Среднеквадратичная ошибка коэффициента регрессии

From Wikipedia, the free encyclopedia

From Wikipedia, the free encyclopedia

Содержание:

Регрессионный анализ:

Регрессионным анализом называется раздел математической статистики, объединяющий практические методы исследования корреляционной зависимости между случайными величинами по результатам наблюдений над ними. Сюда включаются методы выбора модели изучаемой зависимости и оценки ее параметров, методы проверки статистических гипотез о зависимости.

Пусть между случайными величинами X и Y существует линейная корреляционная зависимость. Это означает, что математическое ожидание Y линейно зависит от значений случайной величины X. График этой зависимости (линия регрессии Y на X) имеет уравнение

Линейная модель пригодна в качестве первого приближения и в случае нелинейной корреляции, если рассматривать небольшие интервалы возможных значений случайных величин.

Пусть параметры линии регрессии неизвестны, неизвестна и величина коэффициента корреляции Над случайными величинами X и Y проделано n независимых наблюдений, в результате которых получены n пар значений: Эти результаты могут служить источником информации о неизвестных значениях надо только уметь эту информацию извлечь оттуда.

Неизвестная нам линия регрессии как и всякая линия регрессии, имеет то отличительное свойство, что средний квадрат отклонений значений Y от нее минимален. Поэтому в качестве оценок для можно принять те их значения, при которых имеет минимум функция

Такие значения , согласно необходимым условиям экстремума, находятся из системы уравнений:

Решения этой системы уравнений дают оценки называемые оценками по методу наименьших квадратов.

и

Известно, что оценки по методу наименьших квадратов являются несмещенными и, более того, среди всех несмещенных оценок обладают наименьшей дисперсией. Для оценки коэффициента корреляции можно воспользоваться тем, что где средние квадратические отклонения случайных величин X и Y соответственно. Обозначим через оценки этих средних квадратических отклонений на основе опытных данных. Оценки можно найти, например, по формуле (3.1.3). Тогда для коэффициента корреляции имеем оценку

По методу наименьших квадратов можно находить оценки параметров линии регрессии и при нелинейной корреляции. Например, для линии регрессии вида  оценки параметров находятся из условия минимума функции

Пример:

По данным наблюдений двух случайных величин найти коэффициент корреляции и уравнение линии регрессии Y на X 

Решение. Вычислим величины, необходимые для использования формул (3.7.1)–(3.7.3):

 

По формулам (3.7.1) и (3.7.2) получим

Итак, оценка линии регрессии имеет вид Так как то по формуле (3.1.3)

Аналогично, Поэтому в качестве оценки коэффициента корреляции имеем по формуле (3.7.3) величину 

Ответ.  

Пример:

Получена выборка значений величин X и Y

Для представления зависимости между величинами предполагается использовать модель Найти оценки параметров

Решение. Рассмотрим сначала задачу оценки параметров этой модели в общем виде. Линия играет роль линии регрессии и поэтому параметры ее можно найти из условия минимума функции (сумма квадратов отклонений значений Y от линии должна быть минимальной по свойству линии регрессии)

Необходимые условия экстремума приводят к системе из двух уравнений:

Откуда

Решения системы уравнений (3.7.4) и (3.7.5) и будут оценками по методу наименьших квадратов для параметров

На основе опытных данных вычисляем:

В итоге получаем систему уравнений (?????) и (?????) в виде

Эта система имеет решения

Ответ. 

Если наблюдений много, то результаты их обычно группируют и представляют в виде корреляционной таблицы.

В этой таблице равно числу наблюдений, для которых X находится в интервале а Y – в интервале Через обозначено число наблюдений, при которых а Y произвольно. Число наблюдений, при которых а X произвольно, обозначено через

Если величины дискретны, то вместо интервалов указывают отдельные значения этих величин. Для непрерывных случайных величин представителем каждого интервала считают его середину и полагают, что и   наблюдались раз.

При больших значениях X и Y можно для упрощения вычислений перенести начало координат и изменить масштаб по каждой из осей, а после завершения вычислений вернуться к старому масштабу.

Пример:

Проделано 80 наблюдений случайных величин X и Y. Результаты наблюдений представлены в виде таблицы. Найти линию регрессии Y на X. Оценить коэффициент корреляции.

Решение. Представителем каждого интервала будем считать его середину. Перенесем начало координат и изменим масштаб по каждой оси так, чтобы значения X и Y были удобны для вычислений. Для этого перейдем к новым переменным Значения этих новых переменных указаны соответственно в самой верхней строке и самом левом столбце таблицы.

Чтобы иметь представление о виде линии регрессии, вычислим средние значения при фиксированных значениях :

Нанесем эти значения на координатную плоскость, соединив для наглядности их отрезками прямой (рис. 3.7.1).

По виду полученной ломанной линии можно предположить, что линия регрессии Y на X является прямой. Оценим ее параметры. Для этого сначала вычислим с учетом группировки данных в таблице все величины, необходимые для использования формул (3.31–3.33): 

Тогда

В новом масштабе оценка линии регрессии имеет вид График этой прямой линии изображен на рис. 3.7.1.

Для оценки по корреляционной таблице можно воспользоваться формулой (3.1.3):

Подобным же образом можно оценить величиной Тогда оценкой коэффициента корреляции может служить величина

Вернемся к старому масштабу:

 

Коэффициент корреляции пересчитывать не нужно, так как это величина безразмерная и от масштаба не зависит.

Ответ. 

Пусть некоторые физические величины X и Y связаны неизвестной нам функциональной зависимостью Для изучения этой зависимости производят измерения Y при разных значениях X. Измерениям сопутствуют ошибки и поэтому результат каждого измерения случаен. Если систематической ошибки при измерениях нет, то играет роль линии регрессии и все свойства линии регрессии приложимы к . В частности, обычно находят по методу наименьших квадратов.

Регрессионный анализ

Основные положения регрессионного анализа:

Основная задача регрессионного анализа — изучение зависимости между результативным признаком Y и наблюдавшимся признаком X, оценка функции регрессий.

Предпосылки регрессионного анализа:

1. Y — независимые случайные величины, имеющие постоянную дисперсию;
2. X— величины наблюдаемого признака (величины не случайные);
3. условное математическое ожидание можно представить в виде 

Выражение (2.1), как уже упоминалось в п. 1.2, называется функцией регрессии (или модельным уравнением регрессии) Y на X. Оценке в этом выражении подлежат параметры называемые коэффициентами регрессии, а также — остаточная дисперсия.

Остаточной дисперсией называется та часть рассеивания результативного признака, которую нельзя объяснить действием наблюдаемого признака; Остаточная дисперсия может служить для оценки точности подбора вида функции регрессии (модельного уравнения регрессии), полноты набора признаков, включенных в анализ. Оценки параметров функции регрессии находят, используя метод наименьших квадратов.

В данном вопросе рассмотрен линейный регрессионный анализ. Линейным он называется потому, что изучаем лишь те виды зависимостей которые линейны по оцениваемым параметрам, хотя могут быть нелинейны по переменным X. Например, зависимости

линейны относительно параметров хотя вторая и третья зависимости нелинейны относительно переменных х. Вид зависимости выбирают, исходя из визуальной оценки характера расположения точек на поле корреляции; опыта предыдущих исследований; соображений профессионального характера, основанных и знании физической сущности процесса.

Важное место в линейном регрессионном анализе занимает так называемая «нормальная регрессия». Она имеет место, если сделать предположения относительно закона распределения случайной величины Y. Предпосылки «нормальной регрессии»:

1. Y — независимые случайные величины, имеющие постоянную дисперсию и распределенные по нормальному закону;
2. X— величины наблюдаемого признака (величины не случайные);
3. условное математическое ожидание можно представить в виде (2.1).

В этом случае оценки коэффициентов регрессии — несмещённые с минимальной дисперсией и нормальным законом распределения. Из этого положения следует что при «нормальной регрессии» имеется возможность оценить значимость оценок коэффициентов регрессии, а также построить доверительный интервал для коэффициентов регрессии и условного математического ожидания M(YX=x).

Линейная регрессия

Рассмотрим простейший случай регрессионного анализа — модель вида (2.1), когда зависимость линейна и по оцениваемым параметрам, и

по переменным. Оценки параметров модели (2.1) обозначил Оценку остаточной дисперсии обозначим Подставив в формулу (2.1) вместо параметров их оценки, получим уравнение регрессии коэффициенты которого находят из условия минимума суммы квадратов отклонений измеренных значений результативного признака от вычисленных по уравнению регрессии

Составим систему нормальных уравнений: первое уравнение

откуда  

второе уравнение

откуда

Итак,

Оценки, полученные по способу наименьших квадратов, обладают минимальной дисперсией в классе линейных оценок. Решая систему (2.2) относительно найдём оценки параметров

Остаётся получить оценку параметра . Имеем

где т — количество наблюдений.

Еслит велико, то для упрощения расчётов наблюдавшиеся данные принята группировать, т.е. строить корреляционную таблицу. Пример построения такой таблицы приведен в п. 1.5. Формулы для нахождения коэффициентов регрессии по сгруппированным данным те же, что и для расчёта по несгруппированным данным, но суммызаменяют на

где — частоты повторений соответствующих значений переменных. В дальнейшем часто используется этот наглядный приём вычислений.
 

Нелинейная регрессия

Рассмотрим случай, когда зависимость нелинейна по переменным х, например модель вида
   

На рис. 2.1 изображено поле корреляции. Очевидно, что зависимость между Y и X нелинейная и её графическим изображением является не прямая, а кривая. Оценкой выражения (2.6) является уравнение регрессии

где —оценки коэффициентов регрессии

Принцип нахождения коэффициентов тот же — метод наименьших квадратов, т.е.

или

Дифференцируя последнее равенство по и приравнивая правые части нулю, получаем так называемую систему нормальных уравнений:

В общем случае нелинейной зависимости между переменными Y и X связь может выражаться многочленом k-й степени от x:

Коэффициенты регрессии определяют по принципу наименьших квадратов. Система нормальных уравнений имеет вид

Вычислив коэффициенты системы, её можно решить любым известным способом.
 

Оценка значимости коэффициентов регрессии. Интервальная оценка коэффициентов регрессии

Проверить значимость оценок коэффициентов регрессии — значит установить, достаточна ли величина оценки для статистически обоснованного вывода о том, что коэффициент регрессии отличен от нуля. Для этого проверяют гипотезу о равенстве нулю коэффициента регрессии, соблюдая предпосылки «нормальной регрессии». В этом случае вычисляемая для проверки нулевой гипотезы статистика

имеет распределение Стьюдента с к= n-2 степенями свободы (b — оценка коэффициента регрессии, — оценка среднеквадратического отклонения

коэффициента регрессии, иначе стандартная ошибка оценки). По уровню значимости а и числу степеней свободы к находят по таблицам распределения Стьюдента (см. табл. 1 приложений) критическое значение удовлетворяющее условию то нулевую гипотезу о равенстве нулю коэффициента регрессии отвергают, коэффициент считают значимым. Принет оснований отвергать нулевую гипотезу.

Оценки среднеквадратического отклонения коэффициентов регрессии вычисляют по следующим формулам:

где   — оценка остаточной дисперсии, вычисляемая по
формуле (2.5).

Доверительный интервал для значимых параметров строят по обычной схеме. Из условия

где а — уровень значимости, находим

 

Интервальная оценка для условного математического ожидания

Линия регрессии характеризует изменение условного математического ожидания результативного признака от вариации остальных признаков.

Точечной оценкой условного математического ожидания является условное среднее    Кроме точечной оценки для можно
построить доверительный интервал в точке

Известно, что имеет распределение
Стьюдента с k=n—2 степенями свободы. Найдя оценку среднеквадратического отклонения для условного среднего, можно построить доверительный интервал для условного математического ожидания

Оценку дисперсии условного среднего вычисляют по формуле

или для интервального ряда

Доверительный интервал находят из условия

где а — уровень значимости. Отсюда

Доверительный интервал для условного математического ожидания можно изобразить графически (рис, 2.2).

Из рис. 2.2 видно, что в точке границы интервала наиболее близки друг другу. Расположение границ доверительного интервала показывает, что прогнозы по уравнению регрессии, хороши только в случае, если значение х не выходит за пределы выборки, по которой вычислено уравнение регрессии; иными словами, экстраполяция по уравнению регрессии может привести к значительным погрешностям.

Проверка значимости уравнения регрессии

Оценить значимость уравнения регрессии — значит установить, соответствует ли математическая, модель, выражающая зависимость между Y и X, экспериментальным данным. Для оценки значимости в предпосылках «нормальной регрессии» проверяют гипотезу Если она отвергается, то считают, что между Y и X нет связи (или связь нелинейная). Для проверки нулевой гипотезы используют основное положение дисперсионного анализа о разбиении суммы квадратов на слагаемые. Воспользуемся разложением — Общая сумма квадратов отклонений результативного признака

разлагается на (сумму, характеризующую влияние признака

X) и (остаточную сумму квадратов, характеризующую влияние неучтённых факторов). Очевидно, чем меньше влияние неучтённых факторов, тем лучше математическая модель соответствует экспериментальным данным, так как вариация У в основном объясняется влиянием признака X.

Для проверки нулевой гипотезы вычисляют статистику  которая имеет распределение Фишера-Снедекора с А степенями свободы (в п — число наблюдений). По уровню значимости а и числу степеней свободы находят по таблицам F-распределение для уровня значимости а=0,05 (см. табл. 3 приложений) критическое значение удовлетворяющее условию . Если нулевую гипотезу отвергают, уравнение считают значимым. Если то нет оснований отвергать нулевую гипотезу.

Многомерный регрессионный анализ

В случае, если изменения результативного признака определяются действием совокупности других признаков, имеет место многомерный регрессионный анализ. Пусть результативный признак У, а независимые признаки Для многомерного случая предпосылки регрессионного анализа можно сформулировать следующим образом: У -независимые случайные величины со средним и постоянной дисперсией — линейно независимые векторы . Все положения, изложенные в п.2.1, справедливы для многомерного случая. Рассмотрим модель вида 

Оценке подлежат параметры и остаточная дисперсия.

Заменив параметры их оценками, запишем уравнение регрессии

Коэффициенты в этом выражении находят методом наименьших квадратов.

Исходными данными для вычисления коэффициентов является выборка из многомерной совокупности, представляемая обычно в виде матрицы X и вектора Y:
   

Как и в двумерном случае, составляют систему нормальных уравнений

которую можно решить любым способом, известным из линейной алгебры. Рассмотрим один из них — способ обратной матрицы. Предварительно преобразуем систему уравнений. Выразим из первого уравнения значение через остальные параметры:

Подставим в остальные уравнения системы вместо полученное выражение:

Пусть С — матрица коэффициентов при неизвестных параметрах — матрица, обратная матрице С; — элемент, стоящий на пересечении i-Й строки и i-го столбца матрицы    — выражение
. Тогда, используя формулы линейной алгебры,

запишем окончательные выражения для параметров:

Оценкой остаточной дисперсии является

где — измеренное значение результативного признака; значение результативного признака, вычисленное по уравнению регрессий.

Если выборка получена из нормально распределенной генеральной совокупности, то, аналогично изложенному в п. 2.4, можно проверить значимость оценок коэффициентов регрессии, только в данном случае статистику вычисляют для каждого j-го коэффициента регрессии

где —элемент обратной матрицы, стоящий на пересечении i-й строки и j-
го столбца; —диагональный элемент обратной матрицы.

При заданном уровне значимости а и числе степеней свободы к=n— m—1 по табл. 1 приложений находят критическое значение Если то нулевую гипотезу о равенстве нулю коэффициента регрессии отвергают. Оценку коэффициента считают значимой. Такую проверку производят последовательно для каждого коэффициента регрессии. Если то нет оснований отвергать нулевую гипотезу, оценку коэффициента регрессии считают незначимой.

Для значимых коэффициентов регрессии целесообразно построить доверительные интервалы по формуле (2.10). Для оценки значимости уравнения регрессии следует проверить нулевую гипотезу о том, что все коэффициенты регрессии (кроме свободного члена) равны нулю:  — вектор коэффициентов регрессии). Нулевую гипотезу проверяют, так же как и в п. 2.6, с помощью статистики , где — сумма квадратов, характеризующая влияние признаков X; — остаточная сумма квадратов, характеризующая влияние неучтённых факторов; Для уровня значимости а и числа степеней свободы по табл. 3 приложений находят критическое значение Если то нулевую гипотезу об одновременном равенстве нулю коэффициентов регрессии отвергают. Уравнение регрессии считают значимым. При нет оснований отвергать нулевую гипотезу, уравнение регрессии считают незначимым.

Факторный анализ

Основные положения. В последнее время всё более широкое распространение находит один из новых разделов многомерного статистического анализа — факторный анализ. Первоначально этот метод

разрабатывался для объяснения многообразия корреляций между исходными параметрами. Действительно, результатом корреляционного анализа является матрица коэффициентов корреляций. При малом числе параметров можно произвести визуальный анализ этой матрицы. С ростом числа параметра (10 и более) визуальный анализ не даёт положительных результатов. Оказалось, что всё многообразие корреляционных связей можно объяснить действием нескольких обобщённых факторов, являющихся функциями исследуемых параметров, причём сами обобщённые факторы при этом могут быть и неизвестны, однако их можно выразить через исследуемые параметры.

Один из основоположников факторного анализа Л. Терстоун приводит такой пример: несколько сотен мальчиков выполняют 20 разнообразных гимнастических упражнений. Каждое упражнение оценивают баллами. Можно рассчитать матрицу корреляций между 20 упражнениями. Это большая матрица размером 20><20. Изучая такую матрицу, трудно уловить закономерность связей между упражнениями. Нельзя ли объяснить скрытую в таблице закономерность действием каких-либо обобщённых факторов, которые в результате эксперимента непосредственно, не оценивались? Оказалось, что обо всех коэффициентах корреляции можно судить по трём обобщённым факторам, которые и определяют успех выполнения всех 20 гимнастических упражнений: чувство равновесия, усилие правого плеча, быстрота движения тела.

