Порушення основних припущень лінійного регресійного аналізу

Міністерство освіти і науки України
Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара
МАГІСТЕРСЬКА РОБОТА
Порушення основних припущень лінійного регресійного аналізу
Виконавець:
студентка групи МС-08-1м
Черемісіна В.О.
«__»________2009р.
Керівник роботи:
__________________ «__»________2009р.
Рецензент:
__________________ «__»________2009р.
Дніпропетровськ 2009
Реферат
Магістерська робота містить 85 сторінок, 38 рисунків, 13 таблиць, 4 джерела.
Об’єктом дослідження є основні припущення лінійного регресійного аналізу.
Мета роботи – вивчення наслідків порушення основних припущень лінійного регресійного аналізу.
Методика дослідження – оцінювання параметрів лінійної регресії МНК-методом, перевірка статистичних гіпотез, побудова простої лінійної регресії та лінійної регресії з двома незалежними змінними.
Результати досліджень можуть бути використані при розв’язанні задач та при подальшому вивченні порушень припущень лінійного регресійного аналізу.
Перелік ключових слів: ПОРУШЕННЯ ПРИПУЩЕНЬ, ЛІНІЙНА РЕГРЕСІЯ, ЗАЛИШКИ, РОЗПОДІЛ, НЕКОРЕЛЬОВАНІСТЬ, ЗНАЧУЩІСТЬ, АДЕКВАТНІСТЬ.
ЗМІСТ
ВСТУП
РОЗДІЛ І Проста лінійна регресія
Постановка задачі
Метод найменших квадратів
Точність оцінки регресії
/>-критерій значущості регресії
Геометрична інтерпретація коефіцієнтів регресії
Довірчий інтервал для />. Стандартне відхилення кутового коефіцієнта />
Довірчий інтервал для />. Стандартне відхилення вільного члена
Довірча смуга для регресії
Повторні спостереження. Неадекватність і “чиста помилка”
Деякі відомості з математичної статистики
1.10.1 Критерій />(гіпотетичний розподіл визначений)
1.10.2.Критерій />(гіпотетичний розподіл невизначений)
1.10.3 Критерій Бартлетта
Аналіз залишків
Лінійна регресія з двома незалежними змінними
РОЗДІЛ ІІ Дослідження порушень основних припущень лінійного регресійного аналізу
„Ідеальна” модель лінійної регресії
Модель лінійної регресії, в якій дисперсія спостережень />величина змінна
Модель лінійної регресії, в якій спостереження />величини залежні
Модель лінійної регресії, в якій спостереження />рівномірно розподілені величини
Модель лінійної регресії, в якій спостереження />показниково розподілені величини
ВИСНОВКИ
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
ВСТУП
Нехай />– результат спостереження, який описується лінійною моделлю виду
/> (1)
де />– регресійна матриця розміру />, />,
/>– вектор невідомих параметрів,
/>– вектор похибок спостережень.
Припущення відносно вектора спостережень />позначатимемо />:
/>. (2)
Або, що те ж саме, припущення відносно вектора похибок />мають вигляд:
/> (3)–PAGE_BREAK–
Вихідні припущення (2) або (3) регресійного аналізу виконуються далеко не завжди. Виникає низка питань: як виявити порушення цих припущень? В яких випадках і які порушення можна вважати припустимими? Що робити, якщо порушення виявляються неприпустимими?
Метою роботи є вивчення наслідків порушення основних припущень (3) лінійного регресійного аналізу, а саме:
припущення про незміщеність похибок />;
припущення про однакову дисперсію і некорельованість похибок />;
припущення про нормальний розподіл похибок />;
припущення про незалежність спостережень />.
РОЗДІЛ І ПРОСТА ЛІНІЙНА РЕГРЕСІЯ
Постановка задачі
Нехай />– вибірка, утворена незалежними нормально розподіленими випадковими величинами з однією і тією ж дисперсією/>і середніми, про які відомо, що вони лінійно залежать від параметрів, тобто мають вигляд
/>, (1.1.1)
де/>– відомі невипадкові величини;/>– невідомі параметри.
Кожну з випадкових величин />можна подати у вигляді
/>, (1.1.2)
де />називають похибкою спостережень. Похибка />змінюється від спостереження до спостереження, />(/>) — незалежні випадкові величини. Відносно />будемо припускати, що
1) />
2) />,/>некорельовані при />
/>
(з незалежності />,/>випливає їх некорельованість)
3) />розподілені нормально з параметрами />.
Отже, нехай />– результати спостережень, які описуються моделлю виду
/> (1.1.3)
/>/>/>/>    продолжение
–PAGE_BREAK–
Параметри />невідомі, і їх необхідно оцінити за вибіркою />.
Для оцінки невідомих параметрів />використовують метод максимальної правдоподібності або метод найменших квадратів.
Метод найменших квадратів
Означення 1.2.1. МНК-оцінкою параметрів />будемо називати точку />, в якій функція
/> (1.2.1)
досягає найменшого значення.
Здиференцюємо />по />, а потім по />
/>
Прирівнюємо похідні нулеві:
/>
/>
/>/> (1.2.2)
/> (1.2.3)
Останню систему називають системою нормальних рівнянь. Із (1.2.2) маємо:
/> (1.2.4)
Підставляємо />в (1.2.3):
/>
/> (1.2.5)
Оскільки
/>
і, крім того,
/>
то (1.2.5) запишеться у вигляді
/>
Тоді рівняння простої лінійної регресії має вигляд
/>
Перевіримо, що в точці />функція />дійсно досягає мінімуму.
Візьмемо другі похідні:
/>
Складаємо дискримінант:
/>
Отже, />і />. Тоді в точці />функція />досягає мінімального значення.
Зауваження 1. Якщо в рівнянні регресії
/>    продолжение
–PAGE_BREAK–
обрати />, то />. Це означає, що точка />лежить на підібраній прямій.
Зауваження 2. Сума всіх залишків />дорівнює нулю, дійсно,
/>в кожній точці.
/>
/>
Точність оцінки регресії
Тепер розглянемо питання про те, яка точність може бути приписана лінії регресії, коефіцієнти якої були оцінені. Розглянемо таку тотожність:
/>
/> (1.3.1)
Розглянемо доданок
/>
Підставляємо останнє в (1.3.1):
/>
Звідки
/> (1.3.2)
Означення 1.3.1. Величина />– це відхилення />-го спостереження від загального середнього, тому суму />називають сумою квадратів відхилень відносно середнього значення.
Означення 1.3.2. Величина />– це відхилення />-го спостереження від його передбаченого значення, тому суму />називають сумою квадратів відхилень відносно регресії.
Означення 1.3.3. Величина />– це відхилення />-го передбаченого значення від загального середнього, тому суму />називають сумою квадратів, обумовленою регресією.
Тоді (1.3.2) можна переписати в еквівалентній формі
/>/>/>/>/>/>сума квадратів сума квадратів сума квадратів
/> = />+ />
відносно обумовлена відносно (1.3.3)
середнього регресією регресії
З останнього випливає, що розсіювання />відносно />можна приписати у деякій мірі тому факту, що не всі спостереження знаходяться на лінії регресії.
Якщо це було б не так, то />відносно регресії дорівнювала б нулю
/>
З цих міркувань зрозуміло, що придатність лінії регресії />з метою прогнозування залежить від того, яка частина суму квадратів відносно середнього приходиться на суму квадратів, обумовлену регресією, і яка на суму квадратів відносно регресії.    продолжение
–PAGE_BREAK–
Задовільним вважається випадок, коли сума квадратів, обумовлена регресією, буде набагато більша, ніж сума квадратів відносно регресії.
Кожна сума квадратів пов’язана з числом, яке називають її ступенем вільності.
Число ступенів вільності – це число незалежних елементів, які складаються з />незалежних чисел />, необхідних для утворення даної суми квадратів.
Розглянемо суму квадратів відхилень відносно середнього значення />.
Серед величин />незалежними є тільки />величина, оскільки останній елемент знаходиться як лінійна комбінація інших
/>
Число ступенів вільності цієї суми квадратів дорівнює />.
Розглянемо суму квадратів, обумовлену регресією />.
Єдиною функцією від />є оцінка />, оскільки, />. Тому число ступенів вільності цієї суми квадратів дорівнює />.
Число ступенів вільності суми квадратів />дорівнює />.
Отже, згідно з (1.3.3) ми можемо розкласти ступені вільності суми квадратів так:
/> (1.3.4)
За допомогою (1.3.3) та (1.3.4), побудуємо таблицю дисперсійного аналізу.
Таблиця 1.3.1. Таблиця дисперсійного аналізу
Джерело варіації
Сума квадратів
/>
Число ступенів вільності
/>
Середній квадрат
/>
Обумовлена регресією
/>
/>
/>
Відносно регресії
/>
/>
/>
Відносно середнього
/>
/>

