第一讲简单线性回归模型
计量经济学第2章 简单线性回归模型
1.1回归分析与回归函数
对回归的现代解释与古典意义有很大的不同 定义：是关于研究一个叫做被解释变量（Y）的变量
对另一个或多个叫做解释变量（X）的变量的依赖 关系，其用意在于通过后者的已知或设定值去估计 或预测前者的均值。其中“依赖关系”，反映在一 定的函数形式上：
注意： E(Y X ) F(X1, X2,, Xk )
1.1回归分析与回归函数
1855年，高尔顿发表《遗传的身高 向平均数方向的回归》一文，他和 他的学生通过观察1078对夫妇，以 每对夫妇的平均身高作为自变量， 取他们的一个成年儿子的身高作为 因变量，分析儿子身高与父母身高 之间的关系。 发现： 当父母越高或越矮时，子女的身高 会比一般儿童高或矮，但是，当父 母身高走向极端，子女的身高不会 象父母身高那样极端化，其身高要 比父母们的身高更接近平均身高， 即有“回归”到平均数去的趋势。
其中，μ为随机误差项(stochastic error)或随机扰动 项(stochastic disturbance )，表明除X之外影响Y的因素： 忽略无数可能事件的影响 测量误差
1.1回归分析与回归函数
例：假定E(Y|Xi)对X是线性的：
E(Y Xi ) 1 2 Xi 线性总体回归函数
-1.2 -0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8 Nhomakorabea1.2 Y
因而，要进一步研究变量之间的相关关系，就需要学习回归 分析方法。
1.1回归分析与回归函数
二、回归分析
“回归”这个词最早由英国生物学家高尔顿在遗传学
中提出。
法兰西斯·高尔顿（1822.2.16－1911.1.17）， 英国人类学家、生物统计学家、英国探险家、 优生学家、心理学家、差异心理学之父，也 是心理测量学上生理计量法的创始人，遗传 决定论的代表人物。 高尔顿平生著书15种，撰写各种学术论文220 篇，涉猎范围包括地理、天文、气象、物理、 机械、人类学、民族学、社会学、统计学、 教育学、医学、生理学、心理学、遗传学、 优生学、指纹学、照像术、登山术、音乐、 美术、宗教等，是一位百科全书式的学者。
第一章线性回归模型-mathtype
(1.3.7) (1.3.8)
E A C u A C u A C E (uu ' ) A C 2 A C A C
' 'Байду номын сангаас
'
(1.3.9)
在(1.3.9)式中
A C A C =AA' AC ' CA' CC '
, n)
(1.2.6)
x2i n X X 2 x2i x2i yi ' X Y xi yi
'
正规方程（1.2.4）式变为 n x 2i
x x
2i 2 2i
1 yi x y i i 2
2 2 ' 1 ' ' 1
(X X ) X X (X X )
'
2 ( X ' X ) 1
(1.3.5)
问题：求一元模型yi 1 2 xi ui 最小二乘估计量，
1， 2 的方差，协方差 cov( 1 , 2 ).
