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统计学学习教程,从入门到精通,一元线性回归 —— 知识点详解(20)

四、残差分析

4.1 残差的定义

ei=yi−y^i=yi−(β^0+β^1xi),i=1,2,…,ne_i = y_i – \\hat{y}_i = y_i – (\\hat{\\beta}_0 + \\hat{\\beta}_1 x_i), \\quad i = 1, 2, \\ldots, nei​=yi​−y^​i​=yi​−(β^​0​+β^​1​xi​),i=1,2,…,n

4.2 标准化残差

ei∗=eiσ^=eiQe/(n−2)e_i^* = \\frac{e_i}{\\hat{\\sigma}} = \\frac{e_i}{\\sqrt{Q_e/(n-2)}}ei∗​=σ^ei​​=Qe​/(n−2)​ei​​

4.3 残差的性质

由正规方程,残差满足:

  • ∑ei=0\\sum e_i = 0∑ei​=0
  • ∑xiei=0\\sum x_i e_i = 0∑xi​ei​=0
  • ∑y^iei=0\\sum \\hat{y}_i e_i = 0∑y^​i​ei​=0
  • eˉ=0\\bar{e} = 0eˉ=0
  • 4.4 残差分析的目的与方法

    目的: 检验回归模型的基本假设是否成立。

    三大假设检验:

    假设正常残差图表现违反时残差图表现
    线性性 E(ε)=0E(\\varepsilon)=0E(ε)=0 残差在 e=0e=0e=0 两侧随机分布 呈现曲线趋势
    等方差性 D(ε)=σ2D(\\varepsilon)=\\sigma^2D(ε)=σ2 残差带宽恒定 呈喇叭形或漏斗形
    正态性 ε∼N(0,σ2)\\varepsilon \\sim N(0,\\sigma^2)ε∼N(0,σ2) 残差近似正态分布 偏态或有异常点

    常用残差图:

  • 残差 vs 拟合值图(eie_iei​ vs y^i\\hat{y}_iy^​i​):检验等方差性和线性性
  • 残差 vs 自变量图(eie_iei​ vs xix_ixi​):检验线性性
  • 残差正态Q-Q图:检验正态性
  • 残差直方图:粗略检验正态性
  • 4.5 异常点的识别

    • 离群点(Outlier): ∣ei∗∣>2|e_i^*| > 2∣ei∗​∣>2 的点
    • 高杠杆点: xix_ixi​ 远离 xˉ\\bar{x}xˉ 的点
    • 强影响点: 删除该点后回归系数变化很大的点

    五、公式速查表

    公式名称公式
    LxyL_{xy}Lxy​ ∑xiyi−nxˉyˉ\\sum x_iy_i – n\\bar{x}\\bar{y}∑xi​yi​−nxˉyˉ​
    LxxL_{xx}Lxx​ ∑xi2−nxˉ2\\sum x_i^2 – n\\bar{x}^2∑xi2​−nxˉ2
    LyyL_{yy}Lyy​ ∑yi2−nyˉ2\\sum y_i^2 – n\\bar{y}^2∑yi2​−nyˉ​2
    斜率 β^1\\hat{\\beta}_1β^​1​ Lxy/LxxL_{xy}/L_{xx}Lxy​/Lxx​
    截距 β^0\\hat{\\beta}_0β^​0​ yˉ−β^1xˉ\\bar{y} – \\hat{\\beta}_1\\bar{x}yˉ​−β^​1​xˉ
    相关系数 rrr Lxy/LxxLyyL_{xy}/\\sqrt{L_{xx}L_{yy}}Lxy​/Lxx​Lyy​​
    决定系数 R2R^2R2 SSR/SST=r2SSR/SST = r^2SSR/SST=r2
    残差平方和 QeQ_eQe​ Lyy−Lxy2/LxxL_{yy} – L_{xy}^2/L_{xx}Lyy​−Lxy2​/Lxx​
    FFF 统计量 (SSR/1)/(SSE/(n−2))(SSR/1)/(SSE/(n-2))(SSR/1)/(SSE/(n−2))
    ttt 统计量 β^1/Se2/Lxx\\hat{\\beta}_1/\\sqrt{S_e^2/L_{xx}}β^​1​/Se2​/Lxx​​

