме, которая совпадает с построенными
ранее точками линии регрессии:

Сплошная
черная линия на диаграмме – это линия
регрессии, рассчитанная средствами
Excel.
Линия регрессии, построенная нами ранее,
совпала с данной линией регрессии.
Нетрудно убедиться, что уравнение
регрессии и коэффициент детерминации
тоже совпадают с полученными ранее
вручную.

Найдем
теперь среднюю ошибку аппроксимации
для оценки погрешности модели. Для этого
нам потребуется вычислить еще ряд
промежуточных величин:

Здесь
столбец «»
– это значения,рассчитанные с помощью построенного
уравнения регрессии, столбец «»
– это столбец так называемых «остатков»:
разностей между исходными значениями,
и рассчитанными с помощью уравнения
регрессии,и, наконец, последний столбец «»
– это вспомогательный столбец для
вычисления элементов суммы по формуле
( ). Просуммируем теперь элементы
последнего столбца и разделим полученную
сумму на 21 – общее количество исходных
данных:

.

Переведем это
число в проценты и запишем окончательное
выражение для средней ошибки аппроксимации:

.

Итак,
средняя ошибка аппроксимации оказалась
около 8%, что говорит о небольшой
погрешности построенной модели. Данную
модель, с учетом неплохих характеристик
ее качества, вполне можно использовать
для прогноза – одной из основных целей
эконометрического анализа. Предположим,
что среднедушевой месячный доход в
одном из регионов составит 4,1 тыс. руб.
Оценим, каков будет уровень продаж
телевизоров в этом регионе согласно
построенной модели? Для этого необходимо
выбранное значение фактора
подставить в уравнение регрессии (
):

(тыс.
руб.),

т.е. при таком
уровне дохода, розничная продажа
телевизоров составит, в среднем, 35 480
телевизоров.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Имеются следующие данные разных стран об индексе розничных цен на продукты питания (х) и об индексе промышленного производства (у).

Требуется:

1. Для характеристики зависимости у от х рассчитать параметры следующих функций:

А) линейной;

Б) степенной;

В) равносторонней гиперболы.

2. Для каждой модели рассчитать показатели: тесноты связи и среднюю ошибку аппроксимации.

3. Оценить статистическую значимость параметров регрессии и корреляции.

4. Выполнить прогноз значения индекса промышленного производства у при прогнозном значении индекса розничных цен на продукты питания х=138.

Решение:

1. Для расчёта параметров линейной регрессии

Решаем систему нормальных уравнений относительно a и b:

Построим таблицу расчётных данных, как показано в таблице 1.

Таблица 1 Расчетные данные для оценки линейной регрессии

№ п/п	х	у	ху	x2	y2
1	100	70	7000	10000	4900	74,26340	0,060906
2	105	79	8295	11025	6241	79,92527	0,011712
3	108	85	9180	11664	7225	83,32238	0,019737
4	113	84	9492	12769	7056	88,98425	0,059336
5	118	85	10030	13924	7225	94,64611	0,113484
6	118	85	10030	13924	7225	94,64611	0,113484
7	110	96	10560	12100	9216	85,58713	0,108467
8	115	99	11385	13225	9801	91,24900	0,078293
9	119	100	11900	14161	10000	95,77849	0,042215
10	118	98	11564	13924	9604	94,64611	0,034223
11	120	99	11880	14400	9801	96,91086	0,021102
12	124	102	12648	15376	10404	101,4404	0,005487
13	129	105	13545	16641	11025	107,1022	0,020021
14	132	112	14784	17424	12544	110,4993	0,013399
Итого:	1629	1299	152293	190557	122267	1299,001	0,701866
Среднее значение:	116,3571	92,78571	10878,07	13611,21	8733,357	х	х
	8,4988	11,1431	х	х	х	х	х
	72,23	124,17	х	х	х	х	х

Среднее значение определим по формуле:

Cреднее квадратическое отклонение рассчитаем по формуле:

и занесём полученный результат в таблицу 1.

Возведя в квадрат полученное значение получим дисперсию:

Параметры уравнения можно определить также и по формулам:

Таким образом, уравнение регрессии:

Следовательно, с увеличением индекса розничных цен на продукты питания на 1, индекс промышленного производства увеличивается в среднем на 1,13.

Рассчитаем линейный коэффициент парной корреляции:

Связь прямая, достаточно тесная.