1 x var( 2 ) , var( 1 ) ( ) 2 2 n ( x x ) ( x x ) i i
' var( c ) E c E ( c ) c E ( c ) ' E c c
'
( X ' X ) 1 X ' X ( X ' X ) 1 ( X ' X ) 1 X 'C ' CX ( X ' X ) 1 CC ' ( X ' X ) 1 +CC '
简单线性回归
6.98020
15
a 224 (6.98020) 14.7 21.77393
15
15
Yˆ 21.77393 6.9802 X
除了图中所示两变量呈直线关系外，一 般还假定每个 X 对应 Y 的总体为正态分布， 各个正态分布的总体方差相等且各次观测 相互独立。这样，公式（12-2）中的 Yˆ 实际 上是 X 所对应 Y 的总体均数 Y |X 的一个样本 估计值，称为回归方程 的预测值（predicted value）,而 a 、 b 分别为 和 的样本估计。
均数YY 是固定的，所以这部分变异由 Yˆi 的大小不同引起。
当 X 被引入回归以后，正是由于Xi 的不同导致了 Yˆi a bXi 不同，所以SS回 反映了在 Y 的总变异中可以用 X 与 Y 的直线关系解释的那部分变异。
b 离 0 越远，X 对 Y 的影响越大，SS回 就越大，说明 回归效果越好。
lXX
(X X )2
a Y bX
式 中 lXY 为 X 与 Y 的 离 均 差 乘 积 和 :
lXY
(X
X
)(Y
Y
)
XY
(
X
)( n
Y
)
本例：n=15 ΣX=14.7 ΣX2=14.81
ΣY=224 ΣXY=216.7 ΣY2=3368
216.7 (14.7)(224)
b
15 14.81 (14.7)2
儿子身高（Y，英寸）与父亲身高（X， 英寸）存在线性关
系：Yˆ 33.73 0.516 X 。
也即高个子父代的子代在成年之后的身高平均来 说不是更高，而是稍矮于其父代水平，而矮个子父代的子 代的平均身高不是更矮，而是稍高于其父代水平。Galton 将这种趋向于种族稳定的现象称之“回归”
lecture1
描述统计
sum salary sum salary, detail tab male bysort male: sum salary tab male, sum(salary) gr box salary, over(male) 是否存在性别差异？需要检验
T检验
T检验：两个变量，因变量为定距或定比变量， 检验 两个变量 变量为定 或定比变量
简单回归 例子 简单回归：例子
命令： 命令 regress salary market 重要指标和模型解释
（如果b大于0）或减少b个单位（如果b小于0）”。
a被解释为“当X为0时，Y的值是a” 例如：Y = 5 + 10 X，当X为0时，Y的值为5（即a）；而
左上角：方差分析表（table of analysis of variance） 右上角：整体模型的拟合统计值（ 整体模型的拟合统计值（overall ll model d l fit fi
从上面的描述统计可以发现，自变量取值不可能为0，
因此上面模型中的截距项是没有意义的，为获得符合 实际情况的常数项，需要对自变量进行中心化处理：
egen m_market=mean(market) k t ( k t) gen marketc=market-m_market sum marketc regress salary marketc
1、T检验和方差分析 2、简单线性回归 3、虚拟变量（dummy 虚拟变量（ 4、多元线性回归 多 线 5、统计交互（interaction） 6、线性回归假定及变量转换 6 线性回归假定及变量转换
例子 大学教师工资的性别歧视 例子：大学教师工资的性别歧视
简单线性回归模型的公式和参数估计方法以及如何利用模型进行
简单线性回归模型的公式和参数估计方法以及如何利用模型进行数据预测一、简单线性回归模型的公式及含义在统计学中，线性回归模型是一种用来分析两个变量之间关系的方法。