    六、思考与练习

    习题1(基础计算题)

    某公司研究广告投入 xxx(万元)与销售额 yyy(万元)的关系,随机抽取 8 个月的数据如下:

    xix_ixi​235678910
    yiy_iyi​ 20 25 30 34 38 40 44 48

    要求:
    (1)计算相关系数 rrr,并检验其显著性(α=0.05\\alpha = 0.05α=0.05)
    (2)求回归方程 y^=β^0+β^1x\\hat{y} = \\hat{\\beta}_0 + \\hat{\\beta}_1 xy^​=β^​0​+β^​1​x
    (3)对回归方程进行 FFF 检验(α=0.05\\alpha = 0.05α=0.05)
    (4)当广告投入 x0=6.5x_0 = 6.5x0​=6.5 万元时,求销售额均值的 95% 置信区间和个别值的 95% 预测区间


    解答:

    第一步:计算基本统计量

    n=8n = 8n=8

    ∑xi=2+3+5+6+7+8+9+10=50\\sum x_i = 2+3+5+6+7+8+9+10 = 50∑xi​=2+3+5+6+7+8+9+10=50,xˉ=50/8=6.25\\bar{x} = 50/8 = 6.25xˉ=50/8=6.25

    ∑yi=20+25+30+34+38+40+44+48=279\\sum y_i = 20+25+30+34+38+40+44+48 = 279∑yi​=20+25+30+34+38+40+44+48=279,yˉ=279/8=34.875\\bar{y} = 279/8 = 34.875yˉ​=279/8=34.875

    ∑xi2=4+9+25+36+49+64+81+100=368\\sum x_i^2 = 4+9+25+36+49+64+81+100 = 368∑xi2​=4+9+25+36+49+64+81+100=368

    ∑yi2=400+625+900+1156+1444+1600+1936+2304=10365\\sum y_i^2 = 400+625+900+1156+1444+1600+1936+2304 = 10365∑yi2​=400+625+900+1156+1444+1600+1936+2304=10365

    ∑xiyi=40+75+150+204+266+320+396+480=1931\\sum x_iy_i = 40+75+150+204+266+320+396+480 = 1931∑xi​yi​=40+75+150+204+266+320+396+480=1931

    第二步:计算 LxyL_{xy}Lxy​,LxxL_{xx}Lxx​,LyyL_{yy}Lyy​

    Lxy=∑xiyi−nxˉyˉ=1931−8×6.25×34.875=1931−1743.75=187.25L_{xy} = \\sum x_iy_i – n\\bar{x}\\bar{y} = 1931 – 8 \\times 6.25 \\times 34.875 = 1931 – 1743.75 = 187.25Lxy​=∑xi​yi​−nxˉyˉ​=1931−8×6.25×34.875=1931−1743.75=187.25

    Lxx=∑xi2−nxˉ2=368−8×6.252=368−312.5=55.5L_{xx} = \\sum x_i^2 – n\\bar{x}^2 = 368 – 8 \\times 6.25^2 = 368 – 312.5 = 55.5Lxx​=∑xi2​−nxˉ2=368−8×6.252=368−312.5=55.5

    Lyy=∑yi2−nyˉ2=10365−8×34.8752=10365−9730.125=634.875L_{yy} = \\sum y_i^2 – n\\bar{y}^2 = 10365 – 8 \\times 34.875^2 = 10365 – 9730.125 = 634.875Lyy​=∑yi2​−nyˉ​2=10365−8×34.8752=10365−9730.125=634.875

