回归直线方程最小二乘法
直线拟合的四种方法
直线拟合的四种方法直线拟合是一种常见的数据分析方法，用于找到一条直线来描述数据集中的趋势。
在实际应用中，直线拟合常用于回归分析、统计建模、机器学习等领域。
下面将介绍四种常用的直线拟合方法。
1. 最小二乘法（Least Squares Method）最小二乘法是最常见的直线拟合方法之一、该方法的基本思想是通过最小化实际观测数据点与直线的残差平方和来确定最佳拟合直线。
具体步骤如下：(1)给定包含n个数据点的数据集；(2) 设直线方程为y = ax + b，其中a为斜率，b为截距；(3)计算每个数据点到直线的垂直距离，即残差；(4)将残差平方和最小化，求解a和b的值。
2. 总体均值法（Method of Overall Averages）总体均值法也是一种常用的直线拟合方法。
该方法的基本思想是通过计算数据集的x和y的均值，将直线拟合到通过这两个均值点的直线上。
具体步骤如下：(1)给定包含n个数据点的数据集；(2) 计算x和y的均值，即x_mean和y_mean；(3) 利用直线方程y = a(x - x_mean) + y_mean拟合数据。
3. 多项式拟合法（Polynomial Fitting Method）多项式拟合法是一种常见的直线拟合方法，适用于数据集中存在非线性趋势的情况。
该方法的基本思想是通过将数据拟合到多项式模型，找到最佳拟合直线。
具体步骤如下：(1)给定包含n个数据点的数据集；(2) 设多项式方程为y = a0 + a1*x + a2*x^2 + ... + an*x^n；(3) 通过最小二乘法求解a0, a1, a2, ..., an的值；(4)通过求解得到的多项式方程进行数据拟合。
4. 支持向量机（Support Vector Machine）支持向量机是一种经典的机器学习方法，适用于直线拟合问题。
该方法的基本思想是找到离数据集最近的点，然后构建一条平行于这两个点的直线。
具体步骤如下：(1)给定包含n个数据点的数据集；(2)将数据点划分为两个类别，如正类和负类；(3)找到离两个类别最近的点，将其作为支持向量；(4)根据支持向量构建一条平行于两个类别的直线，使得两个类别之间的间隔最大化。
最小二乘法公式的多种推导方法
最小二乘法公式的多种推导方法最小二乘法是统计学中用来求两个线性相关变量的回归直线方程的一种方法，因其推导方法比较复杂，高中数学《必修3》简单介绍了最小二乘法的思想，直接给出了回归直线斜率a和截距b的计算公式，省略了公式的推导过程。
中学数学教师没有引起足够的重视。
在文[1]中作者的困惑之一就是“公式推导，教不教？”，为了加强学生学习能力的培养和数学思想方法的渗透，让师生更好的了解数学发展的价值，公式推导，不仅要教，而且要好好的教。
下面给出几种公式推导的方法，供教学参考。
给出一组具有线性相关关系的数据（x1，y1），（x2，y2），…，（xn，yn），且实数xi不全相等，求回归直线y=ax+b的斜率a和截距b，使得所有点相对于该直线的偏差平方和达到最小。
设实数xi不全相等，所求直线方程为y=ax+b要确定a，b，使函数f（a，b）=∑ni=1（axi+b-yi）2最小。
方法1[2]由于f（a，b）=∑ni=1[yi-axi-（-a）+（-a）-b]2=∑ni=1{[yi-axi-（-a）]2+2[yi-axi-（-a）]×[（-a）-b]+[（-a）-b]2}=∑ni=1[yi-axi-（-a）]2+2∑ni=1[yi-axi-（-a）]×[（-a）-b]+n[（-a）-b]2，注意到∑ni=1[yi-axi-（-a）][（-a）-b]=（-a-b）∑ni=1[yi-axi-（-a）]=（-a-b）[∑ni=1yi-a∑ni=1xi-n（-a）]=（-a-b