线性回归分析与方差分析.
第9章-方差分析与线性回归
Xij X E
s nj
ST s
n
E
j
j 1
i 1
X ij X
j1 i1
s nj
X ij2 nX
j1 i1
X ij 2
2
2
s nj
X
EE(X
)j
s11ninj1jEs1Xinj1ijjE21(Xiinj1)X
1 n
s
nj ( j )
j 1
s nj
E( Xij2 ) nE( X 2 )
X12 X 22
As : N s , 2
X1s X 2s
X n11
X n2 2
X nss
每个总体相互独立. 因此, 可写成如 下的 数学模型:
ij
~
X ij j ij N (0, 2 ), 各ij独立
i 1, 2, , nj，j 1, 2, , s
方差分析的目的就是要比较因素A 的r 个水平下试验指标理论均值的 差异, 问题可归结为比较这r个总体 的均值差异.
i
ij (0, 2 ),各ij独立
1, 2, , nj，j 1, 2, , s
n11 n22 ... nss 0
假设等价于 H0 :1 2 s 0
H1 :1,2,
,
不全为零。
s
为给出上面的检验，主要采用的方法是平方和 分解。即
假设数据总的差异用总离差平方和 ST 分解为
第九章 回归分析和方差分析
关键词： 单因素试验 一元线性回归
方差分析(Analysis of variance, 简 称:ANOVA),是由英国统计学家费歇尔 (Fisher)在20世纪20年代提出的,可用于推 断两个或两个以上总体均值是否有差异 的显著性检验.
方差分析 线性回归
1 线性回归1.1 原理分析要研究最大积雪深度x与灌溉面积y之间的关系，测试得到近10年的数据如下表：使用线性回归的方法可以估计x与y之间的线性关系。
线性回归方程式：对应的估计方程式为线性回归完成的任务是，依据观测数据集(x1,y1),(x2,y2),...,(xn,yn)使用线性拟合估计回归方程中的参数a和b。
a,b都为估计结果，原方程中的真实值一般用α和β表示。
为什么要做这种拟合呢？答案是：为了预测。
比如根据前期的股票数据拟合得到股票的变化趋势（当然股票的变化可就不是这么简单的线性关系了）。
线性回归的拟合过程使用最小二乘法，最小二乘法的原理是：选择a,b的值，使得残差的平方和最小。
为什么是平方和最小，不是绝对值的和？答案是，绝对值也可以，但是，绝对值进行代数运算没有平方那样的方便，4次方又显得太复杂，数学中这种“转化化归”的思路表现得是那么的优美！残差平方和Q，求最小，方法有很多。
代数方法是求导，还有一些运筹学优化的方法（梯度下降、牛顿法），这里只需要使用求导就OK了，为表示方便，引入一些符号，最终估计参数a与b的结果是：自此，针对前面的例子，只要将观测数据带入上面表达式即可计算得到拟合之后的a和b。
不妨试一试？从线性函数的角度，b表示的拟合直线的斜率，不考虑数学的严谨性，从应用的角度，结果的b可以看成是离散点的斜率，表示变化趋势，b的绝对值越大，表示数据的变化越快。
线性回归的估计方法存在误差，误差的大小通过Q衡量。
1.2 误差分析考虑获取观测数据的实验中存在其它的影响因素，将这些因素全部考虑到e~N(0,δ^2)中，回归方程重写为y = a + bx + e由此计算估计量a与b的方差结果为，a与b的方差不仅与δ和x的波动大小有关，而且还与观察数据的个数有关。
在设计观测实验时，x的取值越分散，估计ab的误差就越小，数据量越大，估计量b的效果越好。
这也许能为设计实验搜集数据提供某些指导。
1.3 拟合优度检验及统计量拟合优度检验模型对样本观测值的拟合程度，其方法是构造一个可以表征拟合程度的指标，称为统计量，统计量是样本的函数。
方差分析与回归分析的原理
方差分析与回归分析的原理方差分析和回归分析是统计学中常用的两种数据分析方法，它们都用于研究变量之间的相互关系，但是基于不同的背景和目的，其原理和应用也有所不同。
首先，我们来了解一下方差分析。
方差分析是一种用于比较两个或多个群体均值差异的统计方法。
它基于对总体方差的分解来分析不同因素对群体之间差异的贡献程度。
具体来说，方差分析将总体方差分解为组内变异和组间变异两部分，然后通过计算F统计量来判断组间变异是否显著大于组内变异。
方差分析可以用于很多场景，比如医疗研究中分析不同药物对疾病治疗效果的差异、教育研究中比较不同教学方法对学生成绩的影响等。