简单线性回归模型特指只有一个自变量和一个因变量的情况。
下面我们将介绍简单线性回归模型的公式以及各个参数的含义。
假设我们有一个自变量X和一个因变量Y，简单线性回归模型可以表示为：Y = α + βX + ε其中，Y表示因变量，X表示自变量，α表示截距项（即当X等于0时，Y的值），β表示斜率（即X每增加1单位时，Y的增加量），ε表示误差项，它表示模型无法解释的随机项。
通过对观测数据进行拟合，我们可以估计出α和β的值，从而建立起自变量和因变量之间的关系。
二、参数的估计方法为了求得模型中的参数α和β，我们需要采用适当的估计方法。
最常用的方法是最小二乘法。
最小二乘法的核心思想是将观测数据与模型的预测值之间的误差最小化。
具体来说，对于给定的一组观测数据（Xi，Yi），我们可以计算出模型的预测值Yi_hat：Yi_hat = α + βXi然后，我们计算每个观测值的预测误差ei：ei = Yi - Yi_hat最小二乘法就是要找到一组参数α和β，使得所有观测值的预测误差平方和最小：min Σei^2 = min Σ(Yi - α - βXi)^2通过对误差平方和进行求导，并令偏导数为0，可以得到参数α和β的估计值。
三、利用模型进行数据预测一旦我们估计出了简单线性回归模型中的参数α和β，就可以利用这个模型对未来的数据进行预测。
假设我们有一个新的自变量的取值X_new，那么根据模型，我们可以用以下公式计算对应的因变量的预测值Y_new_hat：Y_new_hat = α + βX_new这样，我们就可以利用模型来进行数据的预测了。
四、总结简单线性回归模型是一种分析两个变量关系的有效方法。
在模型中，参数α表示截距项，β表示斜率，通过最小二乘法估计这些参数的值。
回归模型介绍
回归模型介绍回归模型是统计学和机器学习中常用的一种建模方法，用于研究自变量（或特征）与因变量之间的关系。
回归分析旨在预测或解释因变量的值，以及评估自变量与因变量之间的相关性。
以下是回归模型的介绍：•线性回归（Linear Regression）： 线性回归是最简单的回归模型之一，用于建立自变量和因变量之间的线性关系。
简单线性回归涉及到一个自变量和一个因变量，而多元线性回归包含多个自变量。
线性回归模型的目标是找到一条最佳拟合直线或超平面，使得预测值与实际观测值的误差最小。
模型的形式可以表示为：Y=b0+b1X1+b2X2+⋯+b p X p+ε其中，Y是因变量， X1,X2,…X p 是自变量，b0,b1,…,b p 是回归系数，ε是误差项。
•逻辑回归（Logistic Regression）： 逻辑回归是用于处理分类问题的回归模型，它基于逻辑函数（也称为S形函数）将线性组合的值映射到概率范围内。
逻辑回归常用于二元分类问题，例如预测是否发生某个事件（0或1）。
模型的输出是一个概率值，通常用于判断一个样本属于某一类的概率。
逻辑回归的模型形式为：P(Y=1)=11+e b0+b1X1+b2X2+⋯+b p X p其中P(Y=1)是事件发生的概率，b0,b1,…,b p是回归系数，X1,X2,…X p是自变量。
•多项式回归（Polynomial Regression）： 多项式回归是线性回归的扩展，允许模型包括自变量的高次项，以适应非线性关系。
通过引入多项式特征，可以更灵活地拟合数据，但也可能导致过拟合问题。
模型形式可以表示为：Y=b0+b1X+b2X2+⋯+b p X p+ε其中，X是自变量，X2,X3,…,X p是其高次项。
•岭回归（Ridge Regression）和Lasso回归（Lasso Regression）： 岭回归和Lasso 回归是用于解决多重共线性问题的回归技术。
这些方法引入了正则化项，以减小回归系数的大小，防止模型过度拟合。
简单线性回归模型
简单线性回归模型线性回归是统计学中一个常见的分析方法，用于建立自变量与因变量之间的关系模型。
简单线性回归模型假设自变量与因变量之间存在线性关系，可以通过最小二乘法对该关系进行拟合。
本文将介绍简单线性回归模型及其应用。