）[n-na-n（-a）]=0，因此f（a，b）=∑ni=1[yi-axi-（-a）]2+n[（-a）-b]2=a2∑ni=1（xi-）2-2a∑ni=1（xi-）（yi-）+∑ni=1（yi-）2+n（-a-b）2=n（-a-b）2+∑ni=1（xi-）2[a-∑ni=1（xi-）（yi-）∑ni=1（xi-）2]2-[∑ni=1（xi-）（yi-）]2∑ni=1（xi-）2+∑ni=1（yi-）2在上式中，后两项和a，b无关，而前两项为非负数，因此要使f取得最小值，当且仅当前两项的值均为0，即a=∑ni=1（xi-）（yi-）∑ni=1（xi-）2，b=-a（其中x=1n∑ni=1xi，y=1n∑ni=1yi，（x，y）称为样本点的中心。
第二章最小二乘法OLS和线性回归模型
8
▪ 其中yt被称作因变量 ▪ xt被称作自变量
（dependent variable）、（independent variable）、
被解释变量
解释变量
（explained variable）、（explanatory variable）、
6
▪ 图2-1中的直线可表示为
y= x
（2.1）
根据上式，在确定α、β的情况下，给定一个x
值，我们就能够得到一个确定的y值，然而根
据式（2.1）得到的y值与实际的y值存在一个
误差（即图2-1中点到直线的距离）。
7
▪ 如果我们以ｕ表示误差，则方程（2.1）变为：
y= x u （2.2） 即： yt xt ut （2.3）
可以进行如下变换：
（2.10）
ln yt lnA lnxt ut （2.11）
▪ 令Yt ln yt、 lnA、X t lnxt ，则方程
（2. 11）变为：
Yt X t ut
（2.12）
可以看到，模型2.12即为一线性模型。
19
▪ 4.估计量（estimator）和估计值（estimate） ▪ 估计量是指计算系数的方程；而估计值是指估
15
▪ 总体回归方程（PRF）表示变量之间的真实关 系，有时也被称为数据生成过程（DGP）， PRF中的α、β值是真实值，方程为：
yt xt + u t （2. 7）
▪ 样本回归方程（SRF）是根据所选样本估算的 变量之间的关系函数，方程为：
yˆ ˆ ˆxt
（2.8）
最小二乘法求出直线拟合公式
最小二乘法求出直线拟合公式最小二乘法是一种常用的线性回归方法，用于求出最佳的拟合直线公式。
其基本思想是通过最小化观测数据与拟合直线之间的误差来确定最佳的直线参数。
假设我们有一组观测数据(xi, yi)，其中xi表示自变量的取值，yi表示因变量的取值。
我们的目标是找到一条直线y = mx + c，使得观测数据点到这条直线之间的误差最小。
首先，我们定义观测数据点到拟合直线的误差为：ei = yi - (mx + c)。
我们的目标是最小化所有观测数据点的误差之和：min Σ(ei^2) = min Σ(yi - (mx + c))^2为了求解上述最小化问题，我们需要对误差函数关于参数m和c进行求导，并令导数等于零。
这样可以得到参数的最优解。
对于参数m的求解，我们有以下等式：d/dm Σ(ei^2) = d/dm Σ(yi - (mx + c))^2 = 0通过对上述等式进行求导和化简，我们得到以下方程：m * Σ(xi^2) + c * Σ(xi) = Σ(xi * yi)类似地，对于参数c的求解，我们有以下等式：d/dc Σ(ei^2) = d/dc Σ(yi - (mx + c))^2 = 0通过对上述等式进行求导和化简，我们得到以下方程：m * Σ(xi) + c * n = Σ(yi)其中，n表示观测数据点的数量。
最终，我们可以通过解上述方程组，求得最佳的直线参数m和c，从而得到直线的拟合公式。