/>-критерій значущості регресії
/>-критерій. Якщо гіпотезу />відхиляти при
/> (1.4.1)
і не відхиляти в супротивному разі, то з імовірністю />гіпотеза />відхиляється, коли вона справедлива.    продолжение
–PAGE_BREAK–
Якщо гіпотеза />відхиляється, то регресія значуща, тобто між змінними />та />існує лінійна залежність.
Якщо ж гіпотеза />не відхиляється, то регресія незначуща, між змінними />та />лінійної залежності немає.
На практиці для перевірки гіпотези />також можна використовувати />-критерій, який еквівалентний />-критерію, оскільки
/>
А
/>
/>-критерій. Якщо гіпотезу />відхиляти при
/> (1.4.2)
і не відхиляти в супротивному разі, то з імовірністю />гіпотеза />відхиляється, коли вона справедлива.
Геометрична інтерпретація коефіцієнтів регресії
Коефіцієнт />визначає точку перетину прямої регресії з віссю ординат, а коефіцієнт />характеризує нахил прямої регресії до вісі абсцис.
/>

/>/>/>
/>/>/>/>/>/>
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
/>1 />/>
Нехай/>– кут, утворений прямою регресії з віссю абсцис, тоді
/>
Отже, />– це міра залежності />від />.
Згідно з />оцінка/>показує на скільки змінюється />при зміні />на одиницю. Знак />визначає напрям цієї зміни.    продолжение
–PAGE_BREAK–
Оцінки параметрів регресії />не безрозмірні величини. Оцінка/>має розмірність змінної />, а оцінка />має розмірність, яка дорівнює відношенню розмірності />до розмірності />.
1.6 Довірчий інтервал для />. Стандартне відхилення кутового коефіцієнта />
Введемо основні припущення (постулати) про те, що в лінійній моделі
/>
Похибка />– випадкова величина з середнім />і невідомою дисперсією />.
Похибки/>некорельовані при />, тобто
/>
Тому
/>
/>
/>
3. />некорельовані при />, тобто
/>
Похибка/>нормально розподілена з параметрами />, отже, />стають не тільки некорельованими, але й незалежними.
В підрозділі 1.2 за допомогою МНК-метода знайдено оцінку параметра />:
/>
Перепишемо цю оцінку у вигляді
/>
Далі розглянемо функцію
/>
Порахуємо дисперсію цієї функції
/>,
Якщо />– попарно некорельовані (/>), />– константи, крім того, />, отже,    продолжение
–PAGE_BREAK–
/>
У виразі для />константи />, оскільки />можна розглядати як величини.
Отже, дисперсія оцінки />дорівнює
/> (1.6.1)
Стандартне відхилення оцінки />– це корінь квадратний з дисперсії
/> (1.6.2)
Оскільки />невідома, то заміть неї використовується оцінка />, припускаючи, що модель коректна.
Нагадаємо, що середній квадрат />дорівнює
/>
Тоді оцінка стандартного відхилення />дорівнює
/> (1.6.3)
Перепишемо її у вигляді
/>
Якщо розсіювання спостережень відносно лінії регресії нормальне, тобто, всі похибки />розподілені нормально з параметрами />, то />%-вий довірчий інтервал для параметра />має вигляд
/> (1.6.4)
і містить невідомий параметр з імовірністю />.
З іншого боку, якшо це доцільно, то ми можемо перевірити гіпотезу />(/>– const) проти альтернативи />.
/>-критерій. Якщо гіпотезу />відхиляти при
/> (1.6.5)
і не відхиляти в супротивному разі, то з імовірністю />гіпотеза />відхиляється, коли вона справедлива.
Після того, як ми знайшли довірчий інтервал для />, немає необхідності знаходити величину />для перевірки гіпотези за допомогою t-критерію. Дійсно, досить дослідити довірчий інтервал для />і подивитись, чи містить він значення />. Якщо довірчий інтервал містить />, то гіпотеза />не відхиляється, і відхиляється у супротивному разі.    продолжение
–PAGE_BREAK–
Отже, гіпотеза />відхиляється, якщо
/>
/>,
/>,
тобто />лежить за межами, які відповідають (1.6.4).
1.7 Довірчий інтервал для />. Стандартне відхилення вільного члена
В підрозділі 1.2 за допомогою МНК-метода знайдено оцінку параметра />
/>
Порахуємо дисперсію оцінки />:
/>
/>/>(1.7.1)
Тоді стандартне відхилення оцінки />дорівнює:
/> (1.7.2)
Оскільки дисперсія />невідома, то замість неї використовується оцінка />, припускаючи, що модель коректна
/> (1.7.3)
/>%-ий довірчий інтервал для параметра />має вигляд
/>
і містить невідомий параметр з імовірністю />.
/>-критерій. Якщо гіпотезу />(/>– const) відхиляти при
/>
і не відхиляти в супротивному разі, то з імовірністю />гіпотеза />відхиляється, коли вона справедлива.
Перевірити гіпотезу />можна й за допомогою довірчого інтервалу для />.
Необхідно записати довірчий інтервал для />і подивитись, чи містить він значення />. Якщо довірчий інтервал містить />, то />не відхиляється, і відхиляється у супротивному разі.
Довірча смуга для регресії    продолжение
–PAGE_BREAK–
Спочатку розглянемо лінійні комбінації
/>, де />– const, />
/>, де />– const, />
В припущеннях некорельованості />при />(/>при />) />, обчислимо />.
/>
В підрозділі 1.2 було знайдено рівняння простої лінійної регресії:
/>.
Нехай />, тоді />, звідси />.
А />, тоді />, звідси />.
Отже,
/>
тобто />і />некорельовані випадкові величини.
Порахуємо дисперсію />(або />при заданому />).
/> (1.8.1)
Стандартне відхилення оцінки />при заданому />є
/> (1.8.2)
Оскільки />невідома, то замість неї використовують оцінку />, припускаючи, що модель коректна.
Оцінка стандартного відхилення має вигляд:    продолжение
–PAGE_BREAK–
/> (1.8.3)
Ця величина досягає мінімального значення, коли />, і зростає при віддаленні />від />в будь-якому напрямі.
/>%-ві довірчі інтервали для регресії мають вигляд:
/>
або, що те ж саме,
/>Чим більша різниця між />та />, тим більше відхилення між />та />(довжина довірчого інтервалу). Останнє означає, що точність прогнозу різна в різних точках />.
Дві криві по обидві сторони від лінії регресії визначають />%-ві довірчі границі й показують, як змінюються границі в залежності від зміни />. Ці криві – гіперболи.
Для того, щоб одержати ці криві, необхідно з’єднати неперервною лінією всі значення />при всіх />(нижня гіпербола) та />при всіх />(верхня гіпербола).
Повторні спостереження. Неадекватність і “чиста” помилка
Побудована лінія регресії – це розрахункова лінія, яка базується на деякій моделі або припущеннях. Але припущення потрібно розглядати як попередні. При деяких обставинах (умовах) можна перевірити, чи коректна (адекватна) побудована модель.
Розглянемо випадок, коли в даних містяться повторні спостереження. Введемо додаткові позначення для множини спостережень при одному й тому ж значенні />.
Нехай
/>– />спостережень при />,
/>– />спостережень при />,
… .
/>– />спостережень при />,
при цьому />.
Якщо спостереження повторюються (два рази або більше) при однакових значеннях />, то ми можемо використати ці повторення для знаходження оцінки для дисперсії />. Про таку оцінку говорять, що вона представляє “чисту помилку”, оскільки, якщо />однакові, наприклад, для двох спостережень, то тільки випадкові варіації можуть впливати на результати />і створювати розсіювання між ними. Такі відмінності, як правило, забезпечують одержання надійної оцінки для />. Тому при плануванні експериментів має сенс ставити експерименти з повтореннями.    продолжение
–PAGE_BREAK–
Оцінка величини />, пов’язана з“чистою помилкою”, знаходиться так.
Сума квадратів, пов’язана з“чистою помилкою”при />дорівнює
/>, де />
Число ступенів вільності цієї суми />.
Сума квадратів, пов’язана з“чистою помилкою”при />дорівнює
/>, де />
Число ступенів вільності цієї суми />і т. д.
Загальна сума квадратів, пов’язана з“чистою помилкою”дорівнює
/>з загальним числом ступенів вільності
/>
Звідси середній квадрат для “чистої помилки”дорівнює
/> (1.9.1)
і є оцінкою для />.
Покажемо, що сума квадратів, пов’язана з “чистою помилкою”, є частиною суми квадратів залишків (суми квадратів відносно регресії).
Залишок для />-того спостереження при />можна записати у вигляді:
/>
Піднесемо праву та ліву частини рівності до квадрату.
/>
Візьмемо суму по кожному з індексів />та />.
/> (1.9.2)
при цьому />.
Суму (1.9.2) можна записати так
/>/>/>/>/>/>Сума Сума квадратів Сума
квадратів = “чистих + квадратів (1.9.3.)
залишків помилок” неадекватності
Число ступенів вільності:
/>
Отже, суму квадратів “чистих помилок”можна ввести в таблицю дисперсійного аналізу.
Таблиця 1.9.1. Таблиця дисперсійного аналізу
Джерело варіації
Число
ступенів    продолжение
–PAGE_BREAK–
вільності
Сума квадратів
/>
Середній квадрат
/>
Статистика
/>
Відносно середнього
/>
/>

