Statistics · real student question

Найдите уравнение квадратичной регрессии для точек (10, 2.9), (20, 4.0) и (30, 4.9) и вычислите коэффициент детерминации R². Приведите вывод.

Question

Для данных

(10,2.9),(20,4.0),(30,4.9)(10,\,2.9),\qquad(20,\,4.0),\qquad(30,\,4.9)

найдите уравнение квадратичной регрессии y=ax2+bx+cy=ax^2+bx+c и коэффициент детерминации R2R^2. Приведите вывод.

Step-by-step solution

  1. Сразу заметим, что метод наименьших квадратов здесь не понадобится. У квадратичной функции три свободных параметра aa, bb, cc, и точек данных ровно три. Три точки с различными значениями xx задают единственную параболу, поэтому решение по методу наименьших квадратов совпадает с интерполяционной параболой: минимально возможная сумма квадратов остатков равна 00 и она достигается. Именно поэтому вся задача сводится к решению линейной системы 3×33\times3.

  2. Подставим каждую точку в y=ax2+bx+cy=ax^2+bx+c.

    100a+10b+c=2.9(1)100a+10b+c=2.9\qquad(1)

    400a+20b+c=4.0(2)400a+20b+c=4.0\qquad(2)

    900a+30b+c=4.9(3)900a+30b+c=4.9\qquad(3)

  3. Исключим cc, вычитая соседние уравнения. Разность сразу убирает cc, потому что во всех трёх уравнениях его коэффициент один и тот же:

    (2)(1):300a+10b=1.1    30a+b=0.11(A)(2)-(1):\quad300a+10b=1.1\;\Longrightarrow\;30a+b=0.11\qquad(A)

    (3)(2):500a+10b=0.9    50a+b=0.09(B)(3)-(2):\quad500a+10b=0.9\;\Longrightarrow\;50a+b=0.09\qquad(B)

  4. Возьмём разность ещё раз, найдём aa и подставим обратно.

    (B)(A):20a=0.02    a=0.001(B)-(A):\quad20a=-0.02\;\Longrightarrow\;a=-0.001

    из (A):  30(0.001)+b=0.11    b=0.14\text{из }(A):\;30(-0.001)+b=0.11\;\Longrightarrow\;b=0.14

    из (1):  0.1+1.4+c=2.9    c=1.6\text{из }(1):\;-0.1+1.4+c=2.9\;\Longrightarrow\;c=1.6

    Уравнение регрессии имеет вид

    y=0.001x2+0.14x+1.6y=-0.001x^2+0.14x+1.6

    Двукратное вычитание — это вторая разность данных (1.10.9=0.21.1-0.9=0.2 на шаг в 1010), и именно поэтому aa получился отрицательным: приращения убывают, значит кривая изгибается вниз.

  5. Вычислим прогнозные значения и сумму квадратов остатков.

    y^(10)=0.1+1.4+1.6=2.9,y^(20)=0.4+2.8+1.6=4.0,y^(30)=0.9+4.2+1.6=4.9\hat y(10)=-0.1+1.4+1.6=2.9,\quad \hat y(20)=-0.4+2.8+1.6=4.0,\quad \hat y(30)=-0.9+4.2+1.6=4.9

    Каждое прогнозное значение совпало с наблюдаемым, поэтому

    SSост=(yiy^i)2=0SS_{\text{ост}}=\sum(y_i-\hat y_i)^2=0

  6. Завершим вычислением R2R^2 — и проверим, что знаменатель не нулевой. При yˉ=2.9+4.0+4.93=3.9333\bar y=\frac{2.9+4.0+4.9}{3}=3.9333 получаем

    SSобщ=(yiyˉ)2=(1.0333)2+(0.0667)2+(0.9667)2=2.00670SS_{\text{общ}}=\sum(y_i-\bar y)^2=(-1.0333)^2+(0.0667)^2+(0.9667)^2=2.0067\neq0

    значит R2R^2 определён корректно и

    R2=1SSостSSобщ=102.0067=1R^2=1-\frac{SS_{\text{ост}}}{SS_{\text{общ}}}=1-\frac{0}{2.0067}=1

  7. Отнесёмся к результату с должной долей скепсиса. Здесь R2=1R^2=1 — структурная неизбежность, а вовсе не доказательство того, что квадратичная модель хороша. Любые три точки, какими бы зашумлёнными они ни были, дадут R2=1R^2=1 при подгонке параболой — ровно так же, как любые две точки дают R2=1R^2=1 для прямой. Чтобы вообще что-то узнать о качестве модели, точек должно быть больше, чем параметров: при n=3n=3 и 33 параметрах остаточных степеней свободы ноль, а скорректированный R2R^2 не определён.

Answer

y=0.001x2+0.14x+1.6,R2=1y=-0.001x^2+0.14x+1.6,\qquad R^2=1

Need to solve a different problem like this? Open the solver →