拓展：最小二乘法不仅可以应用在线性回归问题中，还可以拓展到非线性回归问题。
例如，如果观测数据点遵循多项式分布，则可以使用多项式回归来拟合数据。
此时，最小二乘法的基本原理是相同的，只是拟合的模型变为多项式函数。
此外，最小二乘法还可以应用于其他问题，例如数据平滑、参数估计等。
它是一种常用的统计学方法，可以在各种实际问题中得到广泛的应用。
回归分析的基本原理及应用
回归分析的基本原理及应用概述回归分析是统计学中一种常用的数据分析方法，用于研究自变量与因变量之间的关系。
它可以帮助我们理解变量之间的相关性，并通过建立模型来预测未来的结果。
在本文中，我们将介绍回归分析的基本原理，并探讨其在实际应用中的具体作用。
回归分析的基本原理回归分析基于以下两个基本原理：1.线性关系：回归分析假设自变量与因变量之间存在线性关系。
换句话说，自变量的变化对因变量的影响可以通过一个线性方程来描述。
2.最小二乘法：回归分析使用最小二乘法来估计回归方程中的参数。
最小二乘法试图找到一条直线，使得所有数据点到该直线的距离之和最小。
回归分析的应用场景回归分析在各个领域中都有广泛的应用。
以下是一些常见的应用场景：•经济学：回归分析用于研究经济中的因果关系和预测经济趋势。
例如，通过分析历史数据，可以建立一个经济模型来预测未来的通货膨胀率。
•市场营销：回归分析可以用于研究消费者行为和市场需求。
例如，可以通过回归分析来确定哪些因素会影响产品销量，并制定相应的营销策略。
•医学研究：回归分析在医学研究中起着重要的作用。
例如，通过回归分析可以研究不同因素对疾病发生率的影响，并预测患病风险。
•社会科学：回归分析可帮助社会科学研究人们的行为和社会影响因素。
例如，可以通过回归分析来确定教育水平与收入之间的关系。
回归分析的步骤进行回归分析通常需要以下几个步骤：1.收集数据：首先需要收集相关的数据，包括自变量和因变量的取值。
2.建立回归模型：根据数据的特点和研究的目的，选择适当的回归模型。
常见的回归模型包括线性回归、多项式回归和逻辑回归等。
3.估计参数：使用最小二乘法估计回归模型中的参数值。
这个过程目的是找到一条最能拟合数据点的直线。
4.评估模型：通过分析回归模型的拟合优度和参数的显著性，评估模型的有效性。
5.预测分析：利用建立好的回归模型进行预测分析。
通过输入新的自变量值，可以预测对应的因变量值。
回归分析的局限性回归分析虽然在许多领域中有广泛应用，但也存在一些局限性：•线性假设：回归分析假设因变量与自变量之间存在线性关系。
最小二乘法在回归分析和趋势预测中的应用
最小二乘法在回归分析和趋势预测中的应用最小平方法，又称最小二乘法。
其方法的计算依据是利用算术平均数的数学性质，在我们介绍算术平均数的数学性质时，有两条性质分别是：一、各个变量值与平均数的离差之和等于零，用表达式表示即0)(=-∑x x ；二、各个变量值与平均数的离差平方之和为最小值，用表达式表示为最小值=-∑2)(x x 。
这两条数学性质已证明过，我们把它们应用到回归分析和趋势预测中来。
回归分析和时间序列趋势预测中，主要是为求得回归方程或趋势方程，但在求得方程的参数时，就要用到上面的两条数学性质。
最小平方法的数学依据是实际值(观察值)与理论值(趋势值)的离差平方和为最小。
据此来拟合回归方程或趋势方程。
1、利用最小平方法拟合直线回归方程拟合直线回归方程的主要问题就在于估计待定参数a 和b 之值，而用最小平方法求出的回归直线是原有资料的“最佳”拟合直线。
假设直线回归方程为：bx a y c +=，其中a 是直线的截距，b 是直线的斜率，称回归系数。
a 和b 都是待定参数。
将给定的自变量x 之值代入上述方程中，可求出估计的因变量y 之值。
这个估计值不是一个确定的数值，而是y 许多可能取值的平均数，所以用c y 表示。