    (1)相关系数:

    r=LxyLxx⋅Lyy=187.2555.5×634.875=187.2535235.5625=187.25187.71≈0.9975r = \\frac{L_{xy}}{\\sqrt{L_{xx} \\cdot L_{yy}}} = \\frac{187.25}{\\sqrt{55.5 \\times 634.875}} = \\frac{187.25}{\\sqrt{35235.5625}} = \\frac{187.25}{187.71} \\approx 0.9975r=Lxx​⋅Lyy​​Lxy​​=55.5×634.875​187.25​=35235.5625​187.25​=187.71187.25​≈0.9975

    显著性检验:

    t=rn−21−r2=0.9975×61−0.9950=0.9975×2.44950.0050=2.44340.0707=34.56t = \\frac{r\\sqrt{n-2}}{\\sqrt{1-r^2}} = \\frac{0.9975 \\times \\sqrt{6}}{\\sqrt{1-0.9950}} = \\frac{0.9975 \\times 2.4495}{\\sqrt{0.0050}} = \\frac{2.4434}{0.0707} = 34.56t=1−r2​rn−2​​=1−0.9950​0.9975×6​​=0.0050​0.9975×2.4495​=0.07072.4434​=34.56

    查表 t0.025(6)=2.447t_{0.025}(6) = 2.447t0.025​(6)=2.447

    由于 ∣t∣=34.56>2.447|t| = 34.56 > 2.447∣t∣=34.56>2.447,拒绝 H0H_0H0​,线性关系高度显著。

    (2)回归方程:

    β^1=LxyLxx=187.2555.5=3.374\\hat{\\beta}_1 = \\frac{L_{xy}}{L_{xx}} = \\frac{187.25}{55.5} = 3.374β^​1​=Lxx​Lxy​​=55.5187.25​=3.374

    β^0=yˉ−β^1xˉ=34.875−3.374×6.25=34.875−21.088=13.787\\hat{\\beta}_0 = \\bar{y} – \\hat{\\beta}_1\\bar{x} = 34.875 – 3.374 \\times 6.25 = 34.875 – 21.088 = 13.787β^​0​=yˉ​−β^​1​xˉ=34.875−3.374×6.25=34.875−21.088=13.787

    y^=13.787+3.374x\\boxed{\\hat{y} = 13.787 + 3.374x}y^​=13.787+3.374x​

    (3)FFF 检验:

    SSR=β^1Lxy=3.374×187.25=631.78SSR = \\hat{\\beta}_1 L_{xy} = 3.374 \\times 187.25 = 631.78SSR=β^​1​Lxy​=3.374×187.25=631.78

    SSE=Lyy−SSR=634.875−631.78=3.095SSE = L_{yy} – SSR = 634.875 – 631.78 = 3.095SSE=Lyy​−SSR=634.875−631.78=3.095

    方差来源平方和自由度均方FFF
    回归 631.78 1 631.78 1224.83
    残差 3.095 6 0.516
    总计 634.875 7

    F0.05(1,6)=5.99F_{0.05}(1,6) = 5.99F0.05​(1,6)=5.99

    由于 F=1224.83≫5.99F = 1224.83 \\gg 5.99F=1224.83≫5.99,回归方程高度显著。

    R2=631.78/634.875=0.9951R^2 = 631.78/634.875 = 0.9951R2=631.78/634.875=0.9951,即广告投入解释了销售额 99.51% 的变异。

    (4)预测(x0=6.5x_0 = 6.5x0​=6.5):

    y^0=13.787+3.374×6.5=13.787+21.931=35.718\\hat{y}_0 = 13.787 + 3.374 \\times 6.5 = 13.787 + 21.931 = 35.718y^​0​=13.787+3.374×6.5=13.787+21.931=35.718

    σ^=Se2=0.516=0.718\\hat{\\sigma} = \\sqrt{S_e^2} = \\sqrt{0.516} = 0.718σ^=Se2​​=0.516​=0.718