Дальнейшие разработки факторного анализа доказали, что этот метод может быть с успехом применён в задачах группировки и классификации объектов. Факторный анализ позволяет группировать объекты со сходными сочетаниями признаков и группировать признаки с общим характером изменения от объекта к объекту. Действительно, выделенные обобщённые факторы можно использовать как критерии при классификации мальчиков по способностям к отдельным группам гимнастических упражнений.

Методы факторного анализа находят применение в психологии и экономике, социологии и экономической географии. Факторы, выраженные через исходные параметры, как правило, легко интерпретировать как некоторые существенные внутренние характеристики объектов.

Факторный анализ может быть использован и как самостоятельный метод исследования, и вместе с другими методами многомерного анализа, например в сочетании с регрессионным анализом. В этом случае для набора зависимых переменных наводят обобщённые факторы, которые потом входят в регрессионный анализ в качестве переменных. Такой подход позволяет сократить число переменных в регрессионном анализе, устранить коррелированность переменных, уменьшить влияние ошибок и в случае ортогональности выделенных факторов значительно упростить оценку значимости переменных.

Представление, информации в факторном анализе

Для проведения факторного анализа информация должна быть представлена в виде двумерной таблицы чисел размерностью аналогичной приведенной в п. 2.7 (матрица исходных данных). Строки этой матрицы должны соответствовать объектам наблюдений столбцы — признакамтаким образом, каждый признак является как бы статистическим рядом, в котором наблюдения варьируют от объекта к объекту. Признаки, характеризующие объект наблюдения, как правило, имеют различную размерность. Чтобы устранить влияние размерности и обеспечить сопоставимость признаков, матрицу исходных данных    обычно нормируют, вводя единый    масштаб. Самым распространенным видом нормировки является стандартизация. От переменных переходят к переменным В дальнейшем, говоря о матрице исходных переменных, всегда будем иметь в виду стандартизованную матрицу.

Основная модель факторного анализа. Основная модель факторного анализа имеет вид

где -j-й признак (величина случайная); — общие факторы (величины случайные, имеющие нормальный закон распределения); — характерный фактор; — факторные нагрузки, характеризующие существенность влияния каждого фактора (параметры модели, подлежащие определению); — нагрузка характерного фактора.

Модель предполагает, что каждый из j признаков, входящих в исследуемый набор и заданных в стандартной форме, может быть представлен в виде линейной комбинации небольшого числа общих факторов и характерного фактора

Термин «общий фактор» подчёркивает, что каждый такой фактор имеет существенное значение для анализа всех признаков, т.е.

Термин «характерный фактор» показывает, что он относится только к данному j-му признаку. Это специфика признака, которая не может быть, выражена через факторы

Факторные нагрузки . характеризуют величину влияния того или иного общего фактора в вариации данного признака. Основная задача факторного анализа — определение факторных нагрузок. Факторная модель относится к классу аппроксимационных. Параметры модели должны быть выбраны так, чтобы наилучшим образом аппроксимировать корреляции между наблюдаемыми признаками.

Для j-го признака и i-го объекта модель (2.19) можно записать в. виде

где значение k-го фактора для i-го объекта.

Дисперсию признака можно разложить на составляющие: часть, обусловленную действием общих факторов, — общность и часть, обусловленную действием j-го характера фактора, характерность Все переменные представлены в стандартизированном виде, поэтому дисперсий у-го признака Дисперсия признака может быть выражена через факторы и в конечном счёте через факторные нагрузки.

Если общие и характерные факторы не коррелируют между собой, то дисперсию j-го признака можно представить в виде

где —доля дисперсии признака приходящаяся на k-й фактор.

Полный вклад k-го фактора в суммарную дисперсию признаков

Вклад общих факторов в суммарную дисперсию
 

Факторное отображение

Используя модель (2.19), запишем выражения для каждого из параметров:

Коэффициенты системы (2,21) — факторные нагрузки — можно представить в виде матрицы, каждая строка которой соответствует параметру, а столбец — фактору.

Факторный анализ позволяет получить не только матрицу отображений, но и коэффициенты корреляции между параметрами и

факторами, что является важной характеристикой качества факторной модели. Таблица таких коэффициентов корреляции называется факторной структурой или просто структурой.

Коэффициенты отображения можно выразить через выборочные парные коэффициенты корреляции. На этом основаны методы вычисления факторного отображения.

Рассмотрим связь между элементами структуры и коэффициентами отображения. Для этого, учитывая выражение (2.19) и определение выборочного коэффициента корреляции, умножим уравнения системы (2.21) на соответствующие факторы, произведём суммирование по всем n наблюдениям и, разделив на n, получим следующую систему уравнений:

где — выборочный коэффициент корреляции между j-м параметром и к-
м фактором; — коэффициент корреляции между к-м и р-м факторами.

Если предположить, что общие факторы между собой, не коррелированы, то уравнения    (2.22) можно записать в виде

, т.е. коэффициенты отображения равны
элементам структуры.

Введём понятие, остаточного коэффициента корреляции и остаточной корреляционной матрицы. Исходной информацией для построения факторной модели (2.19) служит матрица выборочных парных коэффициентов корреляции. Используя построенную факторную модель, можно снова вычислить коэффициенты корреляции между признаками и сравнись их с исходными Коэффициентами корреляции. Разница между ними и есть остаточный коэффициент корреляции.

В случае независимости факторов имеют место совсем простые выражения для вычисляемых коэффициентов корреляции между параметрами: для их вычисления достаточно взять сумму произведений коэффициентов отображения, соответствующих наблюдавшимся признакам:
где —вычисленный по отображению коэффициент корреляции между j-м
и к-м признаком. Остаточный коэффициент корреляции

Матрица остаточных коэффициентов корреляции называется остаточной матрицей или матрицей остатков

где — матрица остатков; R — матрица выборочных парных коэффициентов корреляции, или полная матрица; R’— матрица вычисленных по отображению коэффициентов корреляции.

Результаты факторного анализа удобно представить в виде табл. 2.10.

Здесь суммы квадратов нагрузок по строкам — общности параметров, а суммы квадратов нагрузок по столбцам — вклады факторов в суммарную дисперсию параметров. Имеет место соотношение

Определение факторных нагрузок

Матрицу факторных нагрузок можно получить различными способами. В настоящее время наибольшее распространение получил метод главных факторов. Этот метод основан на принципе последовательных приближений и позволяет достичь любой точности. Метод главных факторов предполагает использование ЭВМ. Существуют хорошие алгоритмы и программы, реализующие все вычислительные процедуры.

Введём понятие редуцированной корреляционной матрицы или просто редуцированной матрицы. Редуцированной называется матрица выборочных коэффициентов корреляции у которой на главной диагонали стоят значения общностей :

Редуцированная и полная матрицы связаны соотношением

где D — матрица характерностей.

Общности, как правило, неизвестны, и нахождение их в факторном анализе представляет серьезную проблему. Вначале определяют (хотя бы приближённо) число общих факторов, совокупность, которых может с достаточной точностью аппроксимировать все взаимосвязи выборочной корреляционной матрицы. Доказано, что число общих факторов (общностей) равно рангу редуцированной матрицы, а при известном ранге можно по выборочной корреляционной матрице найти оценки общностей. Числа общих факторов можно определить априори, исходя из физической природы эксперимента. Затем рассчитывают матрицу факторных нагрузок. Такая матрица, рассчитанная методом главных факторов, обладает одним интересным свойством: сумма произведений каждой пары её столбцов равна нулю, т.е. факторы попарно ортогональны.

Сама процедура нахождения факторных нагрузок, т.е. матрицы А, состоит из нескольких шагов и заключается в следующем: на первом шаге ищут коэффициенты факторных нагрузок при первом факторе так, чтобы сумма вкладов данного фактора в суммарную общность была максимальной:

Максимум должен быть найден при условии

где —общностьпараметра

Затем рассчитывают матрицу коэффициентов корреляции с учётом только первого фактора Имея эту матрицу, получают первую матрицу остатков:

На втором шаге определяют коэффициенты нагрузок при втором факторе так, чтобы сумма вкладов второго фактора в остаточную общность (т.е. полную общность без учёта той части, которая приходится на долю первого фактора) была максимальной. Сумма квадратов нагрузок при втором факторе

Максимум находят из условия

где — коэффициент корреляции из первой матрицы остатков; — факторные нагрузки с учётом второго фактора. Затем рассчитыва коэффициентов корреляций с учётом второго фактора и вычисляют вторую матрицу остатков:

Факторный анализ учитывает суммарную общность. Исходная суммарная общность Итерационный процесс выделения факторов заканчивают, когда учтённая выделенными факторами суммарная общность отличается от исходной суммарной общности меньше чем на — наперёд заданное малое число).

Адекватность факторной модели оценивается по матрице остатков (если величины её коэффициентов малы, то модель считают адекватной).

Такова последовательность шагов для нахождения факторных нагрузок. Для нахождения максимума функции (2.24) при условии (2.25) используют метод множителей Лагранжа, который приводит к системе т уравнений относительно m неизвестных

Метод главных компонент

Разновидностью метода главных факторов является метод главных компонент или компонентный анализ, который реализует модель вида

где m — количество параметров (признаков).

Каждый из наблюдаемых, параметров линейно зависит от m не коррелированных между собой новых компонент (факторов) По сравнению с моделью факторного анализа (2.19) в модели (2.28) отсутствует характерный фактор, т.е. считается, что вся вариация параметра может быть объяснена только действием общих или главных факторов. В случае компонентного анализа исходной является матрица коэффициентов корреляции, где на главной диагонали стоят единицы. Результатом компонентного анализа, так же как и факторного, является матрица факторных нагрузок. Поиск факторного решения — это ортогональное преобразование матрицы исходных переменных, в результате которого каждый параметр может быть представлен линейной комбинацией найденных m факторов, которые называют главными компонентами. Главные компоненты легко выражаются через наблюдённые параметры.

Если для дальнейшего анализа оставить все найденные т компонент, то тем самым будет использована вся информация, заложенная в корреляционной матрице. Однако это неудобно и нецелесообразно. На практике обычно оставляют небольшое число компонент, причём количество их определяется долей суммарной дисперсии, учитываемой этими компонентами. Существуют различные критерии для оценки числа оставляемых компонент; чаще всего используют следующий простой критерий: оставляют столько компонент, чтобы суммарная дисперсия, учитываемая ими, составляла заранее установленное число процентов. Первая из компонент должна учитывать максимум суммарной дисперсии параметров; вторая — не коррелировать с первой и учитывать максимум оставшейся дисперсии и так до тех пор, пока вся дисперсия не будет учтена. Сумма учтённых всеми компонентами дисперсий равна сумме дисперсий исходных параметров. Математический аппарат компонентного анализа полностью совпадает с аппаратом метода главных факторов. Отличие только в исходной матрице корреляций.

Компонента (или фактор) через исходные переменные выражается следующим образом:

где — элементы факторного решения:— исходные переменные; .— k-е собственное значение; р — количество оставленных главных
компонент.

Для иллюстрации возможностей факторного анализа покажем, как, используя метод главных компонент, можно сократить размерность пространства независимых переменных, перейдя от взаимно коррелированных параметров к независимым факторам, число которых р

Следует особо остановиться на интерпретации результатов, т.е. на смысловой стороне факторного анализа. Собственно факторный анализ состоит из двух важных этапов; аппроксимации корреляционной матрицы и интерпретации результатов. Аппроксимировать корреляционную матрицу, т.е. объяснить корреляцию между параметрами действием каких-либо общих для них факторов, и выделить сильно коррелирующие группы параметров достаточно просто:    из корреляционной матрицы одним из методов

факторного анализа непосредственно получают матрицу нагрузок — факторное решение, которое называют прямым факторным решением. Однако часто это решение не удовлетворяет исследователей. Они хотят интерпретировать фактор как скрытый, но существенный параметр, поведение которого определяет поведение некоторой своей группы наблюдаемых параметров, в то время как, поведение других параметров определяется поведением других факторов. Для этого у каждого параметра должна быть наибольшая по модулю факторная нагрузка с одним общим фактором. Прямое решение следует преобразовать, что равносильно повороту осей общих факторов. Такие преобразования называют вращениями, в итоге получают косвенное факторное решение, которое и является результатом факторного анализа.

Приложения

Значение t — распределения Стьюдента

Понятие о регрессионном анализе. Линейная выборочная регрессия. Метод наименьших квадратов (МНК)

Основные задачи регрессионного анализа:

•  Вычисление выборочных коэффициентов регрессии
•  Проверка значимости коэффициентов регрессии
•  Проверка адекватности модели
•  Выбор лучшей регрессии
•  Вычисление стандартных ошибок, анализ остатков

Построение простой регрессии по экспериментальным данным.

Предположим, что случайные величины  связаны линейной корреляционной зависимостью  для отыскания которой проведено  независимых измерений 

Диаграмма рассеяния (разброса, рассеивания)

 — координаты экспериментальных точек.

Выборочное уравнение прямой линии регрессии  имеет вид

Задача: подобрать  таким образом, чтобы экспериментальные точки как можно ближе лежали к прямой 

Для того, что бы провести прямую  воспользуемся МНК. Потребуем,

чтобы 

Постулаты регрессионного анализа, которые должны выполняться при использовании МНК.

1. подчинены нормальному закону распределения.
2. Дисперсия  постоянна и не зависит от номера измерения.
3. Результаты наблюдений  в разных точках независимы.
4. Входные переменные  независимы, неслучайны и измеряются без ошибок.

Введем функцию ошибок  и найдём её минимальное значение

Решив систему, получим искомые значения 

 является несмещенными оценками истинных значений коэффициентов 

 где 

 несмещенная оценка корреляционного момента (ковариации),
 несмещенная оценка дисперсии 

 выборочная ковариация,

   выборочная дисперсия 

 — выборочный коэффициент корреляции

Коэффициент детерминации

 — наблюдаемое экспериментальное значение  при 

 — предсказанное значение  удовлетворяющее уравнению регрессии

 — средневыборочное значение 

 — коэффициент детерминации, доля изменчивости  объясняемая  рассматриваемой регрессионной моделью. Для парной линейной регрессии

Коэффициент детерминации принимает значения от 0 до 1. Чем ближе значение коэффициента к 1, тем сильнее зависимость. При оценке регрессионных моделей это используется для доказательства адекватности модели (качества регрессии). Для приемлемых моделей предполагается, что коэффициент детерминации должен быть хотя бы не меньше 0,5 (в этом случае коэффициент множественной корреляции превышает по модулю 0,7). Модели с коэффициентом детерминации выше 0,8 можно признать достаточно хорошими (коэффициент корреляции превышает 0,9). Подтверждение адекватности модели проводится на основе дисперсионного анализа путем проверки гипотезы о значимости коэффициента детерминации.

 регрессия незначима

 регрессия значима

 — уровень значимости 

 — статистический критерий

Критическая область — правосторонняя; 

Если  то нулевая гипотеза отвергается на заданном уровне значимости, следовательно, коэффициент детерминации значим, следовательно, регрессия адекватна.

Мощность статистического критерия. Функция мощности

Определение. Мощностью критерия  называют вероятность попадания критерия в критическую область при условии, что справедлива конкурирующая гипотеза.

Задача: построить критическую область таким образом, чтобы мощность критерия была максимальной.

Определение. Наилучшей критической областью (НКО) называют критическую область, которая обеспечивает минимальную ошибку второго рода 

Пример:

По паспортным данным автомобиля расход топлива на 100 километров составляет 10 литров. В результате измерения конструкции двигателя ожидается, что расход топлива уменьшится. Для проверки были проведены испытания 25 автомобилей с модернизированным двигателем; выборочная средняя расхода топлива по результатам испытаний составила 9,3 литра. Предполагая, что выборка получена из нормально распределенной генеральной совокупности с математическим ожиданием  и дисперсией  проверить гипотезу, утверждающую, что изменение конструкции двигателя не повлияло на расход топлива.

3) Уровень значимости 

4) Статистический критерий

5) Критическая область — левосторонняя

  следовательно  отвергается на уровне значимости 

Пример:

В условиях примера 1 предположим, что наряду с  рассматривается конкурирующая гипотеза  а критическая область задана неравенством  Найти вероятность ошибок I рода и II рода.

 автомобилей имеют меньший расход топлива)

  автомобилей, имеющих расход топлива 9л на 100 км, классифицируются как автомобили, имеющие расход 10 литров).

Определение. Пусть проверяется  — критическая область критерия с заданным уровнем значимости  Функцией мощности критерия  называется вероятность отклонения  как функция параметра  т.е.

 — ошибка 1-ого рода

 — мощность критерия

Пример:

Построить график функции мощности из примера 2 для 

 попадает в критическую область.

Пример:

Какой минимальный объем выборки следует взять в условии примера 2 для того, чтобы обеспечить 

Лемма Неймана-Пирсона.

При проверке простой гипотезы  против простой альтернативной гипотезы  наилучшая критическая область (НКО) критерия заданного уровня значимости  состоит из точек выборочного пространства (выборок объема  для которых справедливо неравенство:

 — константа, зависящая от

 — элементы выборки;

 — функция правдоподобия при условии, что соответствующая гипотеза верна.

Пример:

Случайная величина  имеет нормальное распределение с параметрами  известно. Найти НКО для проверки  против причем 

Решение:

Ошибка первого рода: 

НКО: 

Пример:

Для зависимости заданной корреляционной табл. 13, найти оценки параметров  уравнения линейной регрессии  остаточную дисперсию; выяснить значимость уравнения регрессии при 

Решение. Воспользуемся предыдущими результатами

Согласно формуле (24), уравнение регрессии будет иметь вид  тогда 

Для выяснения значимости уравнения регрессии вычислим суммы Составим расчетную таблицу:

Из (27) и (28) по данным таблицы получим 

 по табл. П7 находим  

Вычислим статистику

Так как  то уравнение регрессии значимо. Остаточная дисперсия равна

Для того чтобы модель линейной регрессии можно было применять на практике необходимо сначала оценить её качество. Для этих целей предложен ряд показателей, каждый из которых предназначен для использования в различных ситуациях и имеет свои особенности применения (линейные и нелинейные, устойчивые к аномалиям, абсолютные и относительные, и т.д.). Корректный выбор меры для оценки качества модели является одним из важных факторов успеха в решении задач анализа данных.