当x 取某一个值时，y 有多个可能值。
因此，将给定的x 值代入方程后得出的c y 值，只能看作是一种平均数或期望值。
配合直线方程的具体方法如下：∑=-=最小值2)(c y y Q (1) 用直线方程bx a y c +=代入式(1)得：最小值=--=∑2)(bx a y Q (2) 分别求Q 关于a 和Q 关于b 的偏导，并令它们等于0： 整理后得出由下列两个方程式所组成的标准方程组：⎩⎨⎧+=+=∑∑∑∑∑2x b x a xy x b na y (3)根据已知的或样本的相应资料x 、y 值代入式(3)，可求出a 和b 两个参数：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=--=∑∑∑∑∑∑∑n x b n y a x x n y x xy n b 22)( (4)只要把a 和b 两个参数代入c y ，就可得到直线回归方程bx a y c +=。
线性回归和最小二乘法
线性回归和最小二乘法线性回归是一种常见的统计分析方法，用于建立自变量和因变量之间的线性关系模型。
而最小二乘法则是线性回归的一种常用求解技术。
本文将详细介绍线性回归和最小二乘法的原理、应用和计算方法。
一、线性回归的原理线性回归假设自变量和因变量之间存在一个线性函数关系，即y = α + βx，其中α是截距，β是斜率。
线性回归的目标是找到最佳的α和β，使得模型能够准确地描述数据。
二、最小二乘法的原理最小二乘法是一种优化方法，用于通过最小化误差的平方和来确定回归系数。
假设有n个样本数据，标记为{(x1,y1),(x2,y2),...,(xn,yn)}，其中xi是自变量，yi是因变量。
最小二乘法的目标是使所有样本点到回归直线的距离之和最小化，即最小化误差E = Σ(yi - α - βxi)²。
三、线性回归的应用线性回归广泛应用于各个领域，特别是经济学、金融学和社会科学中。
它可以用来分析自变量和因变量之间的关系，预测未来的趋势和趋势的变化，评估变量对因变量的影响程度等。
四、最小二乘法的计算步骤1. 计算自变量和因变量的均值，分别记为x_mean和y_mean。
2. 计算自变量和因变量的差值与均值的乘积之和，分别记为Sxy。
3. 计算自变量的差值的平方和，记为Sxx。
4. 计算回归系数的估计值，β = Sxy / Sxx。
5. 计算截距的估计值，α = y_mean - β * x_mean。
6. 得到线性回归方程，y = α + βx。
五、线性回归的评估评估线性回归模型的好坏可以用均方误差（MSE）和决定系数（R²）来衡量。
MSE越小，表示模型拟合效果越好；R²越接近1，表示自变量对因变量的解释程度越高。
六、线性回归的局限性线性回归的前提是自变量和因变量之间存在线性关系，如果关系是非线性的，线性回归模型将失效。
此外，线性回归对异常值敏感，如果数据中存在异常值，模型的预测结果可能会受到影响。
最小二乘法OLS和线性回归
1
本章要点
最小二乘法的基本原理和计算方法
经典线性回归模型的基本假定
BLUE统计量的性质 t检验和置信区间检验的原理及步骤 多变量模型的回归系数的F检验 预测的类型及评判预测的标准 好模型具有的特征
2
第一节
最小二乘法的基本属性
一、有关回归的基本介绍
金融、经济变量之间的关系，大体上可以分 为两种：
（1）函数关系：Y=f(X1,X2,….,XP)，其中Y的 值是由Xi（i=1,2….p）所唯一确定的。 （2）相关关系: Y=f(X1,X2,….,XP) ，这里Y的 值不能由Xi（i=1,2….p）精确的唯一确定。
3
图2-1 货币供应量和GDP散点图
注意：SRF中没有误差项，根据这一方程得到 的是总体因变量的期望值
17
于是方程（2.7）可以写为：
ˆ ˆ ˆ yt xt ut