/>

Обумовлена регресією
/>
/>
/>
/>
Відносно регресії
/>
/>
/>

Неадекватність
/>
/>
/>
/>
„Чиста помилка”
/>
/>
/>

Критерій для перевірки адекватності моделі регресії можна сформулювати так.
Якщо
/> (1.9.4)
то відношення є значущим (лінійна модель неадекватна), при цьому, чим обумовлена неадекватність можна вивчити, дослідивши залишки; в супротивному випадку:
/> (1.9.5)
відношення є незначущим (лінійна модель адекватна), при цьому як />, так і />можна використовувати як оцінки для />.
Об’єднана оцінка для />може бути знайдена з суми квадратів “чистої помилки” і суми квадратів “неадекватністі” шляхом їх об’єднання у суму квадратів залишків і поділу її на число ступенів вільності />.
Якщо виявлено неадекватність моделі, то необхідно будувати іншу модель (нелінійну).
Деякі відомості з математичної статистики
1.10.1 Критерій />(гіпотетичний розподіл визначений)
Постановка задачі. Нехай />– реалізація вибірки з невідомого розподілу />, відносно якого висувається гіпотеза />, де />належить заданому класу розподілів (зокрема, />може бути повністю визначеним розподілом). Гіпотезу />можна сформулювати і так: />є вибіркою з розподілу />із заданими властивостями.    продолжение
–PAGE_BREAK–
Необхідно за реалізацією вибірки />дійти висновку: відхиляти гіпотезу />чи ні.
Відхилення емпіричного розподілу від гіпотетичного. Незалежно від того, справджується гіпотеза />чи ні, емпіричний розподіл />, побудований за вибіркою />з />, а саме, для кожного фіксованого />значення емпіричної функції розподілу />є незміщеною і спроможною оцінкою />. Тому, якщо ввести відхилення />емпіричного />розподілу від гіпотетичного />, причому так, щоб воно набирало малих значень, коли гіпотеза />справджується, і великих, коли гіпотеза />не справджується (а це видається цілком можливим, оскільки />мало відрізняється від />), то гіпотезу />природно відхиляти або не відхиляти залежно від того, якого значення набрало відхилення />— великого чи малого.
Відхилення Пірсона емпіричного розподілу />від гіпотетичного />. Відхилення між двома розподілами: />— емпіричним, побудованим за вибіркою />, і />– гіпотетичним, заданими на множині />вибіркових значень />(на вибірковому просторі), можна будувати різними способами. Далі описано відхилення />від />, запропоноване Пірсоном. Воно будується так. Ділимо />на скінчене число />неперетинних множин />:
/>.
І як відхилення />від />розглядаємо    продолжение
–PAGE_BREAK–
/> (1.10.1.1)
де />— імовірність того, що вибіркове значення />потрапить до множини />, обчислена за гіпотетичним розподілом />(тобто />)); />– імовірність вибірковому значенню потрапити до множини />, обчислена за емпіричним розподілом />; чисельно ця ймовірність дорівнює частоті вибірковому значенню потрапити до множини />, знайденій за вибіркою />(/>– кількість вибіркових значень з />, що потрапили до />).
Далі, якщо />, то />є ймовірність вибірковому значенню потрапити до />, обчислена за розподілом />, з якого добуто вибірку />, а тому для кожного />частоти />вибіркового значення потрапити до />є незміщеними і спроможними оцінками ймовірностей />. І отже, відхилення />є малим порівняно з відхиленням />від />, обчисленими за розподілом />, відмінним від />. А разом із ними малим є відхилення />порівняно з відхиленням />, коли розподіл />відмінний від />(більш того, />– мінімально можливе відхилення).
Таким чином, для перевірки гіпотези />: />є вибірка з розподілу />, обчислюємо відхилення />. Якщо при цьому />набрало малого значення, то гіпотезу />не відхиляємо, у супротивному разі – відхиляємо.    продолжение
–PAGE_BREAK–
Межі, що відокремлюють великі значення відхилення />від малих, установлюються на підставі того факту, що для вибірки />з розподілу />при великих />розподіл />(розподіл мінімально можливого відхилення) мало відрізняється від розподілу />з />ступенями вільності.
Критерій />(гіпотетичний розподіл не залежить від невідомих параметрів). Нехай />– вибірка із розподілу />і />– верхня α-межа />— розподілу з />ступенями вільності.
Якщо гіпотезу />: />є вибірка з розподілу />відхиляти при
/>(1.10.1.2)
і не відхиляти в супротивному разі, то з імовірністю α гіпотеза />буде відхилятися, коли вона справджується.
1.10.2 Критерій />(гіпотетичний розподіл невизначений)
Нехай />– вибірка з невідомого розподілу />, стосовно якого висувається гіпотеза
/>.
Розподіл />залежить від параметрів />, які невідомо, причому єдиним джерелом інформації про значення цих параметрів є вибірка />. Іншими словами, гіпотеза />полягає в тому, що />є вибіркою із розподілу, який належить до класу розподілів />.
Необхідно за реалізацією вибірки />дійти висновку: відхиляти гіпотезу />чи ні.
Природно діяти так. Визнаємо за значення невідомих параметрів />їхні оцінки />, знайдені за вибіркою />, і, отже, за гіпотетичний приймемо розподіл />. Відхилення />будуємо так само, як і раніше:    продолжение
–PAGE_BREAK–
/> (1.10.2.1)
де />– імовірність того, що вибіркове значення потрапить до множини />, обчислена за гіпотетичним розподілом. Фішер встановив, що коли гіпотеза />справджується і оцінки />знайдено за методом максимальної правдоподібності, то розподіл відхилення />між />і />, коли />, збігається до розподілу />з />ступенями вільності, де />– кількість параметрів, оцінених за вибіркою />.
Таким чином, коли параметри оцінюються за вибіркою методом максимальної правдоподібності, можна користуватися критерієм />у такому формулюванні.
Якщо гіпотезу />відхиляти при
/> (1.10.2.2)
і не відхиляти в супротивному разі, то з імовірністю α гіпотеза />буде відхилятися, коли вона справджується.
Критерій Бартлетта
Доволі поширеним є випадок, в якому вважається відомим, що дисперсії похибок />всередині певних груп рівні. Припустимо, що ми хочемо перевірити гіпотезу />. Тоді, якщо маємо />взаємно незалежних статистик />(/>– число ступенів вільності />), то можна перевірити гіпотезу />, використовуючи критерій Бартлетта.
Цей критерій вимагає обчислення статистики
/>,
де
/>
і
/>.
Якщо гіпотеза />справедлива, то статистика />розподілена приблизно як />, причому така апроксимація виявляється задовільною і при досить малих вибірках (/>). На жаль, цей критерій надто чутливий до будь-якого відхилення від нормальності величин, що складають кожне />. Значимість статистики />може вказувати не на відсутність однорідності дисперсії, а просто на відхилення від нормальності.    продолжение
–PAGE_BREAK–
1.11 Аналіз залишків
Електронні обчислювальні машини дають нам можливість обчислення відхилень кожного серед значень />, що спостерігались, від апроксимуючої регресії />. Ці різниці називаються залишками і позначаються символами
/>,
Критерій Дарбіна-Уотсона.
Нехай нам треба підібрати постульовану лінійну модель
/> (1.11.1)
методом найменших квадратів за спостереженнями />. Зазвичайми повинні припускати, що похибки />– незалежні випадкові величини з розподілом />, тобто всі серіальні кореляції />. За допомогою критерію Дарбіна-Уотсона можна перевірити гіпотезу />про те, що всі />проти альтернативної гіпотези />: залишки пов’язані корельовано лінійною залежністю
/>,
де />.
Для перевірки гіпотези />проти альтернативи />будуємо модель за рівнянням (1.15.1) і знаходимо набір залишків />. Тепер можна побудувати статистику
/> (1.11.2)
і визначити на її основі, чи можна відхиляти гіпотезу />.
Критичні точки статистики Дарбіна-Уотсона табульовані.
Знаходимо верхню />і нижню />границі (вони залежать від числа />в моделі і кількості спостережень />).
Якщо />, то залишки додатньо автокорельовані.
Якщо />, то залишки некорельовані.
Якщо />, то залишки від’ємно корельовані.
Якщо />або />, то необхідно збільшити кількість спостережень.
1.12 Лінійна множинна регресія з двома незалежними змінними
Нехай />– результати спостережень, які описуються моделлю:    продолжение
–PAGE_BREAK–
/> (1.12.1)
Основні припущення мають вигляд:
/>/>/>
Значення змінних />відомійці змінні незалежні. Необхідно знайти оцінки невідомих параметрів />.
Використаємо МНК-метод:
/>/>
Отримаємо систему нормальних рівнянь для моделі (1.12.1). Ця система включаєсистему нормальних рівнянь простої лінійної регресії.
/> (1.12.2)
/>
/>
/>знаходяться з першого та другого рівнянь останньої системи.
/>
Отримали рівняння регресії:
/>
Матричний спосіб знаходження />.
/>
/>/>;/>;/>;/>;
/>–транспонована матриця.
/>
Систему (1.12.2) перепишемо у вигляді:
/>
Або в матричному виді:
/>
Домножимо праву та ліву частини на />.
/>
Звідси
/>.
Або, що те ж саме,
/>.
У множинній лінійній регресії на значущість треба перевіряти всю регресію, а також окремі коефіцієнти регресії. В першому випадку використовується загальний />-критерій, а у другому – частинний />-критерій.
Загальний />-критерій.
Для перевірки гіпотези />використовується />-критерій, в якому
Загальна сума квадратів
/>,
де />
Сума квадратів залишків
/>    продолжение
–PAGE_BREAK–
Сума квадратів, обумовлена регресією
/>
Джерело варіації
SS
df
MS
F
Регресія />
/>
2
/>
/>
Залишки
/>
/>
/>