一、模型基本形式简单线性回归模型的基本形式为：y = β0 + β1x + ε其中，y为因变量，x为自变量，β0和β1为常数项、斜率，ε为误差项。
二、模型假设在使用简单线性回归模型之前，我们需要满足以下假设：1. 线性关系假设：自变量x与因变量y之间存在线性关系。
2. 独立性假设：误差项ε与自变量x之间相互独立。
3. 同方差性假设：误差项ε具有恒定的方差。
4. 正态性假设：误差项ε符合正态分布。
三、模型参数估计为了估计模型中的参数β0和β1，我们使用最小二乘法进行求解。
最小二乘法的目标是最小化实际观测值与模型预测值之间的平方差。
四、模型拟合度评估在使用简单线性回归模型进行拟合后，我们需要评估模型的拟合度。
常用的评估指标包括：1. R方值：衡量自变量对因变量变异的解释程度，取值范围在0到1之间。
R方值越接近1，说明模型对数据的拟合程度越好。
2. 残差分析：通过观察残差分布图、残差的均值和方差等指标，来判断模型是否满足假设条件。
五、模型应用简单线性回归模型广泛应用于各个领域中，例如经济学、金融学、社会科学等。
通过建立自变量与因变量之间的线性关系，可以预测和解释因变量的变化。
六、模型局限性简单线性回归模型也存在一些局限性，例如：1. 假设限制：模型对数据的假设比较严格，需要满足线性关系、独立性、同方差性和正态性等假设条件。
2. 数据限制：模型对数据的需求比较高，需要保证数据质量和样本的代表性。
3. 线性拟合局限：模型只能拟合线性关系，无法处理非线性关系的数据。
简单线性回归模型是一种简单且常用的统计方法，可以用于探索变量之间的关系，并进行预测和解释。
然而，在使用模型时需要注意其假设条件，并进行适当的拟合度评估。
线性模型知识点总结
线性模型知识点总结一、线性模型概述线性模型是统计学中一类简单而又常用的模型。
在线性模型中，因变量和自变量之间的关系被描述为一个线性方程式。
线性模型被广泛应用于各种领域，如经济学、医学、社会科学等。
线性模型的简单和普适性使得它成为数据分析中的一种重要工具。
线性模型可以用来建立预测模型、对变量之间的关系进行建模和推断、进行变量选择和模型比较等。
在实际应用中，线性模型有多种形式，包括简单线性回归、多元线性回归、广义线性模型、岭回归、逻辑回归等。
这些模型在不同的情况下可以更好地满足数据的特点和要求。
二、线性回归模型1. 简单线性回归简单线性回归是最基本的线性模型之一，它描述了一个因变量和一个自变量之间的线性关系。
简单线性回归模型可以用如下的方程式来表示：Y = β0 + β1X + ε其中，Y是因变量，X是自变量，β0和β1分别是截距项和斜率项，ε是误差项。
简单线性回归模型基于最小二乘法估计参数，从而得到最优拟合直线，使得观测值和拟合值的离差平方和最小。
简单线性回归模型可以用来分析一个自变量对因变量的影响，比如身高和体重的关系、学习时间和考试成绩的关系等。
2. 多元线性回归多元线性回归是在简单线性回归的基础上发展而来的模型，它能够同时描述多个自变量对因变量的影响。
多元线性回归模型可以用如下的方程式来表示：Y = β0 + β1X1 + β2X2 + ... + βpXp + ε其中，X1、X2、...、Xp是p个自变量，β0、β1、β2、...、βp分别是截距项和各自变量的系数，ε是误差项。
多元线性回归模型通过估计各系数的值，可以得到各自变量对因变量的影响情况，以及各自变量之间的相关关系。
3. 岭回归岭回归是一种用来处理多重共线性问题的线性回归方法。
在多元线性回归中，如果自变量之间存在较强的相关性，会导致参数估计不准确，岭回归通过对参数加上一个惩罚项来避免过拟合，从而提高模型的稳定性和泛化能力。
岭回归模型可以用如下的方程式来表示：Y = β0 + β1X1 + β2X2 + ... + βpXp + ε - λ∑(β^2)其中，λ是岭参数，用来平衡参数估计和惩罚项之间的关系。
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简单线性回归模型
建立两个变量X和Y间的关系模型，推断变量Y 如何依赖于变量X, 从而可以用X预测Y.