和残差项（
（2.9）
总体y值被分解为两部分：模型拟合值（
ˆ u t ）。
ˆ y）
18
3.线性关系 对线性的第一种解释是指：y是x的线性函数， 比如，y= x。 对线性的第二种解释是指：y是参数的一个线 性函数，它可以不是变量x的线性函数。 2 比如，y= x 就是一个线性回归模型， 但 y x 则不是。
(一) 方法介绍
本章所介绍的是普通最小二乘法（ordinary least squares,简记OLS）;
最小二乘法的基本原则是：最优拟合直线应该 使各点到直线的距离的和最小，也可表述为距 离的平方和最小。
假定根据这一原理得到的α、β估计值为 、 ， ˆ yt 。 xt ˆ ˆ ˆ 则直线可表示为
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(x2，y2)
BG
9
这样，问题就归结为：当 a，b取什么值时 Q最小？即
点到直线 y ? bx ? a 的“整体距离”最小 .
Q? ?y1 ? bx1 ? a?2 ? ?y2 ? bx2 ? a?2 ?? ? ?yn ?bxn ? a?2
yi ? ?bxi ? a ?
思考：将表中的年龄作为x代入回归方程，看看得
出的数值与真实数值之间的关系，从中你体会到
了什么？ y ? 0.577x ? 0.48
存在样本
点不在直线上
x=27时，y=15.099% x=37时，y=20.901%
可利用回归方程
预测不同年龄段
的体内脂肪含量
的百分比。
BG
15
（2012山东临沂二模， 20,12）假设关于某设备的 使用年限 x和所有支出的维修费用 y（万元），有如 下表的统计资料：
i=1
n
Σ（yi-Yi ）2的最小值
i=1
? ?
n
? xi yi ? n x y
??? b ? ? ?
i? 1 n
? i? 1
xi2 ?
2
nx
,
?a ? y ? bx
? ?
n
? ( xi ? x)( yi ? y)
?? b ? ? ? ?
1
n
? ( xi ? x) 2 1
?a ? y ? bx
Q=(y1-bx1-a) 2+(y2-bx2-a) 2+…+(yn-bxn-a) 2
上面三种方法都有一定的道理，但总让人感到 可靠性不强 .
回归直线与散点图中各点的位置用数学的方法 来刻画应具有怎样的关系？
BG
4
方法汇总
法一
1.选取两点作 直线 ps：使直线两 侧 的点的个 数基本相同。
法二
法三
1.画一条直线 2.测量出各点 与它的距离
3.移动直线， 到达某一位置 使距离的和最 小，测量出此
根据最小二乘法公式，
利用计算机可以求出
其回归直线方程
回
归
图散
y ? 0.577 x ? 0.48 点
直 线
BG
14
年 龄 23 27 39 41 45 49 50 53 54 56 57 58 60 61 脂 肪 9.5 17.8 21.2 25.9 27.5 26.3 28.2 29.6 30.2 31.4 30.8 33.5 35.2 34.6
时直线的斜率 与截距，得到
回归方程。
1.在散点图中 多取几组点，
确定出几条直 线的方程
2.分别求出各 条直线的斜率、
截距的平均数
3.将这两个平 均数当成回归 方程的斜率与
截距。
BG
法四
最 小 二 乘 法
5
求回归方程的关键
——如何使用数学方法来刻画“从整体上看，
各点到此直线的距离最小”。
假设两个具有线性相关关系的变量的一组数 据:(x 1, y1),(x2, y2),...... (xn, yn)
根据有关数学原理推导， a，b的值由下列公式给出
? ?? ? n
n
? ? xi ? x yi ? y
xi yi ? n xy
? ? ? b ? i?1 n xi ? x 2
? ?
i?1 n
xi 2
?