Загальна
/>
/>

/>-критерій перевірки значущості.
Гіпотеза />відхиляється, якщо
/>, (1.12.3)
і в цьому випадку кажуть, що регресія значуща; і не відхиляється в супротивному разі (регресія незначуща).
Частинний />-критерій.
Розглянемо 3 моделі:
/>.
/>– МНК-оцінки параметрів />.
/>; />.
/>.
/>– МНК-оцінки параметрів />, які не збігаються з оцінками моделі 1.
/>; />.
/>.
/>– МНК-оцінки параметрів />, які не збігаються з оцінками моделей 1, 2.
/>; />.
Означення 1. Величину />називають додатковою сумою квадратів, обумовленою включенням в модель 2 члена />
/>; />.
Означення 2. Величину />називають додатковою сумою квадратів, обумовленою включенням в модель 3 члена />    продолжение
–PAGE_BREAK–
/>; />.
Оскільки
/>,/>,
де />– число ступенів вільності, що відповідають середній сумі квадратів />:
/>,
ми можемо записати 2 частинні />-критерії.
Гіпотеза />(при умові, що />включено в модель) відхиляється, якщо:
/>/>,
і не відхиляється в супротивному разі.
Якщо гіпотеза />відхиляється, то коефіцієнт />є значущим, і його необхідно включити в модель.
Якщо гіпотеза />не відхиляється, то включення коефіцієнта />в модель не підвищує значущості регресії, і рівняння можна залишити у вигляді
/>.
Гіпотеза />(при умові, що />включено в модель) відхиляється, якщо:
/>/>,
і не відхиляється в супротивному разі.
Якщо гіпотеза />відхиляється, то коефіцієнт />є значущим, і його необхідно включити в модель.
Якщо гіпотеза />не відхиляється, то включення коефіцієнта />в модель не підвищує значущості регресії, і рівняння можна залишити у вигляді
/>.
РОЗДІЛ ІІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПОРУШЕНЬ ОСНОВНИХ ПРИПУЩЕНЬ ЛІНІЙНОГО РЕГРЕСІЙНОГО АНАЛІЗУ
2.1 „Ідеальна” модель лінійної регресії
Нехай />– незалежні нормально розподілені випадкові величини з однаковою дисперсією />та середніми />, лінійними за параметрами />, де />– невідомі параметри, />– відомі невипадкові величини. Кожну випадкову величину />можна подати у вигляді />, де />– похибки спостережень, і вони змінюються від спостереження до спостереження. Відносно похибок />висуваються припущення:    продолжение
–PAGE_BREAK–
/>, – незалежні випадкові величини;
/>.
За спостереженнями />, які описуються моделлю
/> (2.1.1)
необхідно оцінити невідомі параметри />.
Означення 2.1.1. «Ідеальною» моделлю лінійної регресії з двома незалежними змінними називатимемо модель виду
/> (2.1.2)
«Ідеальна» модель лінійної регресії – це модель (2.1.1) з коефіцієнтами />.
Означення 2.1.2. «Ідеальною» моделлю простої лінійної регресії називатимемо модель виду
/> (2.1.3)
«Ідеальна» модель простої лінійної регресії – це модель (2.1.1) з коефіцієнтами />та змінною />.
Стохастичний експеримент. Проведемо стохастичний експеримент, який полягає в моделюванні вибірок />з нормальних розподілів з параметрами />відповідно, де />а середні />обирались так.
Квадрат />розіб’ємо на 16 однакових квадратів розміром />. В кожному з них оберемо 4 точки, які виступають вершинами квадратів розміром />. Ці 64 вершини квадратів і обрані за значення, які набувають невипадкові змінні />.
Рис. 2.1.1. Вибір значень />, які набувають невипадкові змінні />
«Ідеальна» модель простої лінійної регресії. Знайдемо МНК – оцінки параметрів />та перевіримо гіпотези про адекватність та значущість лінійної моделі регресії. Також з’ясуємо, чи виконуються припущення />в „ідеальній” моделі.
Результати стохастичного експерименту, за умов, що змінна />, наведено на рисунку 2.1.2.
/>Рис. 2.1.2. „Ідеальна” модель простої лінійної регресії
Результати перевірки адекватності та значущості „ідеальної” моделі простої лінійної регресії наведено в таблиці 2.1.1.
Таблиця 2.1.1. Результати перевірки адекватності та значущості „ідеальної” моделі простої лінійної регресії
Джерело варіації
SS
df
MS
F
Обумовлена регресією
111167
1
111167
1411,53
Відносно регресії
50246,7
638
78,8