例：
广告费用和销售量 公司的市值与CEO的年薪 原始股的销售数量和期望价格 证券市场收益率与某只股票的收益率 商品价格和销售量 装配线的速度和次品数量 年收入与信用卡消费金额 年龄与手机话费 连锁店附近的人流与店的利润 气温与滑雪场门票销量
其中
s2 ind
s2
1
1 n
(xp x)2
xi2 ( xi )2
/n
( 76.13, 143.87)
22
两种区间的关系
均值的置信区间 预测区间边界
xp
23
对模型作进一步的探讨
回忆我们使用的模型； 对模型作了什么假定？ 逻辑问题：如何判断我们的问题符合这
些假定？ 分析的方案：残差分析
F=MSR/MSE 其中MSR=SSR/自变量的个数 拒绝域
F>F(1, n-2)
17
回归方程的方差分析表
方差来源 回归 误差 总计
平方和 SSR SSE SST
自由度 1 n-2 n-1
均方 F值 MSR MSR/MSE MSE
18
阿姆德连锁店的情形
使用EXCEL对阿姆德连锁店的数据 建立模型，并进行分析，基于EXCEL的输 出结果，你对该模型有些什么认识？
高杠杆率的点意味着它的自变量距离别的自变
量的值距离较大的点。
识别影响的观测: 杠杆率>6/n的观测.
强影响点最常用的值是Welsch-Kuh诊断 统计量或者Cook统计量
34
对于建立简单线性回归模型， 你知道了些什么？
什么情况下需要建立简单线性回归模型？ 对模型的假定有哪些？ 如何估计模型的参数？ 如何检验模型及其参数的显著性？ 如何使用你建立的模型进行预测？ 如何分析你的问题符合对模型做的假定？
Y r2 = 1,r = +1
Y r2 = 1, r = -1
X
Yr2 = .8, r = +0.9
X
Y r2 = 0, r = 0
X
X
14
的估计
理解误差平方和 SSE ( yi yˆi )2 ( yi b0 b1xi )2
的一个无偏估计 s2=MSE=SSE/(n-2)
15
关于回归系数的假设检验
散点图； 利用学生化标准残差基本服从标 准正态分布来检测(落在2个标准差之外 时)。
32
带有异常值的散点图示例
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
33
检测有影响的观测值
什么是有影响的观测？ 观测的杠杆率：
第i个观测的杠杆率
1
h i n
( xi x)2 ( xi x)2
i 1,2, n
E( yp )的1置信区间是
yˆ p t / 2 (n 2) syˆ p ( 98.58, 121.42)
21
使用你建立的模型（三）
对于问题二，如何给出一个预测区间， 使得这家连锁店的季度销售收入落在该 区间里面的概率是1-？
y p的概率为1 的预测区间是
yˆ p t / 2 (n 2) sind
………
阿姆德比萨饼连锁店的问题
阿姆得(Armand)比萨饼连锁店坐落在美国的5 个州内，它们通常的位置是在大学旁边，而且管理人 员相信附近大学的人数与这些连锁店的季度销售额是 有关系的。下面是10家连锁店附近大学的学生人数和 季度销售收入的数据：
连锁店
1
学生人数/千人 2
销售额/千元 58
23 68 105 88
27
非线性
ˆ
✓ 线性
ˆ
X
X
28
方差不等
ˆ
✓ 方差相等
ˆ
X
X
29
不独立
ˆ
✓ 独立
ˆ
X
X
30
一个残差不独立的例子
0.8 0.6 0.4 0.2
0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8
31
异常值的检测
异常值是与其它点显示的趋势不合的点。 检查它是否可能是被错误输入的数据。 检测异常值的方法：
SST ( yi y)2 ( yi yˆi yˆi y)2
( yi yˆi )2 ( yˆi y)2 SSE SSR
定义判定系数R2=SSR/SST. 判定系数的含义是什么？ 阿姆德比萨饼连锁店的例子：R2=0.9027. 判定系数和相关系数的关系。
13
Coefficients of Determination (r2) and Correlation (r)
第i个残差： ˆi yi yˆi i 1,2, n
24
通过残差你能够了解什么？
对误差项作的假定适合吗？ 1）等方差； 2）相互独立； 3）正态分布；
哪些数据属于异常值？ 哪些观测属于对回归模型有很大影响的？
25
残差图
关于自变量的残差图； 关于因变量的预测值的残差图； 学生化的标准残差图：
Yi 0 1Xi i 观测值
i
=
随机误差
Y 0 1X
X
8
模型的假定
1) E()=0; (E(y)=x) 2) 对于所有的x，Var()=. 3) 是服从正态分布N(0, ) 的. 4) 对于不同的x, 是相互独立的.