    1n+(x0−xˉ)2Lxx=18+(6.5−6.25)255.5=0.125+0.062555.5=0.125+0.001126=0.1261=0.3552\\sqrt{\\frac{1}{n} + \\frac{(x_0 – \\bar{x})^2}{L_{xx}}} = \\sqrt{\\frac{1}{8} + \\frac{(6.5 – 6.25)^2}{55.5}} = \\sqrt{0.125 + \\frac{0.0625}{55.5}} = \\sqrt{0.125 + 0.001126} = \\sqrt{0.1261} = 0.3552n1​+Lxx​(x0​−xˉ)2​​=81​+55.5(6.5−6.25)2​​=0.125+55.50.0625​​=0.125+0.001126​=0.1261​=0.3552

    均值的 95% 置信区间:

    35.718±2.447×0.718×0.3552=35.718±0.62435.718 \\pm 2.447 \\times 0.718 \\times 0.3552 = 35.718 \\pm 0.62435.718±2.447×0.718×0.3552=35.718±0.624

    [35.094, 36.342]\\boxed{[35.094, \\ 36.342]}[35.094, 36.342]​

    个别值的 95% 预测区间:

    1+0.1261=1.1261=1.0612\\sqrt{1 + 0.1261} = \\sqrt{1.1261} = 1.06121+0.1261​=1.1261​=1.0612

    35.718±2.447×0.718×1.0612=35.718±1.86535.718 \\pm 2.447 \\times 0.718 \\times 1.0612 = 35.718 \\pm 1.86535.718±2.447×0.718×1.0612=35.718±1.865

    [33.853, 37.583]\\boxed{[33.853, \\ 37.583]}[33.853, 37.583]​


    习题2(残差分析题)

    对习题1的回归方程,计算每个观测点的残差 eie_iei​ 和标准化残差 ei∗e_i^*ei∗​,绘制残差表,并对回归假设进行评价。

    解答:

    iiixix_ixi​yiy_iyi​y^i\\hat{y}_iy^​i​ei=yi−y^ie_i = y_i – \\hat{y}_iei​=yi​−y^​i​ei∗=ei/0.718e_i^* = e_i/0.718ei∗​=ei​/0.718
    1 2 20 20.535 −0.535-0.535−0.535 −0.745-0.745−0.745
    2 3 25 23.909 1.0911.0911.091 1.5201.5201.520
    3 5 30 30.657 −0.657-0.657−0.657 −0.915-0.915−0.915
    4 6 34 34.031 −0.031-0.031−0.031 −0.043-0.043−0.043
    5 7 38 37.405 0.5950.5950.595 0.8290.8290.829
    6 8 40 40.779 −0.779-0.779−0.779 −1.085-1.085−1.085
    7 9 44 44.153 −0.153-0.153−0.153 −0.213-0.213−0.213
    8 10 48 47.527 0.4730.4730.473 0.6590.6590.659

    验证: ∑ei=−0.535+1.091−0.657−0.031+0.595−0.779−0.153+0.473≈0\\sum e_i = -0.535+1.091-0.657-0.031+0.595-0.779-0.153+0.473 \\approx 0∑ei​=−0.535+1.091−0.657−0.031+0.595−0.779−0.153+0.473≈0 ✓

    残差分析评价:

  • 线性性: 残差在 e=0e = 0e=0 两侧随机波动,无明显的曲线趋势,线性假设成立。
  • 等方差性: 残差的波动幅度在不同 xxx 值处基本一致,等方差假设合理。
  • 正态性: 所有标准化残差绝对值均小于 2,无离群点。
  • 独立性: 残差无明显自相关模式。
  • 结论:回归模型的基本假设均得到满足,模型拟合效果良好。


    习题3(概念辨析题)

    判断下列说法是否正确,并说明理由:

    (1) 相关系数 r=0.95r = 0.95r=0.95,说明 xxx 和 yyy 之间存在因果关系。

    不正确。 相关系数只能度量两个变量之间线性相关的强弱,不能证明因果关系。高相关可能由第三个混杂变量导致,也可能纯属巧合。因果关系需要通过实验设计或领域知识来确立。