在进行方差分析时，需要明确一个自变量（也称为因素或处理）和一个因变量（也称为响应变量）。
自变量是被研究者主动操作或选择的变量，而因变量是根据自变量的不同取值而发生变化的变量。
方差分析的基本原理是通过对不同组之间的变异进行比较，来判断组间是否存在统计显著差异。
方差分析的核心思想是使用F统计量来判断组间变异与组内变异的比例是否显著大于1。
通过计算F值并与临界值进行比较，可以得出结论是否存在显著差异。
如果F值大于临界值，则可以拒绝原假设，表明不同组之间存在显著差异；如果F值小于临界值，则接受原假设，认为组间差异不显著。
接下来，我们来了解一下回归分析。
回归分析是统计学中用于研究变量之间关系的一种方法。
它研究的是一个或多个自变量对因变量的影响程度和方向。
回归分析可以用于预测未来趋势、解释变量之间的关系、探究因果关系以及确定主要影响因素等。
回归分析分为线性回归和非线性回归两种。
线性回归是最常用的一种回归方法，它假设自变量与因变量之间存在线性关系。
以一元线性回归为例，我们假设因变量Y可以用一个自变量X的线性函数来表示，即Y = β0 + β1X + ε，其中β0和β1是回归系数，ε是误差项，代表了未被自变量解释的因素。
通常，回归分析的目标是估计出回归系数的值，并利用这些系数来解释因变量与自变量之间的关系。
方差分析与回归分析
方差分析与回归分析在统计学中，方差分析（ANOVA）和回归分析（Regression Analysis）都是常见的统计分析方法。
它们广泛应用于数据分析和实证研究中，有助于揭示变量之间的关系和影响。
本文将对方差分析和回归分析进行介绍和比较，让读者更好地理解它们的应用和区别。
一、方差分析方差分析是一种统计方法，用于比较两个或更多组别的均值是否存在显著差异。
它通过计算组内变异和组间变异的比值来判断不同组别间的差异是否具有统计显著性。
在方差分析中，通常有三种不同的情形：单因素方差分析、双因素方差分析和多因素方差分析。
单因素方差分析适用于只有一个自变量的情况。
例如，我们想要比较不同教育水平对收入的影响，可以将教育水平作为自变量分为高中、本科和研究生三个组别，然后进行方差分析来检验组别之间的收入差异是否显著。
双因素方差分析适用于有两个自变量的情况。
例如，我们想要比较不同教育水平和不同工作经验对收入的影响，可以将教育水平和工作经验作为自变量，进行方差分析来研究其对收入的影响程度和相互作用效应。
多因素方差分析适用于有多个自变量的情况。
例如，我们想要比较不同教育水平、工作经验和职位对收入的影响，可以将教育水平、工作经验和职位作为自变量，进行方差分析来探究它们对收入的联合影响。
方差分析的基本原理是计算组内变异和组间变异之间的比值，即F 值。
通过与临界F值比较，可以确定差异是否显著。
方差分析的结果通常会报告组间平均差异的显著性水平，以及可能存在的交互作用。
二、回归分析回归分析是一种统计方法，用于研究自变量与因变量之间的关系。
它通过建立一个数学模型来描述自变量对因变量的影响程度和方向。
回归分析分为简单线性回归和多元线性回归两种类型。
简单线性回归适用于只有一个自变量和一个因变量的情况。
例如，我们想要研究体重与身高之间的关系，可以将身高作为自变量、体重作为因变量，通过拟合一条直线来描述二者之间的关系。
多元线性回归适用于有多个自变量和一个因变量的情况。
统计学中的方差分析与回归分析比较
统计学中的方差分析与回归分析比较统计学是以搜集、整理、分析数据的方法为研究对象的一门学科，随着现代科技的不断进步，统计学在许多领域中都扮演着至关重要的角色。
在统计学的研究中，方差分析和回归分析都是两种常见的方法。
然而，这两种方法之间的区别是什么？它们各自的优缺点又是什么呢？本文将就这些问题进行探讨。
一、方差分析是什么？方差分析，也称为ANOVA (analysis of variance)，是一种用于分析各个因素对于某一变量影响力大小的方法。
在统计数据分析中，可能有多个自变量（影响因素），这时我们需要检验这些因素中哪些是显著的，即在该因素下所得的计算值与总计算值之间是否存在显著性差异。
因此，方差分析的基本思想是对总体方差进行分析，检验各个因素是否会对总体造成显著影响。
二、回归分析是什么？回归分析则是研究两个变量之间关系的一种方法。
一个自变量（independent variable）是已知的、独立的变量，一个因变量（dependent variable）是需要预测或解释的变量。