Відносно середнього
161413,7
639

Неадекватність
828,5
6
138,1
1,77
«Чиста помилка»
49418,2
632
78,2

F1 = 1,77     продолжение
–PAGE_BREAK–
F2 = 1411,53 > 3,86= F0,05;1;638, „ідеальна” модель />значуща.
Перевіримо гіпотези />за допомогою критерію Стьюдента.
Якщо />, то гіпотеза />відхиляється, і не відхиляється у супротивному випадку.
Якщо />, то гіпотеза />відхиляється, і не відхиляється у супротивному випадку.
|t1| = 1,46 не відхиляється.
|t2| = 1 не відхиляється.
Перевіримо припущення про некорельованість залишків />за допомогою критерію Дарбіна-Уотсона. Статистика критерію
/>.
Оскільки />, то залишки />„ідеальної” моделі некорельовані.
/>
/>
Рис. 2.1.3. Графік залишків – смуга постійної ширини
Гіпотезу про нормальний розподіл залишків />перевіримо за допомогою критерію/>.
/>
Рис.2.1.4. Нормальний розподіл залишків />
Статистика/>, тому залишки можна вважати нормально розподіленими з параметрами />.
Статистика Бартлетта />, тому дисперсія залишків />постійна.
Отже,
„ідеальна” модель адекватна;
регресія />значуща (гіпотеза />не відхиляється; гіпотеза />відхиляється, а гіпотеза />не відхиляється);
залишки />/>, „ідеальної” моделі некорельовані;
залишки />„ідеальної” моделі нормально розподілені випадкові величини з параметрами />;
дисперсія залишків />„ідеальної” моделі величина постійна.
«Ідеальна» модель лінійної регресії з двома незалежними змінними. Знайдемо МНК – оцінки параметрів />та перевіримо гіпотези про адекватність та значущість лінійної моделі регресії. Також з’ясуємо, чи виконуються припущення />в „ідеальній” моделі.
Результати стохастичного експерименту, за умов, що незалежні змінні />обрані згідно з рис. 2.1.1, наведено на рисунку 2.1.5.
/>Рис. 2.1.5. „Ідеальна” модель лінійної регресії з двома незалежними змінними
Результати перевірки адекватності та значущості „ідеальної” моделі лінійної регресії наведено в таблиці 2.1.2.
Таблиця 2.1.2. Результати перевірки адекватності та значущості „ідеальної” моделі лінійної регресії
Джерело варіації
SS
df
MS
F
Обумовлена регресією
232687,1
2
116343,5
1399,4
Відносно регресії
52960,7
637
83,1

Відносно середнього
285647,7
639

Неадекватність
3965,6
61
65
0,76
«Чиста помилка»
48995,1
576
85,1

F1 = 0,76
F2 = 1399,4 > 3,01= F0,05;2;637, регресія />значуща.
Перевіримо гіпотези />за допомогою критерію Стьюдента.
Якщо />, то гіпотеза />відхиляється, і не відхиляється у супротивному випадку.    продолжение
–PAGE_BREAK–
Якщо />, то гіпотеза />відхиляється, і не відхиляється у супротивному випадку.
Якщо />, то гіпотеза />відхиляється, і не відхиляється у супротивному випадку.
|t1| = 0,04не відхиляється.
|t2| = 0,3 не відхиляється.
|t3| = 0,7 не відхиляється.
Перевіримо припущення про некорельованість залишків />за допомогою критерію Дарбіна-Уотсона. Статистика критерію
/>.
Оскільки />, то залишки />„ідеальної” моделі некорельовані.
/>
/>
Рис. 2.1.6. Графік залишків – смуга постійної ширини
Гіпотезу про нормальний розподіл залишків />перевіримо за допомогою критерію/>.
/>
Рис.2.1.6. Нормальний розподіл залишків />
Статистика/>, тому залишки можна вважати нормально розподіленими з параметрами />.
Статистика Бартлетта />, тому дисперсія залишків />постійна.
Отже,
„ідеальна” модель адекватна;
регресія />значуща (гіпотеза />не відхиляється; гіпотеза />відхиляється, гіпотеза />не відхиляється, гіпотеза />не відхиляється);
залишки />/>, „ідеальної” моделі некорельовані;
залишки />„ідеальної” моделі нормально розподілені випадкові величини з параметрами/>;
дисперсія залишків />„ідеальної” моделі величина постійна.
2.2 Модель лінійної регресії, в якій дисперсія спостережень />величина змінна
Нехай />– незалежні нормально розподілені випадкові величини з середніми />, лінійними за параметрами />та дисперсією />, що змінюється від спостереження до спостереження.
Параметри />невідомі, />– відомі невипадкові величини.
За спостереженнями />, які описуються моделлю
/>, (2.2.1)
необхідно оцінити невідомі параметри />, перевірити адекватність лінійної моделі (2.2.1), значущість лінійної регресії />, а також з’ясувати, чи виконуються основні припущення />лінійного регресійного аналізу.
Стохастичний експеримент. Проведемо стохастичний експеримент, який полягає в моделюванні вибірок з нормальних розподілів з середніми, що дорівнюють сумі координат точок квадрата, і змінними дисперсіями:
/>
Проста лінійна регресія. Знайдемо МНК – оцінки параметрів />та перевіримо гіпотези про адекватність та значущість лінійної моделі регресії. Також з’ясуємо, чи виконуються припущення />в цій моделі.
Результати стохастичного експерименту, за умов, що змінна />, наведено на рисунку 2.2.1.
/>Рис. 2.2.1. Модель простої лінійної регресії, в якій дисперсія спостережень />величина змінна
Результати перевірки адекватності та значущості цієї моделі простої лінійної регресії наведено в таблиці 2.2.1.
Таблиця 2.2.1. Результати перевірки адекватності та значущості моделі простої лінійної регресії, в якій дисперсія спостережень />величина змінна
Джерело варіації
SS
df
MS
F
Обумовлена регресією
124615,2
1
124615,2
166,26
Відносно регресії    продолжение
–PAGE_BREAK–
478200,8
638
749,5

