一元线性回归模型

一元线性回归模型

一元线性回归模型表示如下

y_{i}=β_{0}+β_{1}x_{i}+ ε_{i} (1)

上式表示变量y_{i}x_{i}之间的真实关系。其中y_{i}称作被解释变量(或相依变量、因变量),x_{i}称作解释变量(或独立变量、自变量),ε_{i}称作随机误差项β_{0}称作常数项截距项),β_{1}称作回归系数
一般假定ε_{i}是不可观测的随机误差,它是一个随机变量,通常假定ε_{i}满足

E(ε_{i}) = 0 i =1,2,...,n
Var(ε_{i}) = σ^{2} i =1,2,...,n
Cov(ε_{i},ε_{j}) = 0 i \neq j 且 i,j=1,2,...,n
Cov(x_{i},ε_{j}) = 0 i=1,2,...,n

对式(1)两边求期望,得

E(y_{i}) = β_{0}+β_{1}x_{i}, (3)

称式(3)为回归方程

  • E(ε) = 0 可以理解为 ε 对 y 的总体影响期望为 0,也就是说在给定 x 下,由x确定的线性部分 β0 + β1x 已经确定,现在只有 ε 对 y 产生影响,在 x = x0, ε = 0即除x以外其他一切因素对 y 的影响为0时,设 y = y0,经过多次采样,y 的值在 y0 上下波动(因为采样中 ε 不恒等于0),若 E(ε) = 0 则说明综合多次采样的结果, ε 对 y 的综合影响为0,则可以很好的分析 x 对 y 的影响(因为其他一切因素的综合影响为0,但要保证样本量不能太少);若 E(ε) = c ≠ 0,即 ε 对 y 的综合影响是一个不为0的常数,则E(y) = β0 + β1x + E(ε),那么 E(ε) 这个常数可以直接被 β0 捕获,从而变为公式(3);若 E(ε) = 变量,则说明 ε 在不同的 x 下对 y 的影响不同,那么说明存在其他变量也对 y 有显著作用。

  • Var(ε) = σ^{2}:因为所有的样本点并不是完全在回归直线上(即 x 与 y 的关系不是确定的函数关系),所以 ε 的方差一定不为0,Var(ε) = σ2的意义为在不同 x 下, ε 对 y 产生同样的波动,是为了后续计算方便,若 ε 的方差对 y 产生的波动随 x 变化,那么需要分析这种变化及其产生的一系列问题。对于x随机误差ε 的方差不变,也就是说随机误差项对于每一个样本点的方差是固定不变的(同方差性)

  • Cov(ε_{i},ε_{j}) = 0 随机误差项彼此不关联,协方差等于零

  • Cov(x_{i},ε_{j}) = 0 x_{i}是确定性变量,不是随机变量,与随机误差项之间相互独立(不相关)(不相关一定不关联).



回归参数β_{0} , β_{1}的估计

普通最小二乘估计(ordinary least squares estimate, OLSE)

为了得到回归系数的理想估计值,使用OLSE(因为OLSE和方差都是差方和的形式)。对每一个样本观测值(x_{i},y_{i}),最小二乘法考虑观测值y_{i}与其回归值

回归值
的离差越小越好,综合地考虑n个离差值,定义离差平方和为

(10)

可以看到其回归值是期望值,这里使用到条件E(ε) = 0.

最小二乘法,就是寻找参数β_{0} , β_{1}的估计值

估计值
,使式(10)定义的离差平方和达极小,即寻找
估计值
满足

(11)

依照式(11)求出的

估计值
就称为回归参数 , 的最小二乘估计。称

(12)

y_{i}(i = 1, 2,...,n)的回归拟合值,简称回归值或拟合值。称

(13)

y_{i}(i = 1, 2, ..., n)的残差

离差和残差
在本文中离差和残差的公式都是真实值与估计值之间的差,但是,离差是在回归方程得到之前定义的,不能直接得到,通过离差平方和最小来求得回归系数从而得到回归方程,可以将离差看作是风险程度,使离差平方和最小即为使总风险最小。残差是在回归方程得到后定义的,可以直接得到具体数值,若没有回归方程就不存在残差的概念,残差平方和度量了n个样本点观测值到回归直线的距离大小,可以视为随机误差的效应。残差用于研究模型的适用性,也是探测是否违背基本假设的评测量之一。



线性函数
一个函数f是线性函数,需满足下面条件:

条件

非线性函数
不是线性函数的函数

线性模型
函数的线性组合就是线性模型

线性模型

非线性模型
不是线性模型的模型

例如:

li1

:非线性模型

li2

:线性模型

li3

:非线性模型

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