回归分析的主要目的是利用自变量对因变量进行预测，或者解释自变量与因变量之间的关系。
回归分析一般有两种，即简单线性回归和多元回归。
三、方差分析与回归分析的比较1. 适用范围方差分析适用于多个自变量之间的比较；回归分析则适用于对单个因变量的预测。
2. 关心的变量在方差分析中，我们关心的是各个自变量对总体造成的显著影响程度；在回归分析中，我们关心的是自变量与因变量之间的相关性。
3. 变量类型方差分析和回归分析处理的数据类型也不相同。
在方差分析中，自变量通常为分类变量（catogorical variable），而因变量通常为连续量（continuous variable）。
而在回归分析中，自变量和因变量都为连续量。
4. 独立性假设方差分析的独立性假设要求各组之间是相互独立、没有相关的，而回归分析的独立性假设要求各个观测或实验之间是独立的。
统计学中的ANOVA与线性回归的比较与选择
统计学中的ANOVA与线性回归的比较与选择统计学是一门与数理逻辑相结合的学科，旨在通过收集和分析数据来解释现象，预测未来，以及做出合理的决策。
ANOVA（方差分析）和线性回归是统计学中常见的两种数据分析方法。
本文将对这两种方法进行比较，并讨论在不同情境下如何选择适合的方法。
一、ANOVA（方差分析）方差分析是一种用于比较两个或多个组之间差异的统计方法。
它的主要目的是确定组之间是否存在显著差异，特别是在处理离散型因变量和一个或多个分类自变量的情况下。
方差分析通过计算组间差异所占总差异的比例来评估差异的显著性。
在进行ANOVA分析时，需要满足以下假设：1. 观测值之间是独立的。
2. 每个组内的观测值是来自正态分布的。
3. 方差齐性：每个组的观测值具有相同的方差。
ANOVA方法的计算复杂度较高，需要进行多个参数的估计和显著性检验。
它的结果可以得出组之间的差异是否显著，但并不能提供具体解释这种差异的原因。
二、线性回归线性回归是一种用于建立自变量和因变量之间线性关系的统计方法。
它可以帮助我们了解自变量对于因变量的影响程度，并进行预测。
线性回归可以处理连续型因变量，并适用于一个或多个连续型或离散型自变量。
在线性回归中，我们假设因变量与自变量之间存在线性关系，并使用最小二乘法来估计回归方程的参数。
通过评估回归方程的显著性以及各个自变量的系数，我们可以判断自变量对于因变量的影响是否显著。
然而，线性回归方法也有其局限性。
它假设因变量与自变量之间存在线性关系，但在实际情况中，线性关系并不总是存在。
此外，线性回归还要求各项观测值之间相互独立，误差项为常数方差，以及误差项服从正态分布。
三、比较与选择在选择ANOVA还是线性回归方法时，需要考虑以下几个因素：1. 因变量的类型：如果因变量是离散型变量，可以考虑使用ANOVA方法。
如果是连续型变量，可以考虑使用线性回归方法。
2. 自变量的类型：如果自变量是分类变量，可以使用ANOVA方法进行比较。
方差分析和回归分析
方差分析和回归分析方差分析和回归分析是统计学中常用的两种数据分析方法。
它们分别用于比较多个样本之间的差异以及建立变量之间的函数关系。
本文将对方差分析和回归分析进行介绍和比较。
一、方差分析方差分析（Analysis of Variance，简称ANOVA）是一种用于比较多个样本均值是否存在差异的统计方法。
方差分析通过比较组间和组内的方差来判断样本均值是否存在显著差异。
方差分析需要满足一些基本假设，如正态分布假设和方差齐性假设。
方差分析可以分为单因素方差分析和多因素方差分析。
单因素方差分析是指只有一个自变量（因素）对因变量产生影响的情况。
多因素方差分析则包含两个或两个以上自变量对因变量的影响，可以用于分析多个因素交互作用的效应。
方差分析的步骤包括建立假设、计算各组均值和方差、计算F值和判断显著性等。
通过方差分析可以得到组间显著性差异的结论，并进一步通过事后多重比较方法确定具体哪些组之间存在显著差异。
二、回归分析回归分析（Regression Analysis）是一种用于分析自变量和因变量之间关系的统计方法。
回归分析通过建立一种数学模型，描述自变量对因变量的影响程度和方向。
回归分析可用于预测、解释和探索自变量与因变量之间的关系。
回归分析可以分为线性回归和非线性回归。
线性回归是指自变量和因变量之间存在线性关系的情况，可以用一条直线进行拟合。