Відносно середнього
602816
639

Неадекватність
3025,8
6
504,3
0,67
«Чиста помилка»
475175
632
751,9
 
F1 = 0,67
F2 = 166,26 > 3,86 = F0,05;1;638, регресія />значуща.
|t1| = 0,04 не відхиляється.
|t2| = 0,38 не відхиляється.
Перевіримо припущення про некорельованість залишків />за допомогою критерію Дарбіна-Уотсона. Статистика критерію />. Оскільки />, то залишки />цієї моделі некорельовані.
/>
/>
Рис. 2.2.2. Графік залишків – дисперсія змінюється
Гіпотезу про нормальний розподіл залишків />перевіримо за допомогою критерію/>.
/>
Рис.2.2.3. Нормальний розподіл залишків />
Статистика />, тому залишки />не можна вважати нормально розподіленими.
Статистика Бартлетта />, тому дисперсія залишків />змінна величина.
Отже,
лінійна модель адекватна;
регресія />значуща (гіпотеза />не відхиляється; гіпотеза />відхиляється, а гіпотеза />не відхиляється);
залишки />/>некорельовані;
залишки />не можна вважати нормально розподіленими;
дисперсія залишків />змінна величина.
Лінійна регресія з двома незалежними змінними. Знайдемо МНК – оцінки параметрів />та перевіримо гіпотези про адекватність та значущість лінійної моделі регресії. Також з’ясуємо, чи виконуються припущення />в цій моделі.
Результати стохастичного експерименту, за умов, що незалежні змінні />обрані згідно з рис. 2.1.1, наведено на рисунку 2.2.4.
/>Рис. 2.2.4. Модель лінійної регресії, в якій дисперсія спостережень />величина змінна
Результати перевірки адекватності та значущості цієї моделі лінійної регресії наведено в таблиці 2.2.2.
Таблиця 2.2.2. Результати перевірки адекватності та значущості моделі лінійної регресії, в якій дисперсія спостережень />величина змінна
Джерело варіації
SS
df
MS
F
Обумовлена регресією
209188,2
2
104594,1
132,29
Відносно регресії
503614,7
637
790,6

Відносно середнього
712802,9
639

Неадекватність
32906,7
61
539,5
0,66
«Чиста помилка»
470708,0
576
817,2
 
F1 = 0,66     продолжение
–PAGE_BREAK–
F2 = 132,29 > 3,01= F0,05;2;637, регресія />значуща.
|t1| = 1,09 не відхиляється.
|t2| = 1,88 не відхиляється.
|t3| = 0,38 не відхиляється.
Перевіримо припущення про некорельованість залишків />за допомогою критерію Дарбіна-Уотсона. Статистика критерію />. Оскільки />, то залишки />цієї моделі некорельовані.
/>
/>
Рис. 2.2.5. Графік залишків – смуга постійної ширини
Гіпотезу про нормальний розподіл залишків />перевіримо за допомогою критерію/>.
/>
Рис. 2.2.6. Нормальний розподіл залишків />
Статистика />, тому залишки />не можна вважати нормально розподіленими.
Статистика Бартлетта />, тому дисперсія залишків />змінна величина.
Отже,
лінійна модель адекватна;
регресія />значуща (гіпотеза />не відхиляється; гіпотеза />відхиляється, гіпотеза />не відхиляється, гіпотеза />не відхиляється);
залишки />/>некорельовані;
залишки />не можна вважати нормально розподіленими;
дисперсія залишків />змінна величина.
2.3 Модель лінійної регресії, в якій спостереження />величини залежні
Нехай />– залежні нормально розподілені випадкові величини з однаковою дисперсією/>та середніми />, лінійними за параметрами />.
Параметри />невідомі, />– відомі невипадкові величини.
За спостереженнями />, які описуються моделлю
/>, (2.3.1)
необхідно оцінити невідомі параметри />, перевірити адекватність лінійної моделі (2.3.1), значущість лінійної регресії />, а також з’ясувати, чи виконуються основні припущення />лінійного регресійного аналізу.
Стохастичний експеримент. Проведемо стохастичний експеримент, який полягає в моделюванні вибірки />з нормального розподілу з параметрами 0 та 1.
Наступні 7 вибірок рахуються за формулою
/>,
де сталі />– елементи послідовності Фібоначчі, а саме: />.
Проста лінійна регресія. Знайдемо МНК – оцінки параметрів />та перевіримо гіпотези про адекватність та значущість лінійної моделі регресії. Також з’ясуємо, чи виконуються припущення />в цій моделі.
Результати стохастичного експерименту, за умов, що />, наведено на рисунку 2.3.1.
/>Рис. 2.3.1. Модель лінійної регресії, в якій спостереження />величини залежні
Результати перевірки адекватності та значущості цієї моделі простої лінійної регресії наведено в таблиці 2.3.1.
Таблиця 2.3.1. Результати перевірки адекватності та значущості моделі простої лінійної регресії, в якій спостереження />величини залежні
Джерело варіації
SS
df
MS
F
Обумовлена регресією
0,97
1
0,97
0,03
Відносно регресії
22892,15
638    продолжение
–PAGE_BREAK–
35,88

Відносно середнього
22893,13
639

Неадекватність
9,81
6
1,64
0,05
«Чиста помилка»
22893,13
632
36,21
 
F1 = 0,05
F2 = 0,03 незначуща.
|t1| = 0,29 не відхиляється.
|t2| = 100 > 1,96 = t0,025;638, гіпотеза />відхиляється.
/>
/>
Рис. 2.3.2. Графік залишків – дисперсія змінюється
Гіпотезу про нормальний розподіл залишків />перевіримо за допомогою критерію/>.
/>
Рис.2.3.3. Нормальний розподіл залишків />
Статистика />, тому залишки />не можна вважати нормально розподіленими.
Статистика Бартлетта />, тому дисперсія залишків />змінна величина.
Отже,
лінійна модель адекватна;
регресія />незначуща (гіпотеза />не відхиляється; гіпотеза />не відхиляється, а гіпотеза />відхиляється);
залишки />/>некорельовані;
залишки />не можна вважати нормально розподіленими;
дисперсія залишків />змінна величина.
Лінійна регресія з двома незалежними змінними. Знайдемо МНК – оцінки параметрів />та перевіримо гіпотези про адекватність та значущість лінійної моделі регресії. Також з’ясуємо, чи виконуються припущення />в цій моделі.
Результати стохастичного експерименту, за умов, що незалежні змінні />обрані згідно з рис. 2.1.1, наведено на рисунку 2.3.4.
/>Рис. 2.3.4. Модель лінійної регресії, в якій спостереження />величини залежні
Результати перевірки адекватності та значущості цієї моделі лінійної регресії наведено в таблиці 2.3.2.
Таблиця 2.3.2. Результати перевірки адекватності та значущості моделі лінійної регресії, в якій спостереження />величини залежні
Джерело варіації
SS
df
MS
F
Обумовлена регресією
11,83
2
5,92
0,25
Відносно регресії
15256,05
637
23,95