Стандартное
отклонение для оценки обозначается S_e
и рассчитывается по формуле
среднеквадратичного отклонения:

.

Величина стандартного
отклонения характеризует точность
прогноза.

Вариант
5. Возвращаясь к данным нашего примера,
рассчитаем значение S_e:

Предположим,
необходимо оценить значение Y для
конкретного значения независимой
переменной, например, спрогнозировать
объем продаж при затратах на рекламу в
объеме 10 тыс. долл. Обычно при этом также
требуется оценить степень достоверности
результата, одним из показателей которого
является доверительный интервал для
Y.

Граница доверительного
интервала для Y при заданной величине
X рассчитывается следующим образом:

где
Х_p
– выбранное значение независимой
переменной, на основе которого выполняется
прогноз. Обратите внимание: t – это
критическое значение текущего уровня
значимости. Например, для уровня
значимости, равного 0,025 (что соответствует
уровню доверительности двухстороннего
критерия, равному 95%) и числа степеней
свободы, равного 10, критическое значение
t равно 2, 228 (см. Приложение II). Как можно
увидеть, доверительный интервал – это
интервал, ограниченный с двух сторон
граничными значениями предсказания
(зависимой переменной).

Вариант
6. Для нашего примера расходов на рекламу
в размере 10 тыс. долл. интервал предсказания
зависимой переменной (объема продаж) с
уровнем доверительности в 95% находится
в пределах [10,5951; 21,8361]. Его границы
определяются следующим образом (обратите
внимание, что в Варианте 2 Y’=16,2156):

Из приведенного
расчета имеем: для заданных расходов
на рекламу в объеме 10 тыс. долл., объем
продаж изменяется в диапазоне от 10,5951
до 21,8361 тыс. долл. При этом:
10,5951=16,2156-5,6205 и 21,8361=16,2156+5,6205.

3. Стандартное отклонение для коэффициента регрессии Sb и t-статистика

Значения
стандартного отклонения для коэффициентов
регрессии S_b
и значение статистики тесно взаимосвязаны.
S_b
рассчитываются как

Или в сокращенной
форме:

S_b
задает интервал, в который попадают.
Все возможные значения коэффициента
регрессии. t-статистика
(или t-значение)
– мера статистической значимости
влияния независимой переменной Х на
зависимую переменную Y
определяется путем деления оценки
коэффициента b
на его стандартное отклонение S_b.
Полученное значение затем сравнивается
с табличным (см. табл. В Приложении II).

Таким
образом, t-статистика
показывает, насколько велики величина
стандартного отклонения для коэффициента
регрессии (насколько оно больше нуля).
Практика показывает, что любое t-значение,
не принадлежащее интервалу [-2;2], является
приемлемым. Чем выше t-значение,
тем выше достоверность коэффициента
(т.е. точнее прогноз на его основе). Низкое
t-значение
свидетельствует о низкой прогнозирующей
силе коэффициента регрессии.

Вариант
7. S_b
для нашего примера равно:

t-статистика
определяется:

Так
как t=3,94>2,
можно заключить,
что
коэффициент
b
является
статистически
значимым.
Как
отмечалось раньше,
табличное
критическое
значение (уровень отсечения)
для 10 степеней свободы равно
2,228
(см.
табл.
в
Приложении
11).

Обратите
внимание:

—
t-значения
играют большую
роль для коэффициентов
множественной регрессии
(множественная
модель описывается
с помощью
нескольких
коэффициентов
b);

—
R²
характеризует
общее согласие (всего
«леса»
невязок
на
диаграмме
разброса),
в
то время как
t-значение
характеризует
отдельную
независимую переменную
(отдельное
«дерево»
невязок).

В
общем случае
табличное
t-значение
для
заданных
числа
степеней свободы и уровня
значимости используется,
чтобы:

—
установить
диапазон
предсказания:
верхнюю
и нижнюю границы
для прогнозируемого
значения при заданном значении
независимой
переменной;

-установить
доверительные
интервалы
для
коэффициентов
регрессии;

—
определить
уровень
отсечения
для t-теста.

РЕГРЕССИОННЫЙ
АНАЛИЗ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОННЫХ ТАБЛИЦ
MS EXCEL

Электронные
таблицы,
такие
как Excel,
имеют
встроенную
процедуру
регрессионного
анализа,
легкую
в
применении.

Регрессионный
анализ
с помощью
MS Ехсеl
требует
выполнения
следующих
действий:

—
выберите
пункт
меню
«Сервис
— Надстройки»;

—
в
появившемся
окне отметьте
галочкой
надстройку
Analysis
ToolPak
–
VBA нажмите
кнопку
ОК.

Если
в списке Analysis
ToolPak
—
VВА
отсутствует,
выйдите
из MS Ехсеl
и добавьте эту надстройку,
воспользовавшись
программой
установки Мiсrosоft
Office.
Затем
запустите Ехсеl
снова
и повторите
эти действия.
Убедившись,
что
надстройка
Analysis
ToolPak
—
VВА
доступна,
запустите
инструмент
регрессионного
анализа,
выполнив
следующие
действия:

—
выберите
пункт меню «Сервис
—
Анализ»
данных;

—
в появившемся окне выберите
пункт
«Регрессия»
и
нажмите
кнопку
ОК.
На
рисунке 16.3
показано окно ввода данных для
регрессионного
анализа.

Рисунок 16.3 – Окно
ввода данных для регрессионного анализа

Таблица
16.2
показывает
выходной
результат
регрессии,
содержащий
описанные
выше статистические
данные.

Примечание:
для
того чтобы получить
поточечный
график
(ХY график),
используйте
«Мастер
Диаграмм»
MS
Excel.

Получаем:
Y’
= 10,5386
+ 0,563197
Х (d
виде
Y’
=
а
+
bХ)
с R²=0,608373=60,84%.

Все
полученные
данные
ответствуют
данным,
рассчитанным
вручную.

Таблица 16.2 –
Результаты регрессионного анализа

в
электронных таблицах MS
Excel

Вывод итогов
Регрессионная статистика
Множественный R	0,7800
R-квадрат	0,6084
Нормированный R-квадрат	0,5692
Стандартная ошибка	2,3436
Наблюдения	12
Дисперсионный анализ
	df	SS	MS	F	Значимость F
Регрессия	1	85,3243	85,3243	15,5345	0,0028
Остаток	10	54,9257	5,4926
Итого	11	140,2500
	Коэффи-циенты	Стандарт-ная ошибка	t-статистика	Р- значение*	Нижние 95%	Верхние 95%
Свободный член	10,5836	2,1796	4,8558	0,0007	5,7272	15,4401
Линейный коэффициент	0,563197	0,1429	3,9414	0,0028	0,2448	0,8816
*Р – значение для переменной X, равное 0,0028 показывает, что истинное значение переменной коэффициента с 0,28%-ной вероятностью равна нулю, что предполагает высокую точность прогнозируемого значения, равного 0б563197.

Таблица
16.3 показывает выходной результат
регрессии, полученный с применением
популярного программного обеспечения
Minitab
для статистического анализа.

Таблица
16.3 – Результаты регрессионного анализа
Minitab

Анализ регрессии Уравнение регрессии: FO=10,6+0,563DLH
Прогнозируемые параметры	Коэффициент	Стандартное отклонение	t-значение	P
Константа	10,584	2,180	4,86	0,000
DLH	0,5632	0,1429	3,94	0,003
s=2,344	R-квадрат=60,8%	R-квадрат (нормированный)=56,9%
Анализ отклонений
Показатель	DF	SS	MS	F	P
Регрессия	1	85,324	85,324	15,53	0,003
Отклонение	10	54,926	5,493
Итого	11	140,250

ВЫВОДЫ

C
помощью регрессионного анализа
устанавливается
зависимость
между
изменениями
независимых
переменных
и
значениями зависимой
переменной.
Регрессионный
анализ
— популярный
метод для прогнозирования
продаж.
В
этой
главе обсуждался
широко
распространенный
способ
оценки значений,
так
называемый
метод
наименьших
квадратов.
Метод
наименьших
квадратов
рассматривался
применительно
к
модели
простой
регрессии
Y
=
а
+ bх.
Обсуждались
различные
статистические
коэффициенты,
характеризующие
добротность
и надежность
уравнения
(согласие
модели)
и помогающие установить
доверительный
интервал.

Показано
применение
электронных
таблиц MS Ехсеl для
проведения
регрессионного
анализа
шаг за шагом.
С
помощью электронных
таблиц
можно не только составить
уравнение
регрессии,
но
и рассчитать статистические
коэффициенты.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

• 

«Хорошая» аналитическая модель должна удовлетворять двум, зачастую противоречивым, требованиям — как можно лучше соответствовать данным и при этом быть удобной для интерпретации пользователем. Действительно, повышение соответствия модели данным как правило связано с её усложнением (в случае регрессии — увеличением числа входных переменных модели). А чем сложнее модель, тем ниже её интерпретируемость.

Поэтому при выборе между простой и сложной моделью последняя должна значимо увеличивать соответствие модели данным чтобы оправдать рост сложности и соответствующее снижение интерпретируемости. Если это условие не выполняется, то следует выбрать более простую модель.

Таким образом, чтобы оценить, насколько повышение сложности модели значимо увеличивает её точность, необходимо использовать аппарат оценки качества регрессионных моделей. Он включает в себя следующие меры:

• Среднеквадратичная ошибка (MSE).
• Корень из среднеквадратичной ошибки (RMSE).
• Среднеквадратичная ошибка в процентах (MSPE).
• Средняя абсолютная ошибка (MAE).
• Средняя абсолютная ошибка в процентах (MAPE).
• Cимметричная средняя абсолютная процентная ошибка (SMAPE).
• Средняя абсолютная масштабированная ошибка (MASE)
• Средняя относительная ошибка (MRE).
• Среднеквадратичная логарифмическая ошибка (RMSLE).
• Коэффициент детерминации R-квадрат.
• Скорректированный коэффициент детеминации.

Прежде чем перейти к изучению метрик качества, введём некоторые базовые понятия, которые нам в этом помогут. Для этого рассмотрим рисунок.

Наклонная прямая представляет собой линию регрессии с переменной, на которой расположены точки, соответствующие предсказанным значениям выходной переменной widehat{y} (кружки синего цвета). Оранжевые кружки представляют фактические (наблюдаемые) значения y . Расстояния между ними и линией регрессии — это ошибка предсказания модели y-widehat{y} (невязка, остатки). Именно с её использованием вычисляются все приведённые в статье меры качества.

Горизонтальная линия представляет собой модель простого среднего, где коэффициент при независимой переменной x равен нулю, и остаётся только свободный член b, который становится равным среднему арифметическому фактических значений выходной переменной, т.е. b=overline{y}. Очевидно, что такая модель для любого значения входной переменной будет выдавать одно и то же значение выходной — overline{y}.

В линейной регрессии такая модель рассматривается как «бесполезная», хуже которой работает только «случайный угадыватель». Однако, она используется для оценки, насколько дисперсия фактических значений y относительно линии среднего, больше, чем относительно линии регрессии с переменной, т.е. насколько модель с переменной лучше «бесполезной».

MSE

Среднеквадратичная ошибка (Mean Squared Error) применяется в случаях, когда требуется подчеркнуть большие ошибки и выбрать модель, которая дает меньше именно больших ошибок. Большие значения ошибок становятся заметнее за счет квадратичной зависимости.

Действительно, допустим модель допустила на двух примерах ошибки 5 и 10. В абсолютном выражении они отличаются в два раза, но если их возвести в квадрат, получив 25 и 100 соответственно, то отличие будет уже в четыре раза. Таким образом модель, которая обеспечивает меньшее значение MSE допускает меньше именно больших ошибок.

MSE рассчитывается по формуле:

MSE=frac{1}{n}sumlimits_{i=1}^{n}(y_{i}-widehat{y}_{i})^{2},

где n — количество наблюдений по которым строится модель и количество прогнозов, y_{i} — фактические значение зависимой переменной для i-го наблюдения, widehat{y}_{i} — значение зависимой переменной, предсказанное моделью.

Таким образом, можно сделать вывод, что MSE настроена на отражение влияния именно больших ошибок на качество модели.

Недостатком использования MSE является то, что если на одном или нескольких неудачных примерах, возможно, содержащих аномальные значения будет допущена значительная ошибка, то возведение в квадрат приведёт к ложному выводу, что вся модель работает плохо. С другой стороны, если модель даст небольшие ошибки на большом числе примеров, то может возникнуть обратный эффект — недооценка слабости модели.

RMSE

Корень из среднеквадратичной ошибки (Root Mean Squared Error) вычисляется просто как квадратный корень из MSE:

RMSE=sqrt{frac{1}{n}sumlimits_{i=1}^{n}(y_{i}-widehat{y_{i}})^{2}}

MSE и RMSE могут минимизироваться с помощью одного и того же функционала, поскольку квадратный корень является неубывающей функцией. Например, если у нас есть два набора результатов работы модели, A и B, и MSE для A больше, чем MSE для B, то мы можем быть уверены, что RMSE для A больше RMSE для B. Справедливо и обратное: если MSE(A)<MSE(B), то и RMSE(A)<RMSE(B).

Следовательно, сравнение моделей с помощью RMSE даст такой же результат, что и для MSE. Однако с MSE работать несколько проще, поэтому она более популярна у аналитиков. Кроме этого, имеется небольшая разница между этими двумя ошибками при оптимизации с использованием градиента:

frac{partial RMSE}{partial widehat{y}_{i}}=frac{1}{2sqrt{MSE}}frac{partial MSE}{partial widehat{y}_{i}}

Это означает, что перемещение по градиенту MSE эквивалентно перемещению по градиенту RMSE, но с другой скоростью, и скорость зависит от самой оценки MSE. Таким образом, хотя RMSE и MSE близки с точки зрения оценки моделей, они не являются взаимозаменяемыми при использовании градиента для оптимизации.

Влияние каждой ошибки на RMSE пропорционально величине квадрата ошибки. Поэтому большие ошибки оказывают непропорционально большое влияние на RMSE. Следовательно, RMSE можно считать чувствительной к аномальным значениям.

MSPE

Среднеквадратичная ошибка в процентах (Mean Squared Percentage Error) представляет собой относительную ошибку, где разность между наблюдаемым и фактическим значениями делится на наблюдаемое значение и выражается в процентах:

MSPE=frac{100}{n}sumlimits_{i=1}^{n}left ( frac{y_{i}-widehat{y}_{i}}{y_{i}} right )^{2}

Проблемой при использовании MSPE является то, что, если наблюдаемое значение выходной переменной равно 0, значение ошибки становится неопределённым.

MSPE можно рассматривать как взвешенную версию MSE, где вес обратно пропорционален квадрату наблюдаемого значения. Таким образом, при возрастании наблюдаемых значений ошибка имеет тенденцию уменьшаться.

MAE

Cредняя абсолютная ошибка (Mean Absolute Error) вычисляется следующим образом:

MAE=frac{1}{n}sumlimits_{i=1}^{n}left | y_{i}-widehat{y}_{i} right |

Т.е. MAE рассчитывается как среднее абсолютных разностей между наблюдаемым и предсказанным значениями. В отличие от MSE и RMSE она является линейной оценкой, а это значит, что все ошибки в среднем взвешены одинаково. Например, разница между 0 и 10 будет вдвое больше разницы между 0 и 5. Для MSE и RMSE, как отмечено выше, это не так.

Поэтому MAE широко используется, например, в финансовой сфере, где ошибка в 10 долларов должна интерпретироваться как в два раза худшая, чем ошибка в 5 долларов.

MAPE

Средняя абсолютная процентная ошибка (Mean Absolute Percentage Error) вычисляется следующим образом:

MAPE=frac{100}{n}sumlimits_{i=1}^{n}frac{left | y_{i}-widehat{y_{i}} right |}{left | y_{i} right |}

Эта ошибка не имеет размерности и очень проста в интерпретации. Её можно выражать как в долях, так и в процентах. Если получилось, например, что MAPE=11.4, то это говорит о том, что ошибка составила 11.4% от фактического значения.

SMAPE

Cимметричная средняя абсолютная процентная ошибка (Symmetric Mean Absolute Percentage Error) — это мера точности, основанная на процентных (или относительных) ошибках. Обычно определяется следующим образом:

SMAPE=frac{100}{n}sumlimits_{i=1}^{n}frac{left | y_{i}-widehat{y_{i}} right |}{(left | y_{i} right |+left | widehat{y}_{i} right |)/2}

Т.е. абсолютная разность между наблюдаемым и предсказанным значениями делится на полусумму их модулей. В отличие от обычной MAPE, симметричная имеет ограничение на диапазон значений. В приведённой формуле он составляет от 0 до 200%. Однако, поскольку диапазон от 0 до 100% гораздо удобнее интерпретировать, часто используют формулу, где отсутствует деление знаменателя на 2.

Одной из возможных проблем SMAPE является неполная симметрия, поскольку в разных диапазонах ошибка вычисляется неодинаково. Это иллюстрируется следующим примером: если y_{i}=100 и widehat{y}_{i}=110, то SMAPE=4.76, а если y_{i}=100 и widehat{y}_{i}=90, то SMAPE=5.26.

Ограничение SMAPE заключается в том, что, если наблюдаемое или предсказанное значение равно 0, ошибка резко возрастет до верхнего предела (200% или 100%).