Определим коэффициент детерминации:

Вариация результата на 74,59% объясняется вариацией фактора х.

Подставляя в уравнение регрессии фактические значения х, определим теоретические (расчётные) значения .

Так как

,

следовательно, параметры уравнения определены правильно.

Рассчитаем среднюю ошибку аппроксимации – среднее отклонение расчётных значений от фактических:

В среднем расчётные значения отклоняются от фактических на 5,01%.

Оценку качества уравнения регрессии проведём с помощью F-теста.

F-тест состоит в проверке гипотезы Н₀ о статистической незначимости уравнения регрессии и показателя тесноты связи. Для этого выполняется сравнение фактического F_факт и критического (табличного) F_табл значений F-критерия Фишера.

F_факт определяется по формуле:

где n – число единиц совокупности;

m – число параметров при переменных х.

Таким образом, Н₀ – гипотеза о случайной природе оцениваемых характеристик отклоняется и признаётся их статистическая значимость и надёжность.

Полученные оценки уравнения регрессии позволяют использовать его для прогноза.

Если прогнозное значение индекса розничных цен на продукты питания х = 138, тогда прогнозное значение индекса промышленного производства составит:

2. Степенная регрессия имеет вид:

Для определения параметров производят логарифмиро­вание степенной функции:

Для определения параметров логарифмической функции строят систему нормальных уравнений по способу наи­меньших квадратов:

Построим таблицу расчётных данных, как показано в таблице 2.

Таблица 2 Расчетные данные для оценки степенной регрессии

№п/п	х	у	lg x	lg y	lg x*lg y	(lg x)2	(lg y)2
1	100	70	2,000000	1,845098	3,690196	4,000000	3,404387
2	105	79	2,021189	1,897627	3,835464	4,085206	3,600989
3	108	85	2,033424	1,929419	3,923326	4,134812	3,722657
4	113	84	2,053078	1,924279	3,950696	4,215131	3,702851
5	118	85	2,071882	1,929419	3,997528	4,292695	3,722657
6	118	85	2,071882	1,929419	3,997528	4,292695	3,722657
7	110	96	2,041393	1,982271	4,046594	4,167284	3,929399
8	115	99	2,060698	1,995635	4,112401	4,246476	3,982560
9	119	100	2,075547	2,000000	4,151094	4,307895	4,000000
10	118	98	2,071882	1,991226	4,125585	4,292695	3,964981
11	120	99	2,079181	1,995635	4,149287	4,322995	3,982560
12	124	102	2,093422	2,008600	4,204847	4,382414	4,034475
13	129	105	2,110590	2,021189	4,265901	4,454589	4,085206
14	132	112	2,120574	2,049218	4,345518	4,496834	4,199295
Итого	1629	1299	28,90474	27,49904	56,79597	59,69172	54,05467
Среднее значение	116,3571	92,78571	2,064624	1,964217	4,056855	4,263694	3,861048
	8,4988	11,1431	0,031945	0,053853	х	х	х
	72,23	124,17	0,001021	0,0029	х	х	х

Продолжение таблицы 2 Расчетные данные для оценки степенной регрессии

№п/п	х	у
1	100	70	74,16448	17,34292	0,059493	519,1886
2	105	79	79,62057	0,385112	0,007855	190,0458
3	108	85	82,95180	4,195133	0,024096	60,61728
4	113	84	88,59768	21,13866	0,054734	77,1887
5	118	85	94,35840	87,57961	0,110099	60,61728
6	118	85	94,35840	87,57961	0,110099	60,61728
7	110	96	85,19619	116,7223	0,11254	10,33166
8	115	99	90,88834	65,79901	0,081936	38,6174
9	119	100	95,52408	20,03384	0,044759	52,04598
10	118	98	94,35840	13,26127	0,037159	27,18882
11	120	99	96,69423	5,316563	0,023291	38,6174
12	124	102	101,4191	0,337467	0,005695	84,90314
13	129	105	107,4232	5,872099	0,023078	149,1889
14	132	112	111,0772	0,85163	0,00824	369,1889
Итого	1629	1299	1296,632	446,4152	0,703074	1738,357
Среднее значение	116,3571	92,78571	х	х	х	х
	8,4988	11,1431	х	х	х	х
	72,23	124,17	х	х	х	х

 Решая   систему   нормальных уравнений, определяем параметры логарифмической функции.