Відносно середнього
15267,88
639

Неадекватність
119,56
61
1,96
0,07
«Чиста помилка»
15136,49
576
26,28
 
F1 = 0,07
F2 = 0,25 незначуща.
|t1| = 0,94 не відхиляється.
|t2| = 99 > 1,96 = t0,025;637, гіпотеза />відхиляється.    продолжение
–PAGE_BREAK–
|t3| = 100 > 1,96 = t0,025;637, гіпотеза />відхиляється.
Перевіримо припущення про некорельованість залишків />за допомогою критерію Дарбіна-Уотсона. Статистика критерію />. Оскільки />, то залишки />цієї моделі некорельовані.
/>
/>
Рис. 2.3.5. Графік залишків – дисперсія змінюється
Гіпотезу про нормальний розподіл залишків />перевіримо за допомогою критерію/>.
/>
Рис. 2.3.6. Нормальний розподіл залишків />
Статистика />, тому залишки />не можна вважати нормально розподіленими.
Статистика Бартлетта />, тому дисперсія залишків />змінна величина.
Отже,
лінійна модель адекватна;
регресія />значуща (гіпотеза />не відхиляється; гіпотеза />відхиляється, гіпотеза />відхиляється, гіпотеза />відхиляється);
залишки />/>некорельовані;
залишки />не можна вважати нормально розподіленими;
дисперсія залишків />змінна величина.
2.4 Модель лінійної регресії, в якій спостереження />рівномірно розподілені величини
Нехай />– незалежні рівномірно розподілені випадкові величини.
За спостереженнями />, які описуються моделлю
/>, (2.4.1)
необхідно оцінити невідомі параметри />, перевірити адекватність лінійної моделі (2.4.1), значущість лінійної регресії />, а також з’ясувати, чи виконуються основні припущення />лінійного регресійного аналізу.
Стохастичний експеримент. Проведемо стохастичний експеримент, який полягає в моделюванні спостережень />з рівномірного на відрізку />розподілу.
Проста лінійна регресія. Знайдемо МНК – оцінки параметрів />та перевіримо гіпотези про адекватність та значущість лінійної моделі регресії. Також з’ясуємо, чи виконуються припущення />в цій моделі.
Результати стохастичного експерименту, за умов, що />обирається згідно рис. 2.1.1, наведено на рисунку 2.4.1.
/>Рис. 2.4.1. Модель простої лінійної регресії, в якій спостереження />рівномірно розподілені
Результати перевірки адекватності та значущості цієї моделі простої лінійної регресії наведено в таблиці 2.4.1.
Таблиця 2.4.1 Результати перевірки адекватності та значущості моделі простої лінійної регресії, в якій спостереження />рівномірно розподілені
Джерело варіації
SS
df
MS
F
Обумовлена регресією
28061,45
1
28061,45
437,88
Відносно регресії
40886,36
638
64,09

Відносно середнього
68947,81
639

Неадекватність
414
6
69
1,07
«Чиста помилка»
40472,36
632
64,04

F1 = 1,07
F2 = 437,88 > 3,86 = F0,05;1;638, регресія />значуща.
|t1| = 0,16 не відхиляється.    продолжение
–PAGE_BREAK–
|t2| = 25,5 > 1,96 = t0,025;638, гіпотеза />відхиляється.
Перевіримо припущення про некорельованість залишків />за допомогою критерію Дарбіна-Уотсона. Статистика критерію />. Оскільки />, то залишки />цієї моделі некорельовані.
/>
/>
Рис.2.4.2. Графік залишків – дисперсія залишків змінюється
Гіпотезу про нормальний розподіл залишків />перевіримо за допомогою критерію/>.
/>
Рис. 2.4.3. Нормальний розподіл залишків />
Статистика, />, тому залишки />не можна вважати нормально розподіленими.
Статистика Бартлетта />, тому дисперсія залишків />змінна величина.
Отже,
лінійна модель адекватна;
регресія />значуща (гіпотеза />не відхиляється; гіпотеза />відхиляється, гіпотеза />відхиляється);
залишки />/>некорельовані;
залишки />не можна вважати нормально розподіленими;
дисперсія залишків />змінна величина.
Лінійна регресія з двома незалежними змінними. Знайдемо МНК-оцінки параметрів />та перевіримо гіпотези про адекватність та значущість лінійної моделі регресії. Також з’ясуємо, чи виконуються припущення />в цій моделі.
Результати стохастичного експерименту, за умов, що значення />обираються згідно рис. 2.1.1, наведено на рисунку 2.4.4.
/>Рис. 2.4.4. Модель лінійної регресії, в якій спостереження />рівномірно розподілені
Результати перевірки адекватності та значущості цієї моделі лінійної регресії наведено в таблиці 2.4.2.
Таблиця 2.4.2. Результати перевірки адекватності та значущості моделі лінійної регресії, в якій спостереження />рівномірно розподілені
Джерело варіації
SS
df
MS
F
Обумовлена регресією
28171,07
2
14085,54
220,04
Відносно регресії
40776,74
637
64,01

Відносно середнього
68947,81
639

Неадекватність
3539,39
61
58,02
0,89
«Чиста помилка»
37237,35
576
64,65

F1 = 0,89
F2 = 220,04 > 3,01 = F0,05;2;637, модель значуща.
|t1| = 0,74 не відхиляється.
|t2| = 25,5 > 1,96 = t0,025;637, гіпотеза />відхиляється.
|t3| = 48,5 > 1,96 = t0,025;637, гіпотеза />відхиляється.
Перевіримо припущення про некорельованість залишків />за допомогою критерію Дарбіна-Уотсона. Статистика критерія />. Оскільки />, то залишки />цієї моделі некорельовані.
/>
/>
Рис.2.4.5. Графік залишків – дисперсія залишків змінюється
Гіпотезу про нормальний розподіл залишків />перевіримо за допомогою критерію/>.    продолжение
–PAGE_BREAK–
/>
Рис. 2.4.5. Нормальний розподіл залишків />
Статистика, />, тому залишки />не можна вважати нормально розподіленими.
Статистика Бартлетта />, тому дисперсія залишків />змінна величина.
Отже,
лінійна модель адекватна;
регресія />значуща (гіпотеза />не відхиляється; гіпотеза />відхиляється, гіпотеза />відхиляється, гіпотеза />відхиляється);
залишки />/>некорельовані;
залишки />не можна вважати нормально розподіленими;
дисперсія залишків />змінна величина.
2.5 Модель простої лінійної регресії, в якій спостереження />показниково розподілені величини
Нехай />– незалежні показниково розподілені випадкові величини з параметром />.
За спостереженнями />, які описуються моделлю
/>, (2.5.1)
необхідно оцінити невідомі параметри />, перевірити адекватність лінійної моделі (2.5.1), значущість лінійної регресії />, а також з’ясувати, чи виконуються основні припущення />лінійного регресійного аналізу.
Стохастичний експеримент. Проведемо стохастичний експеримент, який полягає в моделюванні вибірки />з показникового розподілу з параметром />.
Проста лінійна регресія. Знайдемо МНК – оцінки параметрів />та перевіримо гіпотези про адекватність та значущість лінійної моделі регресії. Також з’ясуємо, чи виконуються припущення />в цій моделі.
Результати стохастичного експерименту, за умов, що />обирається згідно рис. 2.1.1, наведено на рисунку 2.5.1.
/>Рис. 2.5.1. Модель простої лінійної регресії, в якій спостереження />показниково розподілені
Результати перевірки адекватності та значущості цієї моделі простої лінійної регресії наведено в таблиці 2.5.1.
Таблиця 2.5.1. Результати перевірки адекватності та значущості моделі простої лінійної регресії, в якій спостереження />показниково розподілені
Джерело варіації
SS
df
MS
F
Обумовлена регресією
6,6
1
6,6
2,11
Відносно регресії
1992,5
638
3,12