MASE

Средняя абсолютная масштабированная ошибка (Mean absolute scaled error) — это показатель, который позволяет сравнивать две модели. Если поместить MAE для новой модели в числитель, а MAE для исходной модели в знаменатель, то полученное отношение и будет равно MASE. Если значение MASE меньше 1, то новая модель работает лучше, если MASE равно 1, то модели работают одинаково, а если значение MASE больше 1, то исходная модель работает лучше, чем новая модель. Формула для расчета MASE имеет вид:

MASE=frac{MAE_{i}}{MAE_{j}}

MASE симметрична и устойчива к выбросам.

MRE

Средняя относительная ошибка (Mean Relative Error) вычисляется по формуле:

MRE=frac{1}{n}sumlimits_{i=1}^{n}frac{left | y_{i}-widehat{y}_{i}right |}{left | y_{i} right |}

Несложно увидеть, что данная мера показывает величину абсолютной ошибки относительно фактического значения выходной переменной (поэтому иногда эту ошибку называют также средней относительной абсолютной ошибкой, MRAE). Действительно, если значение абсолютной ошибки, скажем, равно 10, то сложно сказать много это или мало. Например, относительно значения выходной переменной, равного 20, это составляет 50%, что достаточно много. Однако относительно значения выходной переменной, равного 100, это будет уже 10%, что является вполне нормальным результатом.

Очевидно, что при вычислении MRE нельзя применять наблюдения, в которых y_{i}=0.

Таким образом, MRE позволяет более адекватно оценить величину ошибки, чем абсолютные ошибки. Кроме этого она является безразмерной величиной, что упрощает интерпретацию.

RMSLE

Среднеквадратичная логарифмическая ошибка (Root Mean Squared Logarithmic Error) представляет собой RMSE, вычисленную в логарифмическом масштабе:

RMSLE=sqrt{frac{1}{n}sumlimits_{i=1}^{n}(log(widehat{y}_{i}+1)-log{(y_{i}+1}))^{2}}

Константы, равные 1, добавляемые в скобках, необходимы чтобы не допустить обращения в 0 выражения под логарифмом, поскольку логарифм нуля не существует.

Известно, что логарифмирование приводит к сжатию исходного диапазона изменения значений переменной. Поэтому применение RMSLE целесообразно, если предсказанное и фактическое значения выходной переменной различаются на порядок и больше.

R-квадрат

Перечисленные выше ошибки не так просто интерпретировать. Действительно, просто зная значение средней абсолютной ошибки, скажем, равное 10, мы сразу не можем сказать хорошая это ошибка или плохая, и что нужно сделать чтобы улучшить модель.

В этой связи представляет интерес использование для оценки качества регрессионной модели не значения ошибок, а величину показывающую, насколько данная модель работает лучше, чем модель, в которой присутствует только константа, а входные переменные отсутствуют или коэффициенты регрессии при них равны нулю.

Именно такой мерой и является коэффициент детерминации (Coefficient of determination), который показывает долю дисперсии зависимой переменной, объяснённой с помощью регрессионной модели. Наиболее общей формулой для вычисления коэффициента детерминации является следующая:

R^{2}=1-frac{sumlimits_{i=1}^{n}(widehat{y}_{i}-y_{i})^{2}}{sumlimits_{i=1}^{n}({overline{y}}_{i}-y_{i})^{2}}

Практически, в числителе данного выражения стоит среднеквадратическая ошибка оцениваемой модели, а в знаменателе — модели, в которой присутствует только константа.

Главным преимуществом коэффициента детерминации перед мерами, основанными на ошибках, является его инвариантность к масштабу данных. Кроме того, он всегда изменяется в диапазоне от −∞ до 1. При этом значения близкие к 1 указывают на высокую степень соответствия модели данным. Очевидно, что это имеет место, когда отношение в формуле стремится к 0, т.е. ошибка модели с переменными намного меньше ошибки модели с константой. R^{2}=0 показывает, что между независимой и зависимой переменными модели имеет место функциональная зависимость.

Когда значение коэффициента близко к 0 (т.е. ошибка модели с переменными примерно равна ошибке модели только с константой), это указывает на низкое соответствие модели данным, когда модель с переменными работает не лучше модели с константой.

Кроме этого, бывают ситуации, когда коэффициент R^{2} принимает отрицательные значения (обычно небольшие). Это произойдёт, если ошибка модели среднего становится меньше ошибки модели с переменной. В этом случае оказывается, что добавление в модель с константой некоторой переменной только ухудшает её (т.е. регрессионная модель с переменной работает хуже, чем предсказание с помощью простой средней).

На практике используют следующую шкалу оценок. Модель, для которой R^{2}>0.5, является удовлетворительной. Если R^{2}>0.8, то модель рассматривается как очень хорошая. Значения, меньшие 0.5 говорят о том, что модель плохая.

Скорректированный R-квадрат

Основной проблемой при использовании коэффициента детерминации является то, что он увеличивается (или, по крайней мере, не уменьшается) при добавлении в модель новых переменных, даже если эти переменные никак не связаны с зависимой переменной.

В связи с этим возникают две проблемы. Первая заключается в том, что не все переменные, добавляемые в модель, могут значимо увеличивать её точность, но при этом всегда увеличивают её сложность. Вторая проблема — с помощью коэффициента детерминации нельзя сравнивать модели с разным числом переменных. Чтобы преодолеть эти проблемы используют альтернативные показатели, одним из которых является скорректированный коэффициент детерминации (Adjasted coefficient of determinftion).

Скорректированный коэффициент детерминации даёт возможность сравнивать модели с разным числом переменных так, чтобы их число не влияло на статистику R^{2}, и накладывает штраф за дополнительно включённые в модель переменные. Вычисляется по формуле:

R_{adj}^{2}=1-frac{sumlimits_{i=1}^{n}(widehat{y}_{i}-y_{i})^{2}/(n-k)}{sumlimits_{i=1}^{n}({overline{y}}_{i}-y_{i})^{2}/(n-1)}

где n — число наблюдений, на основе которых строится модель, k — количество переменных в модели.

Скорректированный коэффициент детерминации всегда меньше единицы, но теоретически может принимать значения и меньше нуля только при очень малом значении обычного коэффициента детерминации и большом количестве переменных модели.

Сравнение метрик

Резюмируем преимущества и недостатки каждой приведённой метрики в следующей таблице:

Мера	Сильные стороны	Слабые стороны
MSE	Позволяет подчеркнуть большие отклонения, простота вычисления.	Имеет тенденцию занижать качество модели, чувствительна к выбросам. Сложность интерпретации из-за квадратичной зависимости.
RMSE	Простота интерпретации, поскольку измеряется в тех же единицах, что и целевая переменная.	Имеет тенденцию занижать качество модели, чувствительна к выбросам.
MSPE	Нечувствительна к выбросам. Хорошо интерпретируема, поскольку имеет линейный характер.	Поскольку вклад всех ошибок отдельных наблюдений взвешивается одинаково, не позволяет подчёркивать большие и малые ошибки.
MAPE	Является безразмерной величиной, поэтому её интерпретация не зависит от предметной области.	Нельзя использовать для наблюдений, в которых значения выходной переменной равны нулю.
SMAPE	Позволяет корректно работать с предсказанными значениями независимо от того больше они фактического, или меньше.	Приближение к нулю фактического или предсказанного значения приводит к резкому росту ошибки, поскольку в знаменателе присутствует как фактическое, так и предсказанное значения.
MASE	Не зависит от масштаба данных, является симметричной: положительные и отрицательные отклонения от фактического значения учитываются одинаково. Устойчива к выбросам. Позволяет сравнивать модели.	Сложность интерпретации.
MRE	Позволяет оценить величину ошибки относительно значения целевой переменной.	Неприменима для наблюдений с нулевым значением выходной переменной.
RMSLE	Логарифмирование позволяет сделать величину ошибки более устойчивой, когда разность между фактическим и предсказанным значениями различается на порядок и выше	Может быть затруднена интерпретация из-за нелинейности.
R-квадрат	Универсальность, простота интерпретации.	Возрастает даже при включении в модель бесполезных переменных. Плохо работает когда входные переменные зависимы.
R-квадрат скорр.	Корректно отражает вклад каждой переменной в модель.	Плохо работает, когда входные переменные зависимы.

В данной статье рассмотрены наиболее популярные меры качества регрессионных моделей, которые часто используются в различных аналитических приложениях. Эти меры имеют свои особенности применения, знание которых позволит обоснованно выбирать и корректно применять их на практике.

Однако в литературе можно встретить и другие меры качества моделей регрессии, которые предлагаются различными авторами для решения конкретных задач анализа данных.

Другие материалы по теме:

Отбор переменных в моделях линейной регрессии

Репрезентативность выборочных данных

Логистическая регрессия и ROC-анализ — математический аппарат

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Общие положения

Про регрессионный анализ вообще, и его применение в DataScience написано очень много. Есть множество учебников, монографий, справочников и статей по прикладной статистике, огромное количество информации в интернете, примеров расчетов. Можно найти множество кейсов, реализованных с использованием средств Python. Казалось бы — что тут еще можно добавить?

Однако, как всегда, есть нюансы:

1. Регрессионный анализ — это прежде всего процесс, набор действий исследователя по определенному алгоритму: «подготовка исходных данных — построение модели — анализ модели — прогнозирование с помощью модели». Это ключевая особенность. Не представляет особой сложности сформировать DataFrame исходных данных и построить модель, запустить процедуру из библиотеки statsmodels. Однако подготовка исходных данных и последующий анализ модели требуют гораздо больших затрат человеко-часов специалиста и строк программного кода, чем, собственно, построение модели. На этих этапах часто приходится возвращаться назад, корректировать модель или исходные данные. Этому, к сожалению, во многих источниках, не удаляется достойного внимания, а иногда — и совсем не уделяется внимания, что приводит к превратному представлению о регрессионном анализе.

2. Далеко не во всех источниках уделяется должное внимание интерпретации промежуточных и финальных результатов. Специалист должен уметь интерпретировать каждую цифру, полученную в ходе работы над моделью.

3. Далеко не все процедуры на этапах подготовки исходных данных или анализа модели в источниках разобраны подробно. Например, про проверку значимости коэффициента детерминации найти информацию не представляет труда, а вот про проверку адекватности модели, построение доверительных интервалов регрессии или про специфические процедуры (например, тест Уайта на гетероскедастичность) информации гораздо меньше.

4. Своеобразная сложность может возникнуть с проверкой статистических гипотез: для отечественной литературы по прикладной статистике больше характерно проверять гипотезы путем сравнения расчетного значения критерия с табличным, а в иностранных источниках чаще определяется расчетный уровень значимости и сравнивается с заданным (чаще всего 0.05 = 1-0.95). В разных источниках информации реализованы разные подходы. Инструменты python (прежде всего библиотеки scipy и statsmodels) также в основном оперируют с расчетным уровнем значимости.

5. Ну и, наконец, нельзя не отметить, что техническая документация библиотеки statsmodels составлена, на мой взгляд, далеко не идеально: информация излагается путано, изобилует повторами и пропусками, описание классов, функций и свойств выполнено фрагментарно и количество примеров расчетов — явно недостаточно.

Поэтому я решил написать ряд обзоров по регрессионному анализу средствами Python, в которых акцент будет сделан на практических примерах, алгоритме действий исследователя, интерпретации всех полученных результатов, конкретных методических рекомендациях. Буду стараться по возможности избегать теории (хотя совсем без нее получится) — все-таки предполагается, что специалист DataScience должен знать теорию вероятностей и математическую статистику, хотя бы в рамках курса высшей математики для технического или экономического вуза.

В данном статье остановимся на самои простом, классическом, стереотипном случае — простой линейной регрессии (simple linear regression), или как ее еще принято называть — парной линейной регрессионной модели (ПЛРМ) — в ситуации, когда исследователя не подстерегают никакие подводные камни и каверзы — исходные данные подчиняются нормальному закону, в выборке отсутствуют аномальные значения, отсутствует ложная корреляция. Более сложные случаи рассмотрим в дальнейшем.

Для построение регрессионной модели будем пользоваться библиотекой statsmodels.

В данной статье мы рассмотрим по возможности полный набор статистических процедур. Некоторые из них (например, дескриптивная статистика или дисперсионный анализ регрессионной модели) могут показаться избыточными. Все так, но эти процедуры улучшают наше представление о процессе и об исходных данных, поэтому в разбор я их включил, а каждый исследователь сам вправе для себя определить, потребуются ему эти процедуры или нет.

Краткий обзор источников

Источников информации по корреляционному и регрессионному анализу огромное количество, в них можно просто утонуть. Поэтому позволю себе просто порекомендовать ряд источников, на мой взгляд, наиболее полезных:

1. Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. — 816 с.

2. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. — М.: Высшая школа, 1988. — 239 с.

3. Фёрстер Э., Рёнц Б. Методы корреляционного и регрессионного анализа / пер с нем. — М.: Финансы и статистика, 1983. — 302 с.

4. Афифи А., Эйзен С. Статистический анализ. Подход с использованием ЭВМ / пер с англ. — М.: Мир, 1982. — 488 с.

5. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. Книга 1 / пер.с англ. — М.: Финансы и статистика, 1986. — 366 с.

6. Айвазян С.А. и др. Прикладная статистика: Исследование зависимостей. — М.: Финансы и статистика, 1985. — 487 с.

7. Прикладная статистика. Основы эконометрики: В 2 т. 2-е изд., испр. — Т.2: Айвазян С.А. Основы эконометрики. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. — 432 с.

8. Магнус Я.Р. и др. Эконометрика. Начальный курс — М.: Дело, 2004. — 576 с.

9. Носко В.П. Эконометрика. Книга 1. — М.: Издательский дом «Дело» РАНХиГС, 2011. — 672 с.

10. Брюс П. Практическая статистика для специалистов Data Science / пер. с англ. — СПб.: БХВ-Петербург, 2018. — 304 с.

11. Уатт Дж. и др. Машинное обучение: основы, алгоритмы и практика применения / пер. с англ. — СПб.: БХВ-Петербург, 2022. — 640 с.

Прежде всего следует упомянуть справочник Кобзаря А.И. [1] — это безусловно выдающийся труд. Ничего подобного даже близко не издавалось. Всем рекомендую иметь под рукой.

Есть очень хорошее практическое пособие [2] — для начинающих и практиков.>

Добротная работа немецких авторов [3]. Все разобрано подробно, обстоятельно, с примерами — очень хорошая книга. Примеры приведены из области экономики.

Еще одна добротная работа — [4], с примерами медико-биологического характера.

Работа [5] считается одним из наиболее полных изложений прикладного регрессионного анализа.

Более сложные работы — [6] (классика жанра), [7], [8], [9] — выдержаны на достаточно высоком математическом уровне, примеры из экономической области.

Свежие работы [10] (с примерами на языке R) и [11] (с примерами на python).

Cтатьи

Статей про регрессионный анализ в DataScience очень много, обращаю внимание на некоторые весьма полезные из них.

Серия статей «Python, корреляция и регрессия», охватывающая весь процесс регрессионного анализа:

• первичная обработка данных, визуализация и корреляционный анализ;

• регрессия;

• теория матриц в регрессионном анализе, проверка  адекватности, мультиколлинеарность;

• прогнозирование с помощью регрессионных моделей.

Очень хороший обзор «Интерпретация summary из statsmodels для линейной регрессии». В этой статье даны очень полезные ссылки:

• Statistical Models

• Interpreting Linear Regression Through statsmodels .summary()

Статья «Регрессионные модели в Python».

Основные предпосылки (гипотезы) регрессионного анализа

Очень кратко — об этом написано тысячи страниц в учебниках — но все же вспомним некоторые основы теории.

Проверка исходных предпосылок является очень важным моментом при статистическом анализе регрессионной модели. Если мы рассматриваем классическую линейную регрессионную модель вида:

то основными предпосылками при использовании обычного метода наименьших квадратов (МНК) для оценки ее параметров являются:

1. Среднее значение (математическое ожидание) случайной составляющей равно нулю:

1. Дисперсия случайной составляющей является постоянной:

В случае нарушения данного условия мы сталкиваемся с явлением гетероскедастичности.

1. Значения случайной составляющей статистически независимы (некоррелированы) между собой:

В случае нарушения данного условия мы сталкиваемся с явлением автокорреляции.

1. Условие существования обратной матрицы

что эквивалентно одному из двух следующих условий:

то есть число наблюдений должно превышать число параметров.

1. Значения случайной составляющей некоррелированы со значениями независимых переменных:

1. Случайная составляющая имеет нормальный закон распределения (с математическим ожиданием равным нулю — следует из условия 1):

Более подробно — см.: [3, с.90], [4, с.147], [5, с.122], [6, с.208], [7, с.49], [8, с.68], [9, с.88].

Кроме гетероскедастичности и автокорреляции возможно возникновение и других статистических аномалий — мультиколлинеарности, ложной корреляции и т.д.

Доказано, что оценки параметров, полученные с помощью МНК, обладают наилучшими свойствами (несмещенность, состоятельность, эффективность) при соблюдении ряда условий:

• выполнение приведенных выше исходных предпосылок регрессионного анализа;

• число наблюдений на одну независимую переменную должно быть не менее 5-6;

• должны отсутствовать аномальные значения (выбросы).

Кроме обычного МНК существуют и другие его разновидности (взвешенный МНК, обобщенный МНК), которые применяются при наличии статистических аномалий. Кроме МНК применяются и другие методы оценки параметров моделей. В этом обзоре мы эти вопросы рассматривать не будем.

Алгоритм проведения регрессионного анализа

Алгоритм действий исследователя при построении регрессионной модели (полевые работы мы, по понятным причинам, не рассматриваем — считаем, что исходные данные уже получены):

1. Подготовительный этап — постановка целей и задач исследования.

2. Первичная обработка исходных данных — об этом много написано в учебниках и пособиях по DataScience, сюда могут относится:

• выявление нерелевантных признаков (признаков, которые не несут полезной информации), нетипичных данных (выбросов), неинформативных признаков (имеющих большое количество одинаковых значений) и работа с ними (удаление/преобразование);

• выделение категориальных признаков;

• работа с пропущенными значениями;

• преобразование признаков-дат в формат datetime и т.д.

