Statistics · real student question

จงหาสมการถดถอยกำลังสองของจุดข้อมูล (10, 2.9), (20, 4.0) และ (30, 4.9) แล้วคำนวณสัมประสิทธิ์การตัดสินใจ R กำลังสอง พร้อมแสดงที่มา

Question

จากข้อมูล

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

จงหาสมการถดถอยกำลังสอง y=ax2+bx+cy=ax^2+bx+c และสัมประสิทธิ์การตัดสินใจ R2R^2 พร้อมแสดงที่มา

Step-by-step solution

  1. ตระหนักก่อนว่าไม่ต้องใช้กลไกกำลังสองน้อยที่สุดเลย พหุนามกำลังสองมีพารามิเตอร์อิสระสามตัวคือ aa, bb, cc และมีจุดข้อมูลสามจุดพอดี จุดสามจุดที่มีค่า xx ต่างกันกำหนดพาราโบลาได้เพียงรูปเดียว การฟิตแบบกำลังสองน้อยที่สุด คือ พาราโบลาที่ผ่านทุกจุดพอดี ผลรวมกำลังสองของเศษเหลือที่น้อยที่สุดที่เป็นไปได้คือ 00 และทำได้จริงด้วย นี่คือเหตุผลที่โจทย์ทั้งข้อย่อลงเหลือการแก้ระบบเชิงเส้น 3×33\times3

  2. แทนแต่ละจุดลงใน 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. กำจัด cc ด้วยการลบสมการที่ติดกัน การหาผลต่างกำจัด cc ได้ทันที เพราะสัมประสิทธิ์ของมันเท่ากันทั้งสามสมการ

    (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. หาผลต่างอีกครั้งเพื่อหา aa แล้วแทนกลับ

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

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

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

    สมการถดถอยคือ

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

    การหาผลต่างสองชั้นก็คือ ผลต่างอันดับสอง ของข้อมูล (0.91.1=0.20.9-1.1=-0.2 ต่อการเพิ่มขึ้นทีละ 1010) ซึ่งเป็นเหตุผลที่ aa ออกมาติดลบ เพราะส่วนที่เพิ่มขึ้นค่อย ๆ หดลง เส้นโค้งจึงโค้งลง

  5. คำนวณค่าที่ฟิตได้และผลรวมกำลังสองของเศษเหลือ

    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

    ค่าที่ฟิตได้ทุกค่าเท่ากับค่าที่สังเกตได้ ดังนั้น

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

  6. ปิดท้ายด้วย R2R^2 และตรวจว่าตัวส่วนไม่เป็นศูนย์ เมื่อ yˉ=2.9+4.0+4.93=3.9333\bar y=\frac{2.9+4.0+4.9}{3}=3.9333

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

    ดังนั้น R2R^2 นิยามได้ และ

    R2=1SSresSStot=102.0067=1R^2=1-\frac{SS_{\text{res}}}{SS_{\text{tot}}}=1-\frac{0}{2.0067}=1

  7. อ่านผลลัพธ์ด้วยความระแวงในระดับที่พอเหมาะ ค่า R2=1R^2=1 ในที่นี้เป็นความแน่นอนเชิงโครงสร้าง ไม่ใช่หลักฐานว่าแบบจำลองกำลังสองดี จุดสามจุดใด ๆ ต่อให้มีสัญญาณรบกวนเพียงใด ก็ให้ R2=1R^2=1 สำหรับการฟิตกำลังสอง เช่นเดียวกับที่จุดสองจุดใด ๆ ให้ R2=1R^2=1 สำหรับเส้นตรง การจะเรียนรู้อะไรเกี่ยวกับคุณภาพของแบบจำลองได้ ต้องมีจุดข้อมูลมากกว่าจำนวนพารามิเตอร์ เมื่อ n=3n=3 และมีพารามิเตอร์ 33 ตัว องศาเสรีของเศษเหลือเป็นศูนย์ และค่า R2R^2 ปรับแก้ก็นิยามไม่ได้

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 →