    (2) R2=0.90R^2 = 0.90R2=0.90,说明模型拟合很好,无需做残差分析。

    不正确。 R2R^2R2 只反映了模型解释变异的比例,不能代替残差分析。高 R2R^2R2 的模型仍可能存在非线性模式、异方差性或异常点。残差分析是检验模型假设是否成立的必要步骤。

    (3) 预测区间比置信区间宽,是因为预测值 y^0\\hat{y}_0y^​0​ 的方差更大。

    不完全正确。 预测区间比置信区间宽的原因不是 y^0\\hat{y}_0y^​0​ 方差更大,而是预测个别值 Y0Y_0Y0​ 时,除了 Y^0\\hat{Y}_0Y^0​ 的不确定性(方差 σ2[1n+(x0−xˉ)2Lxx]\\sigma^2[\\frac{1}{n}+\\frac{(x_0-\\bar{x})^2}{L_{xx}}]σ2[n1​+Lxx​(x0​−xˉ)2​])外,还要加上 Y0Y_0Y0​ 自身的随机误差方差 σ2\\sigma^2σ2。

    (4) 一元线性回归中,FFF 检验和 ttt 检验是等价的。

    正确。 在一元线性回归中,FFF 统计量和 ttt 统计量满足 F=t2F = t^2F=t2,两种检验的 PPP 值相同,因此结论一致。


    习题4(综合应用题)

    某经济学家收集了某地区 10 个年份的人均GDP xxx(万元)和人均消费支出 yyy(万元)的数据,经初步计算得到:

    n=10,xˉ=8,yˉ=6,Lxx=20,Lxy=15,Lyy=12n = 10, \\quad \\bar{x} = 8, \\quad \\bar{y} = 6, \\quad L_{xx} = 20, \\quad L_{xy} = 15, \\quad L_{yy} = 12n=10,xˉ=8,yˉ​=6,Lxx​=20,Lxy​=15,Lyy​=12

    要求:
    (1)建立一元线性回归方程
    (2)计算 R2R^2R2 和 Se2S_e^2Se2​
    (3)当人均GDP为12万元时,预测人均消费支出均值的95%置信区间(已知 t0.025(8)=2.306t_{0.025}(8) = 2.306t0.025​(8)=2.306)

    解答:

    (1)回归方程:

    β^1=LxyLxx=1520=0.75\\hat{\\beta}_1 = \\frac{L_{xy}}{L_{xx}} = \\frac{15}{20} = 0.75β^​1​=Lxx​Lxy​​=2015​=0.75

    β^0=yˉ−β^1xˉ=6−0.75×8=6−6=0\\hat{\\beta}_0 = \\bar{y} – \\hat{\\beta}_1 \\bar{x} = 6 – 0.75 \\times 8 = 6 – 6 = 0β^​0​=yˉ​−β^​1​xˉ=6−0.75×8=6−6=0

    y^=0.75x\\boxed{\\hat{y} = 0.75x}y^​=0.75x​

    含义:人均GDP每增加1万元,人均消费支出平均增加0.75万元(边际消费倾向为0.75)。

    (2)R2R^2R2 和 Se2S_e^2Se2​:

    R2=Lxy2Lxx⋅Lyy=15220×12=225240=0.9375R^2 = \\frac{L_{xy}^2}{L_{xx} \\cdot L_{yy}} = \\frac{15^2}{20 \\times 12} = \\frac{225}{240} = 0.9375R2=Lxx​⋅Lyy​Lxy2​​=20×12152​=240225​=0.9375

    Qe=Lyy−Lxy2Lxx=12−22520=12−11.25=0.75Q_e = L_{yy} – \\frac{L_{xy}^2}{L_{xx}} = 12 – \\frac{225}{20} = 12 – 11.25 = 0.75Qe​=Lyy​−Lxx​Lxy2​​=12−20225​=12−11.25=0.75