Получим линейное уравнение:

Выполнив его потенцирование, получим:

Подставляя в данное уравнение фактические значения х, получаем теоретические значения результата . По ним рассчитаем показатели: тесноты связи – индекс корреляции и среднюю ошибку аппроксимации.

Связь достаточно тесная.

В среднем расчётные значения отклоняются от фактических на 5,02%.

Таким образом, Н₀ – гипотеза о случайной природе оцениваемых характеристик отклоняется и признаётся их статистическая значимость и надёжность.

Полученные оценки уравнения регрессии позволяют использовать его для прогноза. Если прогнозное значение индекса розничных цен на продукты питания х = 138, тогда прогнозное значение индекса промышленного производства составит:

3. Уравнение равносторонней гиперболы

Для определения параметров этого уравнения используется система нормальных уравнений:

Произведем замену переменных

и получим следующую систему нормальных уравнений:

Решая систему нормальных уравнений, определяем параметры гиперболы.

Составим таблицу расчётных данных, как показано в таблице 3.

Таблица 3 Расчетные данные для оценки гиперболической зависимости

№п/п	х	у	z	yz
1	100	70	0,010000000	0,700000	0,0001000	4900
2	105	79	0,009523810	0,752381	0,0000907	6241
3	108	85	0,009259259	0,787037	0,0000857	7225
4	113	84	0,008849558	0,743363	0,0000783	7056
5	118	85	0,008474576	0,720339	0,0000718	7225
6	118	85	0,008474576	0,720339	0,0000718	7225
7	110	96	0,009090909	0,872727	0,0000826	9216
8	115	99	0,008695652	0,860870	0,0000756	9801
9	119	100	0,008403361	0,840336	0,0000706	10000
10	118	98	0,008474576	0,830508	0,0000718	9604
11	120	99	0,008333333	0,825000	0,0000694	9801
12	124	102	0,008064516	0,822581	0,0000650	10404
13	129	105	0,007751938	0,813953	0,0000601	11025
14	132	112	0,007575758	0,848485	0,0000574	12544
Итого:	1629	1299	0,120971823	11,13792	0,0010510	122267
Среднее значение:	116,3571	92,78571	0,008640844	0,795566	0,0000751	8733,357
	8,4988	11,1431	0,000640820	х	х	х
	72,23	124,17	0,000000411	х	х	х

Продолжение таблицы 3 Расчетные данные для оценки гиперболической зависимости

№п/п	х	у
1	100	70	72,3262	0,033231	5,411206	519,1886
2	105	79	79,49405	0,006254	0,244083	190,0458
3	108	85	83,47619	0,017927	2,322012	60,61728
4	113	84	89,64321	0,067181	31,84585	77,1887
5	118	85	95,28761	0,121031	105,8349	60,61728
6	118	85	95,28761	0,121031	105,8349	60,61728
7	110	96	86,01027	0,10406	99,79465	10,33166
8	115	99	91,95987	0,071112	49,56344	38,6174
9	119	100	96,35957	0,036404	13,25272	52,04598
10	118	98	95,28761	0,027677	7,357059	27,18882
11	120	99	97,41367	0,016024	2,516453	38,6174
12	124	102	101,46	0,005294	0,291565	84,90314
13	129	105	106,1651	0,011096	1,357478	149,1889
14	132	112	108,8171	0,028419	10,1311	369,1889
Итого:	1629	1299	1298,988	0,666742	435,7575	1738,357
Среднее значение:	116,3571	92,78571	х	х	х	х
	8,4988	11,1431	х	х	х	х
	72,23	124,17	х	х	х	х

Значения параметров регрессии a и b составили:

Получено уравнение:

Индекс корреляции:

Связь достаточно тесная.

В среднем расчётные значения отклоняются от фактических на 4,76%.

Таким образом, Н₀ – гипотеза о случайной природе оцениваемых характеристик отклоняется и признаётся их статистическая значимость и надёжность.

Полученные оценки уравнения регрессии позволяют использовать его для прогноза. Если прогнозное значение индекса розничных цен на продукты питания х = 138, тогда прогнозное значение индекса промышленного производства составит:

По уравнению равносторонней гиперболы получена наибольшая оценка тесноты связи по сравнению с линейной и степенной регрессиями. Средняя ошибка аппроксимации остаётся на допустимом уровне.