1. Визуализация исходных данных — предварительный графический анализ.

2. Дескриптивная (описательная) статистика — расчет выборочных характеристик и предварительные выводы о свойствах исходных данных.

3. Исследование закона распределения исходных данных и, при необходимости, преобразование исходных данных к нормальному закону распределения.

4. Выявление статистически аномальных значений (выбросов), принятие решения об их исключении.

   Этапы 4, 5 и 6 могут быть при необходимости объединены.

5. Корреляционный анализ — исследование корреляционных связей между исходными данными; это разведка перед проведением регрессионного анализа.

6. Построение регрессионной модели:

• выбор моделей;

• выбор методов;

• оценка параметров модели.

1. Статистический анализ регрессионной модели:  

• оценка ошибок аппроксимации (error metrics);

• анализ остатков (проверка нормальности распределения остатков и гипотезы о равенстве нулю среднего значения остатков);

• проверка адекватности модели;

• проверка значимости коэффициента детерминации;

• проверка значимости коэффициентов регрессии;

• проверка мультиколлинеарности (для множественных регрессионных моделей; вообще мультиколлинеарные переменные выявляются еще на стадии корреляционного анализа);

• проверка автокорреляции;

• проверка гетероскедастичности.

   Этапы 8 и 9 могут быть при необходимости повторяться несколько раз.

1. Сравнительный анализ нескольких регрессионных моделей, выбор наилучшей (при необходимости).

2. Прогнозирование с помощью регрессионной модели и оценка качества прогноза.

3. Выводы и рекомендации.

Само собой, этот алгоритм не есть истина в последней инстанции — в зависимости от особенностей исходных данных и вида модели могут возникать дополнительные задачи.

Применение пользовательских функций

Далее в обзоре мной будут использованы несколько пользовательских функций для решения разнообразных задач. Все эти функции созданы для облегчения работы и уменьшения размера программного кода. Данные функции загружается из пользовательского модуля my_module__stat.py, который доступен в моем репозитории на GitHub. Лично мне так удобнее работать, хотя каждый исследователь сам формирует себе инструменты по душе — особенно в части визуализации. Желающие могут пользоваться этими функциями, либо создать свои.

Итак, вот перечень данных функций:

• graph_scatterplot_sns — функция позволяет построить точечную диаграмму средствами seaborn и сохранить график в виде png-файла;

• graph_hist_boxplot_probplot_XY_sns  — функция позволяет визуализировать исходные данные для простой линейной регрессии путем одновременного построения гистограммы, коробчатой диаграммы и вероятностного графика (для переменных X и Y) средствами seaborn и сохранить график в виде png-файла; имеется возможность выбирать, какие графики строить (h — hist, b — boxplot, p — probplot);

• descriptive_characteristics — функция возвращает в виде DataFrame набор статистических характеристики выборки, их ошибок и доверительных интервалов;

• detecting_outliers_mad_test — функция выполняет проверку наличия аномальных значений (выбросов) по критерию наибольшего абсолютного отклонения (более подробно — см.[1, с.547]);

• norm_distr_check — проверка нормальности распределения исходных данных с использованием набора из нескольких статистических тестов;

• corr_coef_check — функция выполняет расчет коэффициента линейной корреляции Пирсона, проверку его значимости и расчет доверительных интервалов; об этой функции я писал в своей статье.

• graph_regression_plot_sns —  — функция позволяет построить график регрессионной модели.

Ряд пользовательских функций мы создаем в процессе данного обзора (они тоже включены в пользовательский модуль my_module__stat.py):

• regression_error_metrics — расчет ошибок аппроксимации регрессионной модели;

• ANOVA_table_regression_model — вывод таблицы дисперсионного анализа регрессионной модели;

• regression_model_adequacy_check — проверка адекватности регрессионной модели по критерию Фишера;

• determination_coef_check — проверка значимости коэффициента детерминации по критерию Фишера;

• regression_coef_check — проверка значимости коэффициентов регрессии по критеирю Стьюдента;

• Goldfeld_Quandt_test, Breush_Pagan_test, White_test — проверка гетероскедастичности с использование тестов Голдфелда-Квандта, Бриша-Пэгана и Уайта соответственно;

• regression_pair_predict — функция для прогнозирования с помощью парной регрессионной модели: рассчитывает прогнозируемое значение переменной Y по заданной модели, а также доверительные интервалы среднего и индивидуального значения для полученного прогнозируемого значения Y;

• graph_regression_pair_predict_plot_sns — прогнозирование: построение графика регрессионной модели (с доверительными интервалами) и вывод расчетной таблицы с данными для заданной области значений X.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В качестве примера рассмотрим практическую задачу из области экспертизы промышленной безопасности — калибровку ультразвукового прибора для определения прочности бетона.

Итак, суть задачи: при обследовании несущих конструкций зданий и сооружений эксперт определяет прочность бетона с использованием ультразвукового прибора «ПУЛЬСАР-2.1», для которого необходимо предварительно построить градуировочную зависимость. Заключается это в следующем — производятся замеры с фиксацией следующих показателей:

• X — показания ультразвукового прибора «ПУЛЬСАР-2.1» (м/с)

• Y — результаты замера прочности бетона (методом отрыва со скалыванием) склерометром ИПС-МГ4.03.

Предполагается, что между показателями X и Y имеется линейная регрессионная зависимость, которая позволит прогнозировать прочность бетона на основании измерений, проведенных прибором «ПУЛЬСАР-2.1».

Были выполнены замеры фактической прочности бетона конструкций для бетонов одного вида с одним типом крупного заполнителя, с единой технологией производства. Для построения были выбраны 14 участков (не менее 12), включая участки, в которых значение косвенного показателя максимальное, минимальное и имеет промежуточные значения.

Настройка заголовков отчета:

# Общий заголовок проекта
Task_Project = 'Калибровка ультразвукового прибора "ПУЛЬСАР-2.1" nдля определения прочности бетона'

# Заголовок, фиксирующий момент времени
AsOfTheDate = ""

  # Заголовок раздела проекта
Task_Theme = ""

# Общий заголовок проекта для графиков
Title_String = f"{Task_Project}n{AsOfTheDate}"

# Наименования переменных
Variable_Name_X = "Скорость УЗК (м/с)"
Variable_Name_Y = "Прочность бетона (МПа)"

# Константы
INCH = 25.4    # мм/дюйм
  DecPlace = 5    # number of decimal places - число знаков после запятой

# Доверительная вероятность и уровень значимости:
p_level = 0.95
a_level = 1 - p_level   

Подключение модулей и библиотек:

# Стандартные модули и библиотеки

import os    # загрузка модуля для работы с операционной системой
import sys
import platform
print('{:<35}{:^0}'.format("Текущая версия Python: ", platform.python_version()), 'n')

import math
from math import *    # подключаем все содержимое модуля math, используем без псевдонимов

import numpy as np
#print ("Текущая версия модуля numpy: ", np.__version__)
print('{:<35}{:^0}'.format("Текущая версия модуля numpy: ", np.__version__))
from numpy import nan

import scipy as sci
print('{:<35}{:^0}'.format("Текущая версия модуля scipy: ", sci.__version__))
import scipy.stats as sps

import pandas as pd
print('{:<35}{:^0}'.format("Текущая версия модуля pandas: ", pd.__version__))

import matplotlib as mpl
print('{:<35}{:^0}'.format("Текущая версия модуля matplotlib: ", mpl.__version__))
import matplotlib.pyplot as plt

import seaborn as sns
print('{:<35}{:^0}'.format("Текущая версия модуля seaborn: ", sns.__version__))

import statsmodels.api as sm
import statsmodels.formula.api as smf
import statsmodels.graphics.api as smg
import statsmodels.stats.api as sms
from statsmodels.compat import lzip
print('{:<35}{:^0}'.format("Текущая версия модуля statsmodels: ", sm.__version__))

import statistics as stat    # module 'statistics' has no attribute '__version__'

import sympy as sym
print('{:<35}{:^0}'.format("Текущая версия модуля sympy: ", sym.__version__))

# Настройки numpy
np.set_printoptions(precision = 4, floatmode='fixed')

# Настройки Pandas
pd.set_option('display.max_colwidth', None)    # текст в ячейке отражался полностью вне зависимости от длины
pd.set_option('display.float_format', lambda x: '%.4f' % x)

# Настройки seaborn
sns.set_style("darkgrid")
sns.set_context(context='paper', font_scale=1, rc=None)    # 'paper', 'notebook', 'talk', 'poster', None

# Настройки Mathplotlib
f_size = 8    # пользовательская переменная для задания базового размера шрифта
plt.rcParams['figure.titlesize'] = f_size + 12    # шрифт заголовка
plt.rcParams['axes.titlesize'] = f_size + 10      # шрифт заголовка
plt.rcParams['axes.labelsize'] = f_size + 6       # шрифт подписей осей
plt.rcParams['xtick.labelsize'] = f_size + 4      # шрифт подписей меток
plt.rcParams['ytick.labelsize'] = f_size + 4
plt.rcParams['legend.fontsize'] = f_size + 6      # шрифт легенды

# Пользовательские модули и библиотеки

Text1 = os.getcwd()    # вывод пути к текущему каталогу
#print(f"Текущий каталог: {Text1}")

sys.path.insert(1, "D:REPOSITORYMyModulePython")

from my_module__stat import *

ФОРМИРОВАНИЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

Показания ультразвукового прибора «ПУЛЬСАР-2.1» (м/с):

X = np.array([
    4416, 4211, 4113, 4110, 4122,
    4427, 4535, 4311, 4511, 4475,
    3980, 4490, 4007, 4426
    ])

Результаты замера прочности бетона (методом отрыва со скалыванием) прибором ИПС-МГ4.03:

Y = np.array([
    34.2, 35.1, 31.5, 30.8, 30.0,
    34.0, 35.4, 35.8, 38.0, 37.7,
    30.0, 37.8, 31.0, 35.2
    ])

Запишем данные в DataFrame:

calibrarion_df = pd.DataFrame({
    'X': X,
    'Y': Y})
display(calibrarion_df)
calibrarion_df.info()

Сохраняем данные в csv-файл:

calibrarion_df.to_csv(
    path_or_buf='data/calibrarion_df.csv',
    mode='w+',
    sep=';')

Cоздаем копию исходной таблицы для работы:

dataset_df = calibrarion_df.copy()

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ДАННЫХ

Границы значений переменных (при построении графиков):

(Xmin_graph, Xmax_graph) = (3800, 4800)
(Ymin_graph, Ymax_graph) = (25, 45)

# Пользовательская функция
graph_scatterplot_sns(
    X, Y,
    Xmin=Xmin_graph, Xmax=Xmax_graph,
    Ymin=Ymin_graph, Ymax=Ymax_graph,
    color='orange',
    title_figure=Task_Project,
    x_label=Variable_Name_X,
    y_label=Variable_Name_Y,
    s=100,
    file_name='graph/scatterplot_XY_sns.png')

Существует универсальный набор графиков — гистограмма, коробчатая диаграмма, вероятностный график — которые позволяют исследователю сделать предварительные выводы о свойствах исходных данных.

Так как объем выборки невелик (n=14), строить гистограммы распределения переменных X и Y не имеет смысла, поэтому ограничимся построением коробчатых диаграмм и вероятностных графиков:

# Пользовательская функция
graph_hist_boxplot_probplot_XY_sns(
    data_X=X, data_Y=Y,
    data_X_min=Xmin_graph, data_X_max=Xmax_graph,
    data_Y_min=Ymin_graph, data_Y_max=Ymax_graph,  
    graph_inclusion='bp',    # выбираем для построения виды графиков: b - boxplot, p - probplot)
    data_X_label=Variable_Name_X,
    data_Y_label=Variable_Name_Y,
    title_figure=Task_Project,
    file_name='graph/hist_boxplot_probplot_XY_sns.png')    

Для сравнения характера распределений переменных X и Y возможно также построить совмещенную коробчатую диаграмму по стандартизованным данным:

# стандартизуем исходные данные
standardize_df = lambda X: ((X - np.mean(X))/np.std(X))

dataset_df_standardize = dataset_df.copy()
dataset_df_standardize = dataset_df_standardize.apply(standardize_df)
display(dataset_df_standardize)

# построим график
fig, axes = plt.subplots(figsize=(210/INCH, 297/INCH/2))
axes.set_title("Распределение стандартизованных переменных X и Y", fontsize = 16)
sns.boxplot(
    data=dataset_df_standardize,    
    orient='h',
    width=0.5,
    ax=axes)
plt.show()

Графический анализ позволяет сделать следующие выводы:

1. Отсутствие выбросов на коробчатых диаграммах свидетельствует об однородности распределения переменных.

2. Смещение медианы вправо на коробчатых диаграммах свидетельствует о левосторонней асимметрии распределения.

ДЕСКРИПТИВНАЯ (ОПИСАТЕЛЬНАЯ СТАТИСТИКА)

Собственно говоря, данный этап требуется проводить далеко не всегда, однако с помощью статистических характеристик выборки мы тоже можем сделать полезные выводы.

Описательная статистика исходных данных средствами библиотеки Pandas — самый простой вариант:

dataset_df.describe()

Описательная статистика исходных данных средствами библиотеки statsmodels — более развернутый вариант, с большим количеством показателей:

from statsmodels.stats.descriptivestats import Description
result = Description(
    dataset_df,
    stats=["nobs", "missing", "mean", "std_err", "ci", "ci", "std", "iqr", "mad", "coef_var", "range", "max", "min", "skew", "kurtosis", "mode",
           "median", "percentiles", "distinct", "top", "freq"],
    alpha=a_level,
    use_t=True)
display(result.summary())

Описательная статистика исходных данных с помощью пользовательской функции descriptive_characteristics:

# Пользовательская функция
descriptive_characteristics(X)

Выводы:

1. Сравнение показателей среднего арифметического (mean) и медианы (median) свидетельствует о левосторонней асимметрии (т.к.mean < median).

2. Значение коэффициента вариации CV = 0.0445 и доверительный интервал для него 0.0336 ≤ CV ≤ 0.0657 свидетельствует об однородности исходных данных (т.к. CV ≤ 0.33).

3. Значение показателя асимметрии skew (As) = -0.3101 свидетельствует об умеренной левосторонней асимметрии распределении (т.к. |As| ≤ 0.5, As < 0).

4. Значение показателя эксцесса kurtosis (Es) = -1.4551 свидетельствует о плосковершинном распределении (platykurtic distribution) (т.к. Es < 0).

# Пользовательская функция
descriptive_characteristics(Y)

Выводы:

1. Сравнение показателей среднего арифметического (mean) и медианы (median) свидетельствует о левосторонней асимметрии (т.к.mean < median).

2. Значение коэффициента вариации CV = 0.0822 и доверительный интервал для него 0.06202 ≤ CV ≤ 0.1217 свидетельствует об однородности исходных данных (т.к. CV ≤ 0.33).

3. Значение показателя асимметрии skew (As) = -0.1109 свидетельствует о приблизительно симметричном распределении (т.к. |As| ≤ 0.25).

4. Значение показателя эксцесса kurtosis (Es) = -1.3526 свидетельствует о плосковершинном распределении (platykurtic distribution) (т.к. Es < 0).

ПРОВЕРКА НОРМАЛЬНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Для проверки нормальности распределения использована пользовательская функция norm_distr_check, которая объединяет в себе набор стандартных статистических тестов проверки нормальности. Все тесты относятся к стандартному инструментарию Pyton (библиотека scipy, модуль stats), за исключением теста Эппса-Палли (Epps-Pulley test); о том, как реализовать этот тест средствами Pyton я писал в своей статье https://habr.com/ru/post/685582/.

Примечание: для использования функции norm_distr_check в каталог с ipynb-файлом необходимо поместить папку table c файлом Tep_table.csv, который содержит табличные значения статистики критерия Эппса-Палли.

# пользовательская функция
norm_distr_check(X)

# Пользовательская функция
norm_distr_check (Y)

Вывод: большинство статистических тестов позволяют принять гипотезу о нормальности распределения переменных X и Y.

ПРОВЕРКА АНОМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ (ВЫБРОСОВ)

Статистическую проверку аномальных значений (выбросов) не стоит путать с проверкой выбросов, которая проводится на этапе первичной обработки результатов наблюдений. Последняя проводится с целью отсеять явные ошибочные данные (например, в результате неправильно поставленной запятой величина показателя может увеличиться/уменьшиться на порядок); здесь же мы говорим о статистической проверке данных, которые уже прошли этап первичной обработки.

Имеется довольно много критериев для проверки аномальных значений (подробнее см.[1]); вообще данная процедура довольно неоднозначная:

• критерии зависят от вида распределения;

• мало данных о сравнительной мощности этих критериев;

• даже в случае принятии гипотезы о нормальном распределении в выборке могут быть обнаружены аномальные значения и пр.

Кроме существует дилемма: если какие-то значения в выборке признаны выбросами — стоит или не стоит исследователю исключать их? Ведь каждое значение несет в себе информацию, причем иногда весьма ценную, а сильно отклоняющиеся от основного массива данные (которые не являются выбросами в смысле первичной обработки, но являются статистическим значимыми аномальными значениями) могут кардинально изменить статистический вывод.

В общем, о задаче выявления аномальных значений (выбросов) можно написать отдельно, а пока, в данном разборе, ограничимся проверкой аномальных значений по критерию наибольшего максимального отклонения (см.[1, с.547]) с помощью пользовательской функции detecting_outliers_mad_test. Данные функция возвращает DataFrame, которые включает список аномальных значений со следующими признаками:

• value — проверяемое значение из выборки;

• mad_calc и mad_table — расчетное и табличное значение статистики критерия;

• outlier_conclusion — вывод (выброс или нет).