非线性回归则考虑了自变量和因变量之间的非线性关系，需要采用曲线或其他函数来进行拟合。
回归分析的步骤包括建立模型、估计参数、检验模型的显著性、预测等。
回归模型的好坏可以通过拟合优度、回归系数显著性以及残差分析等指标进行评估。
三、方差分析与回归分析的比较方差分析和回归分析都是常用的统计方法，但它们有一些区别。
主要区别包括：1. 目的不同：方差分析用于比较多个样本之间的差异，判断样本均值是否存在显著差异；回归分析则用于建立自变量和因变量之间的函数关系，预测和解释因变量。
2. 自变量个数不同：方差分析一般只有一个自变量（因素），用于比较不同组别之间的差异；回归分析可以包含一个或多个自变量，用于描述自变量对因变量的影响关系。
方差分析回归分析
案例二：不同地区教育水平的方差分析
总结词
通过比较不同地区的教育水平，了解各 地区教育发展的差异，为政府制定教育 政策提供科学依据。
VS
详细描述
收集不同地区的教育水平数据，包括学校 数量、教师质量、学生成绩等。利用方差 分析方法，分析各地区教育水平是否存在 显著差异，并探究影响教育水平的因素。 根据分析结果，提出针对性的教育政策建 议，促进教育公平和发展。
应用范围
方差分析主要应用于实验设计、质量控制等领域，而回归 分析则广泛应用于预测、建模和决策等领域。
04
方差分析的实际应用案例
案例一：不同品牌电视销量的方差分析
总结词
通过对比不同品牌电视的销量，分析品牌、型号、价格等因素对销量的影响，有助于企业了解市场需 求和竞争态势。
详细描述
选取市场上不同品牌、型号、价格的电视，收集其销量数据。利用方差分析方法，分析各品牌电视销 量是否存在显著差异，并进一步探究价格、功能等变量对销量的影响。根据分析结果，为企业制定营 销策略提供依据。
05
回归分析的实际应用案例
案例一：预测股票价格与成交量的回归分析
总结词
股票价格与成交量之间存在一定的相 关性，通过回归分析可以预测股票价 格的走势。
详细描述
通过收集历史股票数据，分析股票价 格与成交量之间的相关性，建立回归 模型。利用该模型，可以预测未来股 票价格的走势，为投资者提供决策依 据。
详细描述
方差分析在许多领域都有广泛的应用，如心理学、社会科学、生物统计学和经济学等。它可以用于比较不同组数 据的均值差异，探索因子对因变量的影响，以及处理分类变量和连续变量的关系。通过方差分析，研究者可以更 好地理解数据结构和关系，为进一步的数据分析和解释提供依据。
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i 1
i 1
称Q(a, b)为偏差平方和
最小二乘法就是选择a，b的估计 aˆ, bˆ，使得
Q(a, b)为最小（图9-2）
图9-2
为了求Q（a, b）的最小值，分别求Q关于a， b的偏导数，并令它们等于零：
a
Q(a,
b)
b
Q(a,
b)
n
i 1 n
i 1
（2）
由正 规方程组解得
n
( xi x)( yi y)
bˆ i1 n
(xi x) 2
i 1
aˆ y bˆx
其中
x
1 n
n i1
xi ,
y
1 nຫໍສະໝຸດ n i1yi用最小二乘法求出的估计 aˆ 、bˆ 分别称为a、b的最
小二乘估计
此时，拟合直线为 yˆ aˆ bˆx y bˆ(x x)
( yi ( yi
a a
bxi )(2) bxi )(2xi )
0
0
经整理后得到
na
n
xi b
n
bi
i1
i 1
n i 1
xi a n i1
xi2 b
n i 1
xi yi
式（2）称为正规方程组.
（1）
n
2 x12
aˆ
~
N
a,
n
i 1
n (xi x)2
i 1
（2）
bˆ
~
N
b,
n
2
(xi x)2
i1
（3）
n 2
ˆ
2
~
2 (n
2)
（4） ˆ 2分别与 aˆ、bˆ独立。
例如，农作物的单位面积产量与施肥量之间有 密切的关系，但是不能由施肥量精确知道单位面积 产量，这是因为单位面积产量还受到许多其他因素 及一些无法控制的随机因素的影响。
又如，人的身高与体重之间存在一种关系，一般来 说，人身高越高，体重越大，
但同样高度的人，体重却往往不同。这种变量之间 的不确定性关系称之为相关关系。
（1）利用样本对未知参数a、b、 2进行估计；
（2）对回归模型作显著性检验； （3）当x=x0时对Y的取值作预测，即对Y作区间 估计.