Відносно середнього
1999,1
639

Неадекватність
16,04
6
2,67
0,85
«Чиста помилка»
1976,46
632
3,13
 
F1 = 0,85
F2 = 2,11 незначуща.
|t1| = 12,29 > 1,96 = t0,025;498, гіпотеза />відхиляється.
|t2| = 99 > 1,96 = t0,025;498, гіпотеза />відхиляється.
Перевіримо припущення про некорельованість залишків />за допомогою критерію Дарбіна-Уотсона. Статистика критерію />Оскільки />, то залишки />цієї моделі некорельовані.
/>
/>
Рис. 2.5.2. Графік залишків – смуга постійної ширини
Гіпотезу про нормальний розподіл залишків />перевіримо за допомогою критерію/>.    продолжение
–PAGE_BREAK–
/>
Рис. 2.5.3. Нормальний розподіл залишків />
Статистика />, тому залишки />не можна вважати нормально розподіленими.
Статистика Бартлетта />, тому дисперсія залишків />змінна величина.
Отже,
лінійна модель адекватна;
модель />незначуща (гіпотеза />відхиляється; гіпотеза />не відхиляється, гіпотеза />відхиляється);
залишки />/>некорельовані;
залишки />не можна вважати нормально розподіленими;
дисперсія залишків />змінна величина.
Лінійна регресія з двома незалежними змінними. Знайдемо МНК – оцінки параметрів />та перевіримо гіпотези про адекватність та значущість лінійної моделі регресії. Також з’ясуємо, чи виконуються припущення />в цій моделі.
Результати стохастичного експерименту, за умов, що значення />обиралися згідно рис.2.1.1, наведено на рисунку 2.5.4.
/>
Рис. 2.5.4. Модель лінійної регресії, в якій спостереження />показниково розподілені
Результати перевірки адекватності та значущості цієї моделі простої лінійної регресії наведено в таблиці 2.5.2.
Таблиця 2.5.2. Результати перевірки адекватності та значущості моделі простої лінійної регресії, в якій спостереження />показниково розподілені
Джерело варіації
SS
df
MS
F
Обумовлена регресією
9,3
2
9,3
1,49
Відносно регресії
1989,79
637
3,12

Відносно середнього
1999,09
639

Неадекватність
176,57
61
2,89
0,92
«Чиста помилка»
1813,22
576
3,15
 
F1 = 0,92
F2 = 1,49 незначуща.
|t1| = 8,42 > 1,96 = t0,025;637, гіпотеза />відхиляється.
|t2| = 99 > 1,96 = t0,025;637, гіпотеза />відхиляється.
|t3| = 100 > 1,96 = t0,025;637, гіпотеза />відхиляється.
Перевіримо припущення про некорельованість залишків />за допомогою критерію Дарбіна-Уотсона. Статистика критерію />. Оскільки />, то залишки />цієї моделі некорельовані.
/>
/>
Рис. 2.5.5. Графік залишків – смуга постійної ширини
Гіпотезу про нормальний розподіл залишків />перевіримо за допомогою критерію/>.
/>
Рис. 2.5.6. Нормальний розподіл залишків />
Статистика />, тому залишки />не можна вважати нормально розподіленими.
Статистика Бартлетта />, тому дисперсія залишків />змінна величина.
Отже,
лінійна модель адекватна;    продолжение
–PAGE_BREAK–
регресія />незначуща (гіпотеза />відхиляється; гіпотеза />не відхиляється, гіпотеза />відхиляється, гіпотеза />відхиляється);
залишки />/>некорельовані;
залишки />не можна вважати нормально розподіленими;
дисперсія залишків />змінна величина.
ВИСНОВКИ
Нехай />– результат спостереження, який описується лінійною моделлю виду
/>(1)
де />– регресійна матриця розміру />, />,
/>– вектор невідомих параметрів,
/>– вектор похибок спостережень.
Припущення відносно вектора спостережень />позначатимемо />:
/>. (2)
Або, що те ж саме, припущення відносно вектора похибок />мають вигляд:
/>(3)
Вихідні припущення (2) або (3) регресійного аналізу виконуються далеко не завжди. Виникає низка питань: як виявити порушення цих припущень? В яких випадках і які порушення можна вважати припустимими? Що робити, якщо порушення виявляються неприпустимими?
Метою роботи є вивчення наслідків порушення основних припущень (3) лінійного регресійного аналізу, а саме:
припущення про незміщеність похибок />; (4)
припущення про однакову дисперсію і некорельованість похибок />(5)
припущення про нормальний розподіл похибок />; (6)
припущення про незалежність спостережень />. (7)
Наслідки порушення припущень (4)-(7) розглянемо на прикладі лінійної регресії з двома незалежними змінними.
«Ідеальною» моделлю лінійної регресії з двома незалежними змінними називатимемо модель виду
/>(8)
«Ідеальна» модель – це модель (1) з коефіцієнтами />.
Опишемо вибір невипадкових змінних />.
Квадрат />розіб’ємо на 16 однакових квадратів розміром />. В кожному з них оберемо 4 точки, які виступають вершинами квадратів розміром />. Ці 64 вершини квадратів і обрані за значення, які набувають невипадкові змінні />.
Рис. 1. Вибір значень />, які набувають невипадкові змінні />
Проведемо стохастичний експеримент, який полягає в моделюванні спостережень згідно з моделлю (8).
Результати експерименту наведено на рисунку 2.
/>
Рис. 2
За допомогою критеріїв математичної статистики ми будемо перевіряти не тільки, чи виконуються припущення регресійного аналізу, але й гіпотези про адекватність лінійної моделі, про значущість регресії, про значущість коефіцієнтів регресії. Отже, модель (8) узгоджується з результатами експерименту,жодне з вихідних припущень />не порушено.
„ідеальна” модель /> адекватна (модель лінійна);
„ідеальна” регресія />значуща;
гіпотези />, />не відхиляються;
дисперсія залишків />постійна;
залишки />некорельовані;
залишки />нормально розподілені />.
Розглянемо модель лінійної регресії, в якій дисперсія спостережень />величина змінна, тобто припущення (5) місця не має.
Проведемо стохастичний експеримент, який полягає в моделюванні спостережень згідно з моделлю
/>(9)
Результати експерименту наведено на рисунку 3.
/>
Рис. 3
В порівнянні з ідеальною моделлю залишки />не мають />.    продолжение
–PAGE_BREAK–
Отже, разом з порушенням припущення про постійну дисперсію залишків порушується й припущення про нормальний розподіл залишків.
Якщо залишки />не мають нормального розподілу, то використовувати МНК-метод для оцінки параметрів регресії неприпустимо (МНК-оцінки не збігаються з ММП-оцінками).
Розглянемо модель лінійної регресії, в якій спостереження />величини залежні, тобто припущення (7) місця не має.
Проведемо стохастичний експеримент, який полягає в моделюванні спостережень згідно з моделлю
/>(10)
Результати експерименту наведено на рисунку 4.
/>
Рис. 4
В порівнянні з ідеальною моделлю
регресія /> незначуща;
гіпотези />, />відхиляються;
дисперсія залишків />змінна величина;
залишки />не мають />.
Отже, разом з порушенням припущення про незалежність спостережень />, порушуються й припущення про постійність дисперсії залишків і припущення про нормальний розподіл залишків. Такі порушення неприпустимі.
Розглянемо модель лінійної регресії, в якій спостереження />рівномірно розподілені, тобто припущення (6) місця не має.
Проведемо стохастичний експеримент, який полягає в моделюванні спостережень згідно з моделлю
/>(11)
Результати експерименту наведено на рисунку 5.
/>
Рис. 5
В порівнянні з ідеальною моделлю
гіпотези />, />відхиляються;
дисперсія залишків />змінна величина.
Отже, разом з порушенням припущення про нормальний розподіл залишків, порушується й припущення про постійність дисперсії залишків.
Розглянемо модель лінійної регресії, в якій спостереження />показниково розподілені, тобто припущення (6) місця не має.
Проведемо стохастичний експеримент, який полягає в моделюванні спостережень згідно з моделлю
/>(12)
Результати експерименту наведено на рисунку 6.
/>
Рис. 6
В порівнянні з ідеальною моделлю,
лінійна регресія /> незначуща;
гіпотези />відхиляються;
дисперсія залишків />змінна величина.
Отже, разом з порушенням припущення про нормальний розподіл залишків, порушується й припущення про постійність дисперсії залишків.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
ДрейперН., СмитГ. Прикладнойрегрессионный анализ. – М.: Статистика, 1973.
ЛинникЮ.В. Метод наименьших квадратови основы математико-статистической теории обработки наблюдений, 2-е изд.– М.: Физматгиз, 1962.
Рао С.Р. Линейные статистические методы и их применение. – М.: Наука, 1968.
Себер Дж. Линейный регрессионный анализ. – М: Мир, 1980.