2
nx
i?1
i?1
a ? y? bx
BG
11
n
Σ（yi-Yi ）的最小值
i=1
n
Σ|yi-Yi| 的最小值
Yi=bx i+a（i=1 ，2，…，n）
y
3.它与实际收集得到的 yi之间偏差是
yi-Yi=yi-(bx i+a)（i=1 ，2，…，n）
（xi ，yi ） yi-Yi （x1 ，y1）
这样，用这 n个偏差的和来刻画
“各点与此直线的整体偏差”
是比较合适的。
BG
（x2 ，y2）
7
(x1 ,y1)
(xi ,yi)
(x1,y1)
(xi，yi) (xn ， yn)
(x2，y2)
BG
10
Q? ?y1 ?bx1 ? a?2 ? ?y2 ? bx2 ? a?2 ?? ? ?yn ?bxn ? a?2
这样通过求此式的最小值而得到回 归直线的方法，即使得样本数据的 点到回归直线的距离的平方和最小
的方法叫做 最小二乘法.
下面讨论如何表达这些点与一条直线y=bx+a 之间的距离。
BG
6
最小二乘法的公式的探索过程如下：
1.设已经得到具有线性相关关系的变量的一组数据：
（x 1，y 1），（ x 2， y2）， …，（ x n，y n）
2.设所求的回归直线方程为 Y=bx+a ，其中a，b是待 定的系数。当变量 x取x1，x2，…，xn时，可以得到
图散 点
Байду номын сангаас
回 归 直 线
BG
1
回归直线概念：散点图中心的分布从整体上看 大致是一条直线附近，该直线称为回归直线
求出回归直线的方程
我们就可以比较清楚地了解年龄与体 内脂肪含量之间的相关性
由此可以预测相应年龄段的脂肪含量
那我们又该如何具体求这个回归方程呢？
BG
2
方法汇总
法一
1.选取两点作 直线 ps：使直线两 侧 的点的个 数基本相同。
当a，b取什么值时，Q的值最小，即总体偏差最小
BG
12
求线性回归方程的步骤：
(1)求平均数
；
(2)计算 xi 与 yi 的乘积,再求
；
(3)计算
；
(4)将上述有关结果代入公式，写出回归 直线方程.
BG
13
年 龄 23 27 39 41 45 49 50 53 54 56 57 58 60 61
脂 肪 9.5 17.8 21.2 25.9 27.5 26.3 28.2 29.6 30.2 31.4 30.8 33.5 35.2 34.6
问题:在一次对人体脂肪含量与年龄关系的研究中， 研究人员获得了一组样本数据：
年 龄 23 27 39 41 45 49 50 53 54 56 57 58 60 61
脂 肪 9.5 17.8 21.2 25.9 27.5 26.3 28.2 29.6 30.2 31.4 30.8 33.5 35.2 34.6
法二
法三
1.画一条直线 2.测量出各点 与它的距离
3.移动直线， 到达某一位置 使距离的和最 小，测量出此
时直线的斜率 与截距，得到
回归方程。
1.在散点图中 多取几组点，
确定出几条直 线的方程
2.分别求出各 条直线的斜率、
截距的平均数
3.将这两个平 均数当成回归 方程的斜率与
截距。
BG
法四
？ ？ 3
(x2 ,y2)
yi-(bxi+a)
因此用 y=bx+a的“整体距离”
表示各点到直线
BG
8
由于绝对值使得计算不方便，在实际应用 中人们更喜欢用
Q ? ?y1 ? bx1 ? a?2 ? ?y2 ? bx2 ? a?2 ?? ? ?yn ? bxn ? a?2
(x1,y1)
yi ? ?bxi ? a ?