这些假定意味着什么？
9
f
y 服从在回归直线附近的正态分布
250
季度销售收入/千美圆
200
150
100
50
0
0
5
10
15
20
25
30
学生人数/千人
根据这些你可以得到什么结论？
4
Types of Regression Models
Positive Linear Relationship
Relationship NOT Linear
Negative Linear Relationship
/
n
,
b0 y b1 x
估计的回归直线 yˆ b0 b1x
11
阿姆德连锁店的回归直线
估计参数
b1=5
250
季度销售收入/千美圆
b0=60
200 150
回归直线
100
50
yˆ 60 5x
0
0
5
10
15
20
25
30
你对系数的含义怎么
学生人数/千人
理解？
12
回归方程的判定系数
y的总变差的分解
第i个标准化残差
其中
Std_ˆi ˆi / sˆi
sˆi s
1 hi ,
1
h i n
( xi x)2 ( xi x)2
26
如何分析残差图
如果模型是符合的，那么残差图上的散 点应该落在一条水平带中间，除此之外， 残差图上的点不应呈现出什么规律性。
使用EXCEL对阿姆德连锁店的数据产生残 差图。你能得到什么结论？
对每个 x 值， y分布的方差相同.
Y
X1 X
X2 回归直线
10
估计的回归方程
如何估计参数和？
最小二乘准则
n
求解 min ( yi 0 1 xi )2 0 ,1 i1
得出达到最小值点(b0 , b1)为0和1的点估计
b1
xi yi ( xi2 (
xi xi
)2
yi ) /n
35
对于问题一，如何得到这种连锁店平均 销售收入的一个95%的置信区间？
对于给定的xp , yˆ p b0 b1xp是E( yp )的无偏估计。
yˆ p的分布是N (E( yp ),
2 yˆ p
), 其中
y2ˆ p的估计是
s2 yˆ p
s2
1 n
(xp x)2
xi2 ( xi )2 / n
No RБайду номын сангаасlationship
5
模型的引入
对于给定的学生人数，销售收入是唯一确定的 一个数，还是一个随机变量？
学生人数的变化如何影响到销售收入？ 使用的模型
6
简单线性回归模型
Y 的截距
随机误差
Y 0 1X
因变量（响 应变量，被 预测变量）
斜率
自变量（解释 变量，预测变 量）
7
Y
观测值
4 5 6 7 8 9 10 8 12 16 20 20 22 26 118 117 137 157 169 149 202
根据以上数据，你能否判断学生人数(x)如何影 响到销售收入(y)？根据一家连锁店附近大学的人数， 你能够预测该家连锁店的季度销售收入吗？
3
描述学生人数和销售收入之间的关系
协方差(315.56)和相关系数(0.95)，散点图；
19
使用你建立的模型（一）
问题一：对于那些附近学校人数是1万的 连锁店，他们的季度销售收入一定是一 样吗？这种连锁店平均的季度销售收入 是多少？你能够给出一个估计吗？
问题二：某家连锁店附近学生总数约1万 人，你能够给出它的季度销售收入的一 个估计值吗？
点估计：110
20
使用你建立的模型（二）
H0 : 1 0 H1 : 1 0
检验统计量
t b1 sb1
其中sb1
s
xi2
1 n
(
xi )2 是b1的标准误差
给定显著水平时，选择拒绝域
t t /2 (n 2)或者t t /2 (n 2)
16