二、 参数a、b、 2 的估计
现在我们用最小二乘法来估计模型（1）中的
未知参数a,b.
n
n
记 Q Q(a,b)
2 i
( yi a bxi )2
直线附近.但各点不完全在一条直线上，这是由于Y
还受到其他一些随机因素的影响.
这样，Y可以看成是由两部分叠加而成，一部
分是x的线性函数a+bx，另一部分是随机因素引起的
误差 ，即
y
Y=a+bx+
500
* *L
400 300
*
*
*
*
200
100
o
* **
20
40
60
80
100 120
这就是所谓的 一元线性回归模型
函数关系，事实上，即使不同的厂家投入了相同 的广告费，其销售额也不会是完全相同的。影响 销售额的因素是多种多样的，除了广告投入的影 响，还与厂家产品的特色、定价、销售渠道、售 后服务以及其他一些偶然因素有关。
画出散点图如图9-1所示.从图中可以看出，随
着广告投入费x的增加，销售额Y基本上也呈上升
趋势，图中的点大致分布在一条向右上方延伸的
对于具有相关关系的变量，虽然不能找到他们之间 的确定表达式，但是通过大量的观测数据，可以发 现他们之间存在一定的统计规律，
数理统计中研究变量之间相关关系的一种有效方法 就是回归分析。
一、 一元线性回归模型
假定我们要考虑自变量x与因变量Y之间的相关关系 假设x为可以控制或可以精确观察的变量，即x为普 通的变量。由于自变量x给定后，因变量Y并不能确 定，从而Y是一个与x有关的随机变量
yi a bxi i i 1,, n
i ~ N (0, 2 )
1,
,
相互独立
n
如果由样本得到式（1）中，a, b的估计值 aˆ, bˆ ，
则称 yˆ aˆ bˆx为拟合直线或经验回归直线，它 可作为回归直线的估计
一元线性回归主要解决下列一些问题：
第九章 线性回归分析与方差分析
第一节 一元线性回归分析 第二节 可线性化的非线性回归 第三节 多元线性回归简介 第四节 方差分析
第一节 一元线性回归分析
在许多实际问题中，我们常常需要研究多 个变量之间的相互关系。 一般来说，变量之间的关系可分为两类： 一类是确定性关系，确定性关系是指变量之间的关 系可以用函数关系来表达，例如电流I电压V电 阻R之间有关系式V=IR。 另一类是非确定性关系，有些变量之间的关系是非 确定性的关系，这种关系无法用一个精确的函数 式来表示。
下面再用矩法求 2的估计
由于
2
D
E
2
由矩估计法，可用
E
2 估计
1
n
n i1
2 i
而i yi a bxi ，a、b分别由 aˆ、bˆ代入
故
2可用
ˆ 2
1 n
n
( yi
i1
aˆ bˆxi )2
作估计
对于估计量 aˆ、bˆ、ˆ 2 的分布，有：
定理1
例1 对某广告公司为了研究某一类产品的广告费x用 与其销售额Y之间的关系，对多个厂家进行调查， 获得如下数据
厂家 1 广告费 6 销售额 31
23 456789 10 21 40 62 62 90 100 120 58 124 220 299 190 320 406 380
广告费与销售额之间不可能存在一个明确的
x
图9-1
一般地，假设x与Y之间的相关关系可表示为
Y a bx (1)
其中：a, b为未知常数
为随机误差且 ~ N (0, 2 ) 2 未知，
x与Y的这种关系称为一元线性回归模型
y=a+bx称为回归直线 b称为回归系数
此时 Y ~ N(a bx, 2 )
对于（x, Y）的样本（x1，y1），…，（xn，yn）有：
我们对于可控制变量x取定一组不完全相同的值 x1，…，xn，作n次独立试验，得到n对观测结果：
（x1,y1） ，（x2,y2），…，（xn, yn）
其中yi是x=xi时随机变量Y的观测结果.将n对观测结 果（xi，yi）（i=1,…,n）在直角坐标系中进行描点， 这种描点图称为散点图.散点图可以帮助我们精略 地看出Y与x之间的某种关系.