Обращаю внимание, что критерий наибольшего максимального отклонения можно использовать только для нормально распределенных данных.

# пользовательская функция
print("Проверка наличия выбросов переменной X:n")
result = detecting_outliers_mad_test(X)
mask = (result['outlier_conclusion'] == 'outlier')
display(result[mask])

# пользовательская функция
print("Проверка наличия выбросов переменной Y:n")
result = detecting_outliers_mad_test(Y)
mask = (result['outlier_conclusion'] == 'outlier')
display(result[mask])

Вывод: в случае обеих переменных X и Y список пуст, следовательно, аномальных значений (выбросов) не выявлено.

КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ

Корреляционный анализ — это разведка перед построением регрессионной модели.

Выполним расчет коэффициента линейной корреляции Пирсона, проверку его значимости и построение доверительных интервалов с помощью пользовательской функции corr_coef_check (про эту функцию более подробно написано в моей статье https://habr.com/ru/post/683442/):

# пользовательская функция
display(corr_coef_check(X, Y, scale='Evans'))

Выводы:

1. Значение коэффициента корреляции coef_value = 0.8900 свидетельствует о весьма сильной корреляционной связи (по шкале Эванса).

2. Коэффициент корреляции значим по критерию Стьюдента: t_calc ≥ t_table, a_calc ≤ a_level.

3. Доверительный интервал для коэффициента корреляции: 0.6621 ≤ coef_value ≤ 0.9625.

РЕГРЕССИОННЫЙ АНАЛИЗ

Предварительная визуализация

python позволяет выполнить предварительную визуализацию, например, с помощью функции jointplot библиотеки seaborn:

fig = plt.figure(figsize=(297/INCH, 210/INCH))
axes = sns.jointplot(
    x=X, y=Y,
    kind='reg',
    ci=95)
plt.show()

Построение модели

Выполним оценку параметров и анализ простой линейной регрессии (simple linear regression), используя библиотеку statsmodels (https://www.statsmodels.org/) и входящий в нее модуль линейной регрессии Linear Regression (https://www.statsmodels.org/stable/regression.html).

Данный модуль включает в себя классы, реализующие различные методы оценки параметров моделей линейной регрессии, в том числе:

• класс OLS (https://www.statsmodels.org/stable/generated/statsmodels.regression.linear_model.OLS.html#statsmodels.regression.linear_model.OLS) — Ordinary Least Squares (обычный метод наименьших квадратов).

• класс WLS (https://www.statsmodels.org/stable/generated/statsmodels.regression.linear_model.WLS.html#statsmodels.regression.linear_model.WLS) — Weighted Least Squares (метод взвешенных наименьших квадратов) (https://en.wikipedia.org/wiki/Weighted_least_squares), применяется, если имеет место гетероскедастичность данных (https://ru.wikipedia.org/wiki/Гетероскедастичность).

• класс GLS (https://www.statsmodels.org/stable/generated/statsmodels.regression.linear_model.GLS.html#statsmodels.regression.linear_model.GLS) — Generalized Least Squares (обобщенный метод наименьших квадратов) (https://en.wikipedia.org/wiki/Generalized_least_squares), применяется, если существует определенная степень корреляции между остатками в модели регрессии.

• класс GLSAR (https://www.statsmodels.org/stable/generated/statsmodels.regression.linear_model.GLSAR.html#statsmodels.regression.linear_model.GLSAR) — Generalized Least Squares with AR covariance structure (обобщенный метод наименьших квадратов, ковариационная структура с автокорреляцией — экспериментальный метод)

• класс RecurciveLS (https://www.statsmodels.org/stable/examples/notebooks/generated/recursive_ls.html) — Recursive least squares (рекурсивный метод наименьших квадратов) (https://en.wikipedia.org/wiki/Recursive_least_squares_filter)

• классы RollingOLS (https://www.statsmodels.org/stable/generated/statsmodels.regression.rolling.RollingOLS.html#statsmodels.regression.rolling.RollingOLS) и RollingWLS (https://www.statsmodels.org/stable/generated/statsmodels.regression.rolling.RollingWLS.html#statsmodels.regression.rolling.RollingWLS) — скользящая регрессия (https://www.statsmodels.org/stable/examples/notebooks/generated/rolling_ls.html, https://help.fsight.ru/ru/mergedProjects/lib/01_regression_models/rolling_regression.htm)

  и т.д.

Так как исходные данные подчиняются нормальному закону распределения и аномальные значения (выбросы) отсутствуют, воспользуемся для оценки параметров обычным методом наименьших квадратов (класс OLS):

model_linear_ols = smf.ols(formula='Y ~ X', data=dataset_df)
result_linear_ols = model_linear_ols.fit()
print(result_linear_ols.summary())

Альтернативная форма выдачи результатов:

print(result_linear_ols.summary2())

Результаты построения модели мы получаем как класс statsmodels.regression.linear_model.RegressionResults (https://www.statsmodels.org/stable/generated/statsmodels.regression.linear_model.RegressionResults.html#statsmodels.regression.linear_model.RegressionResults).

Экспресс-выводы, которые мы можем сразу сделать из результатов построения модели:

1. Коэффициенты регрессии модели Y = b0 + b1∙X:

   • Intercept = b0 = -21.3741

   • b1 = 0.0129

2. Коэффициент детерминации R-squared = 0.776, его скорректированная оценка Adj. R-squared = 0.757 — это означает, что регрессионная модуль объясняет 75.75% вариации переменной Y.

3. Проверка значимости коэффициента детерминации:

   • расчетное значение статистики критерия Фишера: F-statistic = 41.61

   • расчетный уровень значимости Prob (F-statistic) = 3.16e-05

   • так как значение Prob (F-statistic) < 0.05, то нулевая гипотеза R-squared = 0 НЕ ПРИНИМАЕТСЯ, т.е. коэффициент детерминации ЗНАЧИМ

4. Проверка значимости коэффициентов регрессии:

   • расчетный уровень значимости P>|t| не превышает 0.05 — это означает, что оба коэффициента регрессии значимы

   • об этом же свидетельствует то, что доверительный интервал для обоих коэффициентов регрессии ([0.025; 0.975]) не включает в себя точку 0

   Также в таблице результатов содержится прочая информация по коэффициентам регрессии: стандартная ошибка Std.Err. расчетное значение статистики критерия Стьюдента t для проверки гипотезы о значимости.

5. Анализ остатков модели:

   • Тест Omnibus — про этот тест подробно написано в https://en.wikipedia.org/wiki/Omnibus_test, https://medium.com/swlh/interpreting-linear-regression-through-statsmodels-summary-4796d359035a, http://work.thaslwanter.at/Stats/html/statsModels.html.

     Расчетное значение статистики критерия Omnibus = 3.466 — по сути расчетное значение F-критерия (см. https://en.wikipedia.org/wiki/Omnibus_test).

     Prob(Omnibus) = 0.177 — показывает вероятность нормального распределения остатков (значение 1 указывает на совершенно нормальное распределение).

     Учитывая, что в дальнейшем мы проверим нормальность распределения остатков по совокупности различных тестов, в том числе с достаточно высокой мощностью, и все тесты позволят принять гипотезу о нормальном распределении — в данном случае к тесту Omnibus возникают вопросы. С этим тестом нужно разбираться отдельно.

   • Skew = 0.014 и Kurtosis = 1.587 — показатели асимметрии и эксцесса остатков свидетельствуют, что распределение остатков практически симметричное, островершинное.

   • проверка нормальности распределения остатков по критерию Харке-Бера: расчетное значение статистики критерия Jarque-Bera (JB) = 1.164 и расчетный уровень значимости Prob(JB) = 0.559. К данным результатам также возникают вопросы, особенно, если учесть, что критерий Харке-Бера является асимптотическим, расчетное значение имеет распределение хи-квадрат, поэтому данный критерий рекомендуют применять только для больших выборок (см. https://en.wikipedia.org/wiki/Jarque–Bera_test). Проверку нормальности распределения остатков модели лучше проводить с использованием набора стандартных статистических тестов python (см. далее).

6. Проверка автокорреляции по критерию Дарбина-Уотсона: Durbin-Watson = 1.443.

   Мы не будем здесь разбирать данный критерий, так как явление автокорреляции больше характерно для данных, выражаемых в виде временных рядов. Однако, для грубой оценки считается, что при расчетном значении статистики криетрия Дарбина=Уотсона а интервале [1; 2] автокорреляция отсутствует (см.https://en.wikipedia.org/wiki/Durbin–Watson_statistic).

   Более подробно про критерий Дарбина-Уотсона — см. [1, с.659].

Прочая информация, которую можно извлечь из результатов построения модели:

1. Covariance Type — тип ковариации, подробнее см. https://habr.com/ru/post/681218/, https://towardsdatascience.com/simple-explanation-of-statsmodel-linear-regression-model-summary-35961919868b#:~:text=Covariance type is typically nonrobust,with respect to each other.

2. Scale — масштабный коэффициент для ковариационной матрицы (https://www.statsmodels.org/stable/generated/statsmodels.regression.linear_model.RegressionResults.scale.html#statsmodels.regression.linear_model.RegressionResults.scale), равен величине Mean squared error (MSE) (cреднеквадратической ошибке), об подробнее см. далее, в разделе про ошибки аппроксимации моделей.

3. Показатели сравнения качества различных моделей:

   • Log-Likelihood — логарифмическая функция правдоподобия, подробнее см. https://en.wikipedia.org/wiki/Likelihood_function#Log-likelihood, https://habr.com/ru/post/433804/

   • AIC — информационный критерий Акаике (Akaike information criterion), подробнее см. https://en.wikipedia.org/wiki/Akaike_information_criterion

   • BIC — информационный критерий Байеса (Bayesian information criterion), подробнее см. https://en.wikipedia.org/wiki/Bayesian_information_criterion

   В данной статье мы эти показатели рассматривать не будем, так как задача выбора одной модели из нескольких перед нами не стоит.

4. Число обусловленности Cond. No = 96792 используется для проверки мультиколлинеарности (считается, что мультиколлинеарность есть, если значение Cond. No > 30) (см. http://work.thaslwanter.at/Stats/html/statsModels.html). В нашем случае парной регрессионной модели о мультиколлинеарности речь не идет.

Далее будем извлекать данные из стандартного набора выдачи результатов и анализировать их более подробно. Последующие этапы вовсе не обязательно проводить в полном объеме при решении задач, но здесь мы рассмотрим их подробно.

Параметры и уравнение регрессионной модели

Извлечем параметры полученной модели — как свойство params модели:

print('Параметры модели: n', result_linear_ols.params, type(result_linear_ols.params))

Имея параметры модели, можем формализовать уравнение модели Y = b0 + b1*X:

b0 = result_linear_ols.params['Intercept']
b1 = result_linear_ols.params['X']
Y_calc = lambda x: b0 + b1*x

График регрессионной модели

Для построения графиков регрессионных моделей можно воспользоваться стандартными возможностями библиотек statsmodels, seaborn, либо создать пользовательскую функцию — на усмотрение исследователя:

1. Построение графиков регрессионных моделей с использованием библиотеки statsmodels

С помощью функции statsmodels.graphics.plot_fit (https://www.statsmodels.org/stable/generated/statsmodels.graphics.regressionplots.plot_fit.html#statsmodels.graphics.regressionplots.plot_fit) — отображается график Y and Fitted vs.X (фактические и расчетные значения Y с доверительным интервалом для каждого значения Y):

fig, ax = plt.subplots(figsize=(297/INCH, 210/INCH))
fig = sm.graphics.plot_fit(
    result_linear_ols, 'X',
    vlines=True,    # это параметр отвечает за отображение доверительных интервалов для Y
    ax=ax)
ax.set_ylabel(Variable_Name_Y)
ax.set_xlabel(Variable_Name_X)
ax.set_title(Task_Project)
plt.show()

С помощью функции statsmodels.graphics.plot_regress_exog (https://www.statsmodels.org/stable/generated/statsmodels.graphics.regressionplots.plot_regress_exog.html#statsmodels.graphics.regressionplots.plot_regress_exog) — отображается область 2х2, которая содержит:

• предыдущий график Y and Fitted vs.X;

• график остатков Residuals versus X;

• график Partial regression plot — график частичной регрессии, пытается показать эффект добавления другой переменной в модель, которая уже имеет одну или несколько независимых переменных (более подробно см. https://en.wikipedia.org/wiki/Partial_regression_plot);

• график CCPR Plot (Component-Component plus Residual Plot) — еще один способ оценить влияние одной независимой переменной на переменную отклика, принимая во внимание влияние других независимых переменных (более подробно — см. https://towardsdatascience.com/calculating-price-elasticity-of-demand-statistical-modeling-with-python-6adb2fa7824d, https://www.kirenz.com/post/2021-11-14-linear-regression-diagnostics-in-python/linear-regression-diagnostics-in-python/).

fig = plt.figure(figsize=(297/INCH, 210/INCH))
sm.graphics.plot_regress_exog(result_linear_ols, 'X', fig=fig)
plt.show()

2. Построение графиков регрессионных моделей с использованием библиотеки seaborn

Воспользуемся модулем regplot библиотеки seaborn (https://seaborn.pydata.org/generated/seaborn.regplot.html). Данный модуль позволяет визуализировать различные виды регрессии:

• линейную

• полиномиальную

• логистическую

• взвешенную локальную регрессию (LOWESS — Locally Weighted Scatterplot Smoothing) (см. http://www.machinelearning.ru/wiki/index.php?title=Алгоритм_LOWESS, https://www.statsmodels.org/stable/generated/statsmodels.nonparametric.smoothers_lowess.lowess.html)

Более подробно про модуль regplot можно прочитать в статье: https://pyprog.pro/sns/sns_8_regression_models.html.

Есть более совершенный модуль lmplot (https://seaborn.pydata.org/generated/seaborn.lmplot.html), который объединяет в себе regplot и FacetGrid, но мы его здесь рассматривать не будем.

# создание рисунка (Figure) и области рисования (Axes)
fig = plt.figure(figsize=(297/INCH, 420/INCH/1.5))
ax1 = plt.subplot(2,1,1)
ax2 = plt.subplot(2,1,2)
# заголовок рисунка (Figure)
title_figure = Task_Project
fig.suptitle(title_figure, fontsize = 18)
# заголовок области рисования (Axes)
title_axes_1 = 'Линейная регрессионная модель'
ax1.set_title(title_axes_1, fontsize = 16)
# график регрессионной модели
order_mod = 1    # порядок модели
#label_legend_regr_model = 'фактические данные'
sns.regplot(
    #data=dataset_df,
    x=X, y=Y,
    #x_estimator=np.mean,
    order=order_mod,
    logistic=False,
    lowess=False,
    robust=False,
    logx=False,
    ci=95,
    scatter_kws={'s': 30, 'color': 'red'},
    line_kws={'color': 'blue'},
    #label=label_legend_regr_model,
    ax=ax1)
ax1.set_ylabel(Variable_Name_Y)
ax1.legend()
# график остатков
title_axes_2 = 'График остатков'
ax2.set_title(title_axes_2, fontsize = 16)
sns.residplot(
    #data=dataset_df,
    x=X, y=Y,
    order=order_mod,
    lowess=False,
    robust=False,
    scatter_kws={'s': 30, 'color': 'darkorange'},
    ax=ax2)
ax2.set_xlabel(Variable_Name_X)

plt.show()

3. Построение графиков регрессионных моделей с помощью пользовательской функции

# Пользовательская функция
graph_regression_plot_sns(
    X, Y,
    regression_model=Y_calc,
    Xmin=Xmin_graph, Xmax=Xmax_graph,
    Ymin=Ymin_graph, Ymax=Ymax_graph,
    title_figure=Task_Project,
    x_label=Variable_Name_X,
    y_label=Variable_Name_Y,
    label_legend_regr_model=f'линейная регрессия Y = {b0:.3f} + {b1:.4f}*X',
    s=80,
    file_name='graph/regression_plot_lin.png')

Статистический анализ регрессионной модели

1. Расчет ошибки аппроксимации (Error Metrics)

Ошибки аппроксимации (Error Metrics) позволяют получить общее представление о качестве модели, а также позволяют сравнивать между собой различные модели.

Создадим пользовательскую функцию, которая рассчитывает основные ошибки аппроксимации для заданной модели:

• Mean squared error (MSE) или Mean squared deviation (MSD) — среднеквадратическая ошибка (https://en.wikipedia.org/wiki/Mean_squared_error):

• Root mean square error (RMSE) или Root mean square deviation (RMSD) — квадратный корень из MSE (https://en.wikipedia.org/wiki/Root-mean-square_deviation):

• Mean absolute error (MAE) — средняя абсолютная ошибка (https://en.wikipedia.org/wiki/Mean_absolute_error):

• Mean squared prediction error (MSPE) — среднеквадратическая ошибка прогноза (среднеквадратическая ошибка в процентах) (https://en.wikipedia.org/wiki/Mean_squared_prediction_error):

• Mean absolute percentage error (MAPE) — средняя абсолютная ошибка в процентах (https://en.wikipedia.org/wiki/Mean_absolute_percentage_error):

Про выбор метрики см. также https://machinelearningmastery.ru/how-to-select-the-right-evaluation-metric-for-machine-learning-models-part-2-regression-metrics-d4a1a9ba3d74/.