    Se2=Qen−2=0.758=0.09375S_e^2 = \\frac{Q_e}{n-2} = \\frac{0.75}{8} = 0.09375Se2​=n−2Qe​​=80.75​=0.09375

    (3)x0=12x_0 = 12x0​=12 时的预测:

    y^0=0.75×12=9(万元)\\hat{y}_0 = 0.75 \\times 12 = 9 \\text{(万元)}y^​0​=0.75×12=9(万元)

    σ^=0.09375=0.3062\\hat{\\sigma} = \\sqrt{0.09375} = 0.3062σ^=0.09375​=0.3062

    1n+(x0−xˉ)2Lxx=110+(12−8)220=0.1+0.8=0.9=0.9487\\sqrt{\\frac{1}{n} + \\frac{(x_0 – \\bar{x})^2}{L_{xx}}} = \\sqrt{\\frac{1}{10} + \\frac{(12-8)^2}{20}} = \\sqrt{0.1 + 0.8} = \\sqrt{0.9} = 0.9487n1​+Lxx​(x0​−xˉ)2​​=101​+20(12−8)2​​=0.1+0.8​=0.9​=0.9487

    95%置信区间:

    9±2.306×0.3062×0.9487=9±0.6709 \\pm 2.306 \\times 0.3062 \\times 0.9487 = 9 \\pm 0.6709±2.306×0.3062×0.9487=9±0.670

    [8.330, 9.670]\\boxed{[8.330, \\ 9.670]}[8.330, 9.670]​


    习题5(思考题)

    问: 如果将自变量 xxx 和因变量 yyy 互换,重新建立回归方程 x^=α^0+α^1y\\hat{x} = \\hat{\\alpha}_0 + \\hat{\\alpha}_1 yx^=α^0​+α^1​y,两条回归线是否重合?为什么?

    答: 一般情况下,两条回归线不重合。

    原因:以 yyy 对 xxx 回归为例:

    y^=yˉ+LxyLxx(x−xˉ)斜率为b1=LxyLxx\\hat{y} = \\bar{y} + \\frac{L_{xy}}{L_{xx}}(x – \\bar{x}) \\quad \\text{斜率为} \\quad b_1 = \\frac{L_{xy}}{L_{xx}}y^​=yˉ​+Lxx​Lxy​​(x−xˉ)斜率为b1​=Lxx​Lxy​​

    以 xxx 对 yyy 回归为例:

    x^=xˉ+LxyLyy(y−yˉ)斜率为a1=LxyLyy\\hat{x} = \\bar{x} + \\frac{L_{xy}}{L_{yy}}(y – \\bar{y}) \\quad \\text{斜率为} \\quad a_1 = \\frac{L_{xy}}{L_{yy}}x^=xˉ+Lyy​Lxy​​(y−yˉ​)斜率为a1​=Lyy​Lxy​​

    将第二条线表示为 yyy 关于 xxx 的函数:y=yˉ+LyyLxy(x−xˉ)y = \\bar{y} + \\dfrac{L_{yy}}{L_{xy}}(x – \\bar{x})y=yˉ​+Lxy​Lyy​​(x−xˉ)

    其斜率为 LyyLxy\\dfrac{L_{yy}}{L_{xy}}Lxy​Lyy​​,与第一条线的斜率 LxyLxx\\dfrac{L_{xy}}{L_{xx}}Lxx​Lxy​​ 一般不相等。

    只有当 ∣r∣=1|r| = 1∣r∣=1(完全线性相关)时,Lxy2=LxxLyyL_{xy}^2 = L_{xx}L_{yy}Lxy2​=Lxx​Lyy​,两条线才重合。

    几何理解: 两条回归线都经过点 (xˉ,yˉ)(\\bar{x}, \\bar{y})(xˉ,yˉ​),但斜率不同(分别最小化 yyy 方向和 xxx 方向的偏差),因此一般形成一个夹角。相关系数 rrr 的绝对值越大,夹角越小。

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