# Пользовательская функция
def regression_error_metrics(model, model_name=''):
    model_fit = model.fit()
    Ycalc = model_fit.predict()
    n_fit = model_fit.nobs
    Y = model.endog
    
    MSE = (1/n_fit) * np.sum((Y-Ycalc)**2)
    RMSE = sqrt(MSE)
    MAE = (1/n_fit) * np.sum(abs(Y-Ycalc))
    MSPE = (1/n_fit) *  np.sum(((Y-Ycalc)/Y)**2)
    MAPE = (1/n_fit) *  np.sum(abs((Y-Ycalc)/Y))
        
    model_error_metrics = {
        'MSE': MSE,
        'RMSE': RMSE,
        'MAE': MAE,
        'MSPE': MSPE,
        'MAPE': MAPE}
    
    result = pd.DataFrame({
        'MSE': MSE,
        'RMSE': RMSE,
        'MAE': MAE,
        'MSPE': "{:.3%}".format(MSPE),
        'MAPE': "{:.3%}".format(MAPE)},
        index=[model_name])        
        
    return model_error_metrics, result

(model_error_metrics, result) = regression_error_metrics(model_linear_ols, model_name='linear_ols')
display(result)

В литературе по прикладной статистике нет единого мнения о допустимом размере относительных ошибок аппроксимации: в одних источниках допустимой считается ошибка 5-7%, в других она может быть увеличена до 8-10%, и даже до 15%.

Вывод: модель хорошо аппроксимирует фактические данные (относительная ошибка аппроксимации MAPE = 3.405% < 10%).

2. Дисперсионный анализ регрессионной модели (ДАРМ)

ДАРМ не входит в стандартную форму выдачи результатов Regression Results, однако я решил написать здесь о нем по двум причинам:

1. Именно анализ дисперсии регрессионной модели, разложение этой дисперсии на составляющие дает фундаментальное представление о сути регрессии, а термины, используемые при ДАРМ, применяются на последующих этапах анализа.

2. С терминами ДАРМ в литературе по прикладной статистике имеется некоторая путаница, в разных источниках они могут именоваться по-разному (см., например, [8, с.52]), поэтому, чтобы двигаться дальше, необходимо определиться с понятиями.

При ДАРМ общую вариацию результативного признака (Y) принято разделять на две составляющие — вариация, обусловленная регрессией и вариация, обусловленная отклонениями от регрессии (остаток), при этом в разных источниках эти термины могут именоваться и обозначаться по-разному, например:

1. Вариация, обусловленная регрессией — может называться Explained sum of squares (ESS), Sum of Squared Regression (SSR) (https://en.wikipedia.org/wiki/Explained_sum_of_squares, https://towardsdatascience.com/anova-for-regression-fdb49cf5d684), Sum of squared deviations (SSD).

2. Вариация, обусловленная отклонениями от регрессии (остаток) — может называться Residual sum of squares (RSS), Sum of squared residuals (SSR), Squared estimate of errors, Sum of Squared Error (SSE) (https://en.wikipedia.org/wiki/Residual_sum_of_squares, https://towardsdatascience.com/anova-for-regression-fdb49cf5d684); в отчественной практике также применяется термин остаточная дисперсия.

3. Общая (полная) вариация — может называться Total sum of squares (TSS), Sum of Squared Total (SST) (https://en.wikipedia.org/wiki/Partition_of_sums_of_squares, https://towardsdatascience.com/anova-for-regression-fdb49cf5d684).

Как видим, путаница знатная:

• в разных источниках под SSR могут подразумеваться различные показатели;

• легко перепутать показатели ESS и SSE;

• в библиотеке statsmodel также есть смешение терминов: для показателя Explained sum of squares используется свойство ess, а для показателя Sum of squared (whitened) residuals — свойство ssr.

Мы будем пользоваться системой обозначений, принятой в большинстве источников — SSR (Sum of Squared Regression), SSE (Sum of Squared Error), SST (Sum of Squared Total). Стандартная таблица ДАРМ в этом случае имеет вид:

Примечания:

1. Здесь приведена таблица ДАРМ для множественной линейной регрессионной модели (МЛРМ), в нашем случае при ПЛРМ мы имеем частный случай p=1.

2. Показатели Fcalc-ad и Fcalc-det — расчетные значения статистики критерия Фишера при проверке адекватности модели и значимости коэффициента детерминации (об этом — см.далее).

Более подробно про дисперсионный анализ регрессионной модели — см.[4, глава 3].

Класс statsmodels.regression.linear_model.RegressionResults позволяет нам получить данные для ANOVA (см. https://www.statsmodels.org/stable/generated/statsmodels.regression.linear_model.RegressionResults.html#statsmodels.regression.linear_model.RegressionResults) как свойства класса:

1. Сумма квадратов, обусловленная регрессией / SSR (Sum of Squared Regression) — свойство ess.

2. Сумма квадратов, обусловленная отклонением от регрессии / SSE (Sum of Squared Error) — свойство ssr.

3. Общая (полная) сумма квадратов / SST (Sum of Squared Total) — свойство centered_tss.

4. Кол-во наблюдений / Number of observations — свойство nobs.

5. Число степеней свободы модели / Model degrees of freedom — равно числу переменных модели (за исключением константы, если она присутствует — свойство df_model.

6. Среднеквадратичная ошибка модели / Mean squared error the model — сумма квадратов, объясненная регрессией, деленная на число степеней свободы регрессии — свойство mse_model.

7. Среднеквадратичная ошибка остатков / Mean squared error of the residuals — сумма квадратов остатков, деленная на остаточные степени свободы — свойство mse_resid.

8. Общая среднеквадратичная ошибка / Total mean squared error — общая сумма квадратов, деленная на количество наблюдений — свойство mse_total.

Также имеется модуль statsmodels.stats.anova.anova_lm, который позволяет получить результаты ДАРМ (нескольких типов — 1, 2, 3):

# тип 1
print('The type of Anova test: 1')
display(sm.stats.anova_lm(result_linear_ols, typ=1))

# тип 2
print('The type of Anova test: 2')
display(sm.stats.anova_lm(result_linear_ols, typ=2))

# тип 3
print('The type of Anova test: 3')
display(sm.stats.anova_lm(result_linear_ols, typ=3))

На мой взгляд, форма таблица результатов statsmodels.stats.anova.anova_lm не вполне удобна, поэтому сформируем ее самостоятельно, для чего создадим пользовательскую функцию ANOVA_table_regression_model:

# Пользовательская функция
def ANOVA_table_regression_model(model_fit):
    n = int(model_fit.nobs)
    p = int(model_fit.df_model)
    SSR = model_fit.ess
    SSE = model_fit.ssr
    SST = model_fit.centered_tss

    result = pd.DataFrame({
        'sources_of_variation': ('regression (SSR)', 'deviation from regression (SSE)', 'total (SST)'),
        'sum_of_squares': (SSR, SSE, SST),
        'degrees_of_freedom': (p, n-p-1, n-1)})
    result['squared_error'] = result['sum_of_squares'] / result['degrees_of_freedom']
    R2 = 1 - result.loc[1, 'sum_of_squares'] / result.loc[2, 'sum_of_squares']
    F_calc_adequacy = result.loc[2, 'squared_error'] / result.loc[1, 'squared_error']
    F_calc_determ_check = result.loc[0, 'squared_error'] / result.loc[1, 'squared_error']
    result['F-ratio'] = (F_calc_determ_check, F_calc_adequacy, '')
    
    return result

result = ANOVA_table_regression_model(result_linear_ols)
display(result)
print(f"R2 = 1 - SSE/SST = {1 - result.loc[1, 'sum_of_squares'] / result.loc[2, 'sum_of_squares']}")
print(f"F_calc_adequacy = MST / MSE = {result.loc[2, 'squared_error'] / result.loc[1, 'squared_error']}")
print(f"F_calc_determ_check = MSR / MSE = {result.loc[0, 'squared_error'] / result.loc[1, 'squared_error']}")

ДАРМ позволяет визуализировать вариацию:

fig, axes = plt.subplots(figsize=(210/INCH, 297/INCH/1.5))
axes.pie(
    (result.loc[0, 'sum_of_squares'], result.loc[1, 'sum_of_squares']), 
    labels=(result.loc[0, 'sources_of_variation'], result.loc[1, 'sources_of_variation']),
    autopct='%.1f%%',
    startangle=60)
plt.show()

На основании данных ДАРМ мы рассчитали ряд показателей (R2, Fcalc-ad и Fcalc-det), которые будут использоваться в дальнейшем.

3. Анализ остатков (проверка нормальности распределения остатков и гипотезы о равенстве нулю среднего значения остатков)

Проверка нормальности распределения остатков — один их важнейших этапов анализа регрессионной модели. Требование нормальности распределения остатков не требуется для отыскания параметров модели, но необходимо в дальнейшем для проверки статистических гипотез с использованием критериев Фишера и Стьюдента (проверка адекватности модели, значимости коэффициента детерминации, значимости коэффициентов регрессии) и построения доверительных интервалов [5, с.122].

Остатки регрессионной модели:

print('Остатки регрессионной модели:n', result_linear_ols.resid, type(result_linear_ols.resid))
res_Y = np.array(result_linear_ols.resid)

statsmodels может выдавать различные преобразованные виды остатков (см. https://www.statsmodels.org/stable/generated/statsmodels.regression.linear_model.RegressionResults.resid_pearson.html, https://www.statsmodels.org/stable/generated/statsmodels.regression.linear_model.RegressionResults.wresid.html).

График остатков:

# Пользовательская функция
graph_scatterplot_sns(
    X, res_Y,
    Xmin=Xmin_graph, Xmax=Xmax_graph,
    Ymin=-3.0, Ymax=3.0,
    color='red',
    #title_figure=Task_Project,
    title_axes='Остатки линейной регрессионной модели', title_axes_fontsize=18,
    x_label=Variable_Name_X,
    y_label='ΔY = Y - Ycalc',
    s=75,
    file_name='graph/residuals_plot_sns.png')

Проверка нормальности распределения остатков:

# Пользовательская функция
graph_hist_boxplot_probplot_sns(
    data=res_Y,
    data_min=-2.5, data_max=2.5,
    graph_inclusion='bp',
    data_label='ΔY = Y - Ycalc',
    #title_figure=Task_Project,
    title_axes='Остатки линейной регрессионной модели', title_axes_fontsize=16,
    file_name='graph/residuals_hist_boxplot_probplot_sns.png')    

norm_distr_check(res_Y)

Вывод: большинство статистических тестов позволяют принять гипотезу о нормальности распределения остатков.

Проверка гипотезы о равенстве нулю среднего значения остатков — так как остатки имеют нормальное распределение, воспользуемся критерием Стьюдента (функция scipy.stats.ttest_1samp, https://docs.scipy.org/doc/scipy/reference/generated/scipy.stats.ttest_ind.html):

sps.ttest_1samp(res_Y, popmean=0)

Вывод: так как расчетный уровень значимости превышает заданный (0.05), то нулевая гипотеза о равенстве нулю остатков ПРИНИМАЕТСЯ.

4. Проверка адекватности модели

Суть проверки адекватности регрессионной модели заключается в сравнении полной дисперсии MST и остаточной дисперсии MSE — проверяется гипотеза о равенстве этих дисперсий по критерию Фишера. Если дисперсии различаются значимо, то модель считается адекватной. Более подробно про проверку адекватности регрессионной — см.[1, с.658], [2, с.49], [4, с.154].

Для проверки адекватности регрессионной модели создадим пользовательскую функцию regression_model_adequacy_check:

def regression_model_adequacy_check(
    model_fit,
    p_level: float=0.95,
    model_name=''):
    
    n = int(model_fit.nobs)
    p = int(model_fit.df_model)    # Число степеней свободы регрессии, равно числу переменных модели (за исключением константы, если она присутствует)
    
    SST = model_fit.centered_tss    # SST (Sum of Squared Total)
    dfT = n-1
    MST = SST / dfT

    SSE = model_fit.ssr    # SSE (Sum of Squared Error)
    dfE = n - p - 1
    MSE = SSE / dfE
    
    F_calc = MST / MSE
    F_table = sci.stats.f.ppf(p_level, dfT, dfE, loc=0, scale=1)
    a_calc = 1 - sci.stats.f.cdf(F_calc, dfT, dfE, loc=0, scale=1)
    conclusion_model_adequacy_check = 'adequacy' if F_calc >= F_table else 'adequacy'
    
    # формируем результат            
    result = pd.DataFrame({
        'SST': (SST),
        'SSE': (SSE),
        'dfT': (dfT),
        'dfE': (dfE),
        'MST': (MST),
        'MSE': (MSE),
        'p_level': (p_level),
        'a_level': (a_level),
        'F_calc': (F_calc),
        'F_table': (F_table),
        'F_calc >= F_table': (F_calc >= F_table),
        'a_calc': (a_calc),
        'a_calc <= a_level': (a_calc <= a_level),
        'adequacy_check': (conclusion_model_adequacy_check),
        },
        index=[model_name]
        )
    
    return result

regression_model_adequacy_check(result_linear_ols, p_level=0.95, model_name='linear_ols')

Вывод: модель является АДЕКВАТНОЙ.

5. Коэффициент детерминации и проверка его значимости

Различают несколько видов коэффициента детерминации:

1. Собственно обычный коэффициент детерминации:

   

Его значение может быть получено как свойство rsquared модели.

1. Скорректированный (adjusted) коэффициент детерминации — используется для того, чтобы была возможность сравнивать модели с разным числом признаков так, чтобы число регрессоров (признаков) не влияло на статистику R2, при его расчете используются несмещённые оценки дисперсий:

   

Его значение может быть получено как свойство rsquared_adj модели.

1. Обобщённый (extended) коэффициент детерминации — используется для сравнения моделей регрессии со свободным членом и без него, а также для сравнения между собой регрессий, построенных с помощью различных методов: МНК, обобщённого метода наименьших квадратов (ОМНК), условного метода наименьших квадратов (УМНК), обобщённо-условного метода наименьших квадратов (ОУМНК). В данном разборе ПЛРМ рассматривать этот коэффициент мы не будем.

Более подробно с теорией вопроса можно ознакомиться, например: http://www.machinelearning.ru/wiki/index.php?title=Коэффициент_детерминации), а также в [7].

Значения коэффициента детерминации и скорректированного коэффициента детерминации, извлеченные с помощью свойств rsquared и rsquared_adj модели.

print('R2 =', result_linear_ols.rsquared)
print('R2_adj =', result_linear_ols.rsquared_adj)

Значимость коэффициента детерминации можно проверить по критерию Фишера [3, с.201-203; 8, с.83].

Расчетное значение статистики критерия Фишера может быть получено с помощью свойства fvalue модели:

print(f"result_linear_ols.fvalue = {result_linear_ols.fvalue}")

Расчетный уровень значимости при проверке гипотезы по критерию Фишера может быть получено с помощью свойства f_pvalue модели:

print(f"result_linear_ols.f_pvalue = {result_linear_ols.f_pvalue}")

Можно рассчитать уровень значимости самостоятельно (так сказать, для лучшего понимания и общей демонстрации возможностей) — для этого воспользуемся библиотекой scipy, модулем распределения Фишера scipy.stats.f, свойством cdf (функция распределения):

df1 = int(result_linear_ols.df_model)
df2 = int(result_linear_ols.nobs - result_linear_ols.df_model - 1)
F_calc = result_linear_ols.fvalue
a_calc = 1 - sci.stats.f.cdf(F_calc, df1, df2, loc=0, scale=1)
print(a_calc)

Как видим, результаты совпадают.

Табличное значение статистики критерия Фишера получить с помощью Regression Results нельзя. Рассчитаем его самостоятельно — для этого воспользуемся библиотекой scipy, модулем распределения Стьюдента scipy.stats.f, свойством ppf (процентные точки):

F_table = sci.stats.f.ppf(p_level, df1, df2, loc=0, scale=1)
print(F_table)

Для удобства создадим пользовательскую функцию determination_coef_check для проверки значимости коэффициента детерминации, которая объединяет все вышеперечисленные расчеты:

# Пользовательская функция
def determination_coef_check(
    model_fit,
    p_level: float=0.95):
    
    a_level = 1 - p_level
    
    R2 = model_fit.rsquared
    R2_adj = model_fit.rsquared_adj
    n = model_fit.nobs    # объем выборки
    p = model_fit.df_model    # Model degrees of freedom. The number of regressors p. Does not include the constant if one is present.
    
    F_calc = R2 / (1 - R2) * (n-p-1)/p
    df1 = int(p)
    df2 = int(n-p-1)
    F_table = sci.stats.f.ppf(p_level, df1, df2, loc=0, scale=1)
    a_calc = 1 - sci.stats.f.cdf(F_calc, df1, df2, loc=0, scale=1)
    conclusion_determ_coef_sign = 'significance' if F_calc >= F_table else 'not significance'
        
    # формируем результат            
    result = pd.DataFrame({
        'notation': ('R2'),
        'coef_value (R)': (sqrt(R2)),
        'coef_value_squared (R2)': (R2),
        'p_level': (p_level),
        'a_level': (a_level),
        'F_calc': (F_calc),
        'df1': (df1),
        'df2': (df2),
        'F_table': (F_table),
        'F_calc >= F_table': (F_calc >= F_table),
        'a_calc': (a_calc),
        'a_calc <= a_level': (a_calc <= a_level),
        'significance_check': (conclusion_determ_coef_sign),
        'conf_int_low': (''),
        'conf_int_high': ('')
        },
        index=['Coef. of determination'])
    return result

determination_coef_check(
    result_linear_ols,
    p_level=0.95)

Вывод: коэффициент детерминации ЗНАЧИМ.

6. Коэффициенты регрессии и проверка их значимости

Ранее мы уже извлекли коэффициенты регрессии как параметры модели b0 и b1 (как свойство params модели). Также можно получить их значения, как свойство bse модели:

print(b0, b1)
print(result_linear_ols.bse, type(result_linear_ols.bse))

Значимость коэффициентов регрессии можно проверить по критерию Стьюдента [3, с.203-212; 8, с.78].

Расчетные значения статистики критерия Стьюдента могут быть получены с помощью свойства tvalues модели:

print(f"result_linear_ols.tvalues = n{result_linear_ols.tvalues}")

Расчетные значения уровня значимости при проверке гипотезы по критерию Стьюдента могут быть получены с помощью свойства pvalues модели:

print(f"result_linear_ols.pvalues = n{result_linear_ols.pvalues}")

Доверительные интервалы для коэффициентов регрессии могут быть получены с помощью свойства conf_int модели:

print(result_linear_ols.conf_int(), 'n')

Можно рассчитать уровень значимости самостоятельно (как ранее для критерия Фишера — для лучшего понимания и общей демонстрации возможностей) — для этого воспользуемся библиотекой scipy, модулем распределения Стьюдента scipy.stats.t, свойством cdf (функция распределения):

t_calc = result_linear_ols.tvalues
df = int(result_linear_ols.nobs - result_linear_ols.df_model - 1)
a_calc = 2*(1-sci.stats.t.cdf(abs(t_calc), df, loc=0, scale=1))
print(a_calc)

Как видим, результаты совпадают.

Табличные значения статистики критерия Стьюдента получить с помощью Regression Results нельзя. Рассчитаем их самостоятельно — для этого воспользуемся библиотекой scipy, модулем распределения Стьюдента scipy.stats.t, свойством ppf (процентные точки):

t_table = sci.stats.t.ppf((1 + p_level)/2 , df)
print(t_table)

Для удобства создадим пользовательскую функцию regression_coef_check для проверки значимости коэффициентов регрессии, которая объединяет все вышеперечисленные расчеты:

def regression_coef_check(
    model_fit,
    notation_coef: list='',
    p_level: float=0.95):
    
    a_level = 1 - p_level
    
    # параметры модели (коэффициенты регрессии)
    model_params = model_fit.params
    # стандартные ошибки коэффициентов регрессии
    model_bse = model_fit.bse
    # проверка гипотезы о значимости регрессии
    t_calc = abs(model_params) / model_bse
    n = model_fit.nobs    # объем выборки
    p = model_fit.df_model    # Model degrees of freedom. The number of regressors p. Does not include the constant if one is present.
    df = int(n - p - 1)
    t_table = sci.stats.t.ppf((1 + p_level)/2 , df)
    a_calc = 2*(1-sci.stats.t.cdf(t_calc, df, loc=0, scale=1))
    conclusion_ = ['significance' if elem else 'not significance' for elem in (t_calc >= t_table).values]
        
    # доверительный интервал коэффициента регрессии
    conf_int_low = model_params - t_table*model_bse
    conf_int_high = model_params + t_table*model_bse
    
    # формируем результат            
    result = pd.DataFrame({
        'notation': (notation_coef),
        'coef_value': (model_params),
        'std_err': (model_bse),
        'p_level': (p_level),
        'a_level': (a_level),
        't_calc': (t_calc),
        'df': (df),
        't_table': (t_table),
        't_calc >= t_table': (t_calc >= t_table),
        'a_calc': (a_calc),
        'a_calc <= a_level': (a_calc <= a_level),
        'significance_check': (conclusion_),
        'conf_int_low': (conf_int_low),
        'conf_int_high': (conf_int_high),
        })
    
    return result

regression_coef_check(
    result_linear_ols,
    notation_coef=['b0', 'b1'],
    p_level=0.95)

Вывод: коэффициенты регрессии b0 и b1 ЗНАЧИМЫ.

7. Проверка гетероскедастичности

Для проверка гетероскедастичности statsmodels предлагает нам следующие инструменты:

• тест Голдфелда-Квандта (https://www.statsmodels.org/stable/generated/statsmodels.stats.diagnostic.het_goldfeldquandt.html#statsmodels.stats.diagnostic.het_goldfeldquandt) — теорию см. [8, с.178], также https://ru.wikipedia.org/wiki/Тест_Голдфелда_—_Куандта.

• тест Бриша-Пэгана (Breush-Pagan test) (https://www.statsmodels.org/stable/generated/statsmodels.stats.diagnostic.het_breuschpagan.html#statsmodels.stats.diagnostic.het_breuschpagan) — теорию см.[8, с.179], также https://en.wikipedia.org/wiki/Breusch–Pagan_test.

• тест Уайта (White test) (https://www.statsmodels.org/stable/generated/statsmodels.stats.diagnostic.het_white.html#statsmodels.stats.diagnostic.het_white) — теорию см.[8, с.177], а также https://ru.wikipedia.org/wiki/Тест_Уайта.

  Тест Голдфелда-Квандта (Goldfeld–Quandt test)

# тест Голдфелда-Квандта (Goldfeld–Quandt test)
test = sms.het_goldfeldquandt(result_linear_ols.resid, result_linear_ols.model.exog)
test_result = lzip(['F_calc', 'p_calc'], test)    # распаковка результатов теста
# расчетное значение статистики F-критерия
F_calc_tuple = test_result[0]
F_calc = F_calc_tuple[1]
print(f"Расчетное значение статистики F-критерия: F_calc = {round(F_calc, DecPlace)}")
# расчетный уровень значимости
p_calc_tuple = test_result[1]
p_calc = p_calc_tuple[1]
print(f"Расчетное значение доверительной вероятности: p_calc = {round(p_calc, DecPlace)}")
#a_calc = 1 - p_value
#print(f"Расчетное значение уровня значимости: a_calc = 1 - p_value = {round(a_calc, DecPlace)}")
# вывод
if p_calc < a_level:
    conclusion_GQ_test = f"Так как p_calc = {round(p_calc, DecPlace)} < a_level = {round(a_level, DecPlace)}" + 
        ", то дисперсии в подвыборках отличаются значимо, т.е. гипотеза о наличии гетероскедастичности ПРИНИМАЕТСЯ"
else:
    conclusion_GQ_test = f"Так как p_calc = {round(p_calc, DecPlace)} >= a_level = {round(a_level, DecPlace)}" + 
        ", то дисперсии в подвыборках отличаются незначимо, т.е. гипотеза о наличии гетероскедастичности ОТВЕРГАЕТСЯ"
print(conclusion_GQ_test)

Для удобства создадим пользовательскую функцию Goldfeld_Quandt_test:

def Goldfeld_Quandt_test(
    model_fit,
    p_level: float=0.95,
    model_name=''):
    
    a_level = 1 - p_level
    
    # реализация теста
    test = sms.het_goldfeldquandt(model_fit.resid, model_fit.model.exog)
    test_result = lzip(['F_statistic', 'p_calc'], test)    # распаковка результатов теста
    # расчетное значение статистики F-критерия
    F_calc_tuple = test_result[0]
    F_statistic = F_calc_tuple[1]
    # расчетный уровень значимости
    p_calc_tuple = test_result[1]
    p_calc = p_calc_tuple[1]
    # вывод
    conclusion_test = 'heteroscedasticity' if p_calc < a_level else 'not heteroscedasticity'
    
    result = pd.DataFrame({
        'test': ('Goldfeld–Quandt test'),
        'p_level': (p_level),
        'a_level': (a_level),
        'F_statistic': (F_statistic),
        'p_calc': (p_calc),
        'p_calc < a_level': (p_calc < a_level),
        'heteroscedasticity_check': (conclusion_test)
        },
        index=[model_name])
    
    return result

Goldfeld_Quandt_test(result_linear_ols, p_level=0.95, model_name='linear_ols')

Тест Бриша-Пэгана (Breush-Pagan test)

# тест Бриша-Пэгана (Breush-Pagan test)
name = ["Lagrange multiplier statistic", "p-value", "f-value", "f p-value"]
test = sms.het_breuschpagan(result_linear_ols.resid, result_linear_ols.model.exog)
lzip(name, test)

Для удобства создадим пользовательскую функцию Breush_Pagan_test:

def Breush_Pagan_test(
    model_fit,
    p_level: float=0.95,
    model_name=''):
    
    a_level = 1 - p_level
    
    # реализация теста
    test = sms.het_breuschpagan(model_fit.resid, model_fit.model.exog)
    name = ['Lagrange_multiplier_statistic', 'p_calc_LM', 'F_statistic', 'p_calc']
    test_result = lzip(name, test)    # распаковка результатов теста
    # расчетное значение статистики теста множителей Лагранжа
    LM_calc_tuple = test_result[0]
    Lagrange_multiplier_statistic = LM_calc_tuple[1]
    # расчетный уровень значимости статистики теста множителей Лагранжа
    p_calc_LM_tuple = test_result[1]
    p_calc_LM = p_calc_LM_tuple[1]
    # расчетное значение F-статистики гипотезы о том, что дисперсия ошибки не зависит от x
    F_calc_tuple = test_result[2]
    F_statistic = F_calc_tuple[1]
    # расчетный уровень значимости F-статистики
    p_calc_tuple = test_result[3]
    p_calc = p_calc_tuple[1]
    # вывод
    conclusion_test = 'heteroscedasticity' if p_calc < a_level else 'not heteroscedasticity'

    # вывод
    conclusion_test = 'heteroscedasticity' if p_calc < a_level else 'not heteroscedasticity'
    
    result = pd.DataFrame({
        'test': ('Breush-Pagan test'),
        'p_level': (p_level),
        'a_level': (a_level),
        'Lagrange_multiplier_statistic': (Lagrange_multiplier_statistic),
        'p_calc_LM': (p_calc_LM),
        'p_calc_LM < a_level': (p_calc_LM < a_level),
        'F_statistic': (F_statistic),
        'p_calc': (p_calc),
        'p_calc < a_level': (p_calc < a_level),
        'heteroscedasticity_check': (conclusion_test)
        },
        index=[model_name])
    
    return result

Breush_Pagan_test(result_linear_ols, p_level=0.95, model_name='linear_ols')

Тест Уайта (White test)

# тест Уайта (White test)
name = ["Lagrange multiplier statistic", "p-value", "f-value", "f p-value"]
test = sms.het_white(result_linear_ols.resid, result_linear_ols.model.exog)
lzip(name, test)

Для удобства создадим пользовательскую функцию White_test:

def White_test(
    model_fit,
    p_level: float=0.95,
    model_name=''):
    
    a_level = 1 - p_level
    
    # реализация теста
    test = sms.het_white(model_fit.resid, model_fit.model.exog)
    name = ['Lagrange_multiplier_statistic', 'p_calc_LM', 'F_statistic', 'p_calc']
    test_result = lzip(name, test)    # распаковка результатов теста
    # расчетное значение статистики теста множителей Лагранжа
    LM_calc_tuple = test_result[0]
    Lagrange_multiplier_statistic = LM_calc_tuple[1]
    # расчетный уровень значимости статистики теста множителей Лагранжа
    p_calc_LM_tuple = test_result[1]
    p_calc_LM = p_calc_LM_tuple[1]
    # расчетное значение F-статистики гипотезы о том, что дисперсия ошибки не зависит от x
    F_calc_tuple = test_result[2]
    F_statistic = F_calc_tuple[1]
    # расчетный уровень значимости F-статистики
    p_calc_tuple = test_result[3]
    p_calc = p_calc_tuple[1]
    # вывод
    conclusion_test = 'heteroscedasticity' if p_calc < a_level else 'not heteroscedasticity'

    # вывод
    conclusion_test = 'heteroscedasticity' if p_calc < a_level else 'not heteroscedasticity'
    
    result = pd.DataFrame({
        'test': ('White test'),
        'p_level': (p_level),
        'a_level': (a_level),
        'Lagrange_multiplier_statistic': (Lagrange_multiplier_statistic),
        'p_calc_LM': (p_calc_LM),
        'p_calc_LM < a_level': (p_calc_LM < a_level),
        'F_statistic': (F_statistic),
        'p_calc': (p_calc),
        'p_calc < a_level': (p_calc < a_level),
        'heteroscedasticity_check': (conclusion_test)
        },
        index=[model_name])
    
    return result

White_test(result_linear_ols, p_level=0.95, model_name='linear_ols')

Объединим результаты всех тестов гетероскедастичность в один DataFrame:

Goldfeld_Quandt_test_df = Goldfeld_Quandt_test(result_linear_ols, p_level=0.95, model_name='linear_ols')
Breush_Pagan_test_df = Breush_Pagan_test(result_linear_ols, p_level=0.95, model_name='linear_ols')
White_test_df = White_test(result_linear_ols, p_level=0.95, model_name='linear_ols')

heteroscedasticity_tests_df = pd.concat([Breush_Pagan_test_df, White_test_df, Goldfeld_Quandt_test_df])
display(heteroscedasticity_tests_df)

Выводы

Итак, мы провели статистический анализ регрессионной модели и установили:

• исходные данные имеют нормальное распределение;

• между переменными имеется весьма сильная корреляционная связь;

• регрессионная модель хорошо аппроксимирует фактические данные;

• остатки модели имеют нормальное распределение;

• регрессионная модель адекватна по критерию Фишера;

• коэффициент детерминации значим по критеию Фишера;

• коэффициенты регрессии значимы по критерию Стьюдента;

• гетероскедастичность отсутствует.

Применительно к рассматриваемой задаче выполнять проверку автокорреляции не имеет особого смысла из-за особенностей исходных данных (результаты замеров прочности бетона на разных участках здания).

Про статистический анализ регрессионных моделей с помощью statsmodels— см. еще https://www.statsmodels.org/stable/examples/notebooks/generated/regression_diagnostics.html.

Доверительные интервалы регрессионной модели

Для регрессионных моделей определяют доверительные интервалы двух видов [3, с.184-192; 4, с.172; 8, с.205-209]:

1. Доверительный интервал средних значений переменной Y.

2. Доверительный интервал индивидуальных значений переменной Y.

При этом размер доверительного интервала для индивидуальных значений больше, чем для средних значений.

Доверительные интервалы регрессионных моделей (ДИРМ) могут быть найдены разными способами:

• непосредственно путем расчетов по формулам (см., например, https://habr.com/ru/post/558158/);

• с использованием инструментария библиотеки statsmodels (см., например, https://www.stackfinder.ru/questions/17559408/confidence-and-prediction-intervals-with-statsmodels).

Разбререм более подробно способ с использованием библиотеки statsmodels. Прежде всего, с помощью свойства summary_table класса statsmodels.stats.outliers_influence.OLSInfluence (https://www.statsmodels.org/stable/generated/statsmodels.stats.outliers_influence.OLSInfluence.html?highlight=olsinfluence) мы можем получить таблицу данных, содержащую необходимую нам информацию:

• Dep Var Population — фактические значения переменной Y;

• Predicted Value — предсказанные значения переменной Y по по регрессионной модели;

• Std Error Mean Predict — среднеквадратическая ошибка предсказанного среднего;

• Mean ci 95% low и Mean ci 95% upp — границы доверительного интервала средних значений переменной Y;

• Predict ci 95% low и Predict ci 95% upp — границы доверительного интервала индивидуальных значений переменной Y;

• Residual — остатки регрессионной модели;

• Std Error Residual — среднеквадратическая ошибка остатков;

• Student Residual — стьюдентизированные остатки (подробнее см. http://statistica.ru/glossary/general/studentizirovannie-ostatki/);

• Cook’s D — Расстояние Кука (Cook’s distance) — оценивает эффект от удаления одного (рассматриваемого) наблюдения; наблюдение считается выбросом, если Di > 4/n (более подробно — см.https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.f584ceb5-63296427-aded8f31-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/Cook’s_distance, http://www.machinelearning.ru/wiki/index.php?title=Расстояние_Кука).

from statsmodels.stats.outliers_influence import summary_table
st, data, ss2 = summary_table(result_linear_ols, alpha=0.05)
print(st, 'n', type(st))

В нашем случае критическое значение расстояния Кука равно:

print(f'D_crit = 4/n = {4/result_linear_ols.nobs}')

то есть выбросов, смещающих оценки коэффициентов регрессии, не наблюдается.

Мы получили данные как класс statsmodels.iolib.table.SimpleTable. Свойство data преобразует данные в список. Далее для удобства работы преобразуем данные в DataFrame:

  st_data_df = pd.DataFrame(st.data)

Будем использовать данный DataFrame в дальнейшем, несколько преобразуем его:

• изменим наименование столбцов (с цифр на названия показателей из таблицы summary_table)

• удалим строки с текстовыми значениями

• изменим индекс

• добавим новый столбец — значения переменной X

• отсортируем по возрастанию значений переменной X (это необходимо, чтобы графики границ доверительных интервалов выглядели как линии)

st_df = st_data_df.copy()
# изменим наименования столбцов
str = st_df.iloc[0,0:] + ' ' + st_df.iloc[1,0:]
st_df = st_df.rename(str, axis='columns')
# удалим строки 0, 1
st_df = st_df.drop([0,1])
# изменим индекс
st_df = st_df.set_index(np.arange(0, result_linear_ols.nobs))
# добавим новый столбец - значения переменной X
st_df.insert(1, 'X', X)
# отсортируем по возрастанию значений переменной X
st_df = st_df.sort_values(by='X')

display(st_df)

С помощью полученных данных мы можем построить график регрессионной модели с доверительными интервалами:

# создание рисунка (Figure) и области рисования (Axes)
fig, axes = plt.subplots(figsize=(297/INCH, 210/INCH))
# заголовок рисунка (Figure)
title_figure = Task_Project
fig.suptitle(title_figure, fontsize = 16)
# заголовок области рисования (Axes)
title_axes = 'Линейная регрессионная модель'
axes.set_title(title_axes, fontsize = 14)
# фактические данные
sns.scatterplot(
    x=st_df['X'], y=st_df['Dep Var Population'],
    label='фактические данные',
    s=50,
    color='red',
    ax=axes)
# график регрессионной модели
label_legend_regr_model=f'линейная регрессия Y = {b0:.3f} + {b1:.4f}*X'
sns.lineplot(
    x=st_df['X'], y=st_df['Predicted Value'],
    label=label_legend_regr_model,
    color='blue',
    ax=axes)
# доверительный интервал средних значений переменной Y
Mean_ci_low = st_df['Mean ci 95% low']
plt.plot(
    st_df['X'], Mean_ci_low,
    color='magenta', linestyle='--', linewidth=1,
    label='доверительный интервал средних значений Y')
Mean_ci_upp = st_df['Mean ci 95% upp']
plt.plot(
    st_df['X'], Mean_ci_upp,
    color='magenta', linestyle='--', linewidth=1)
# доверительный интервал индивидуальных значений переменной Y
Predict_ci_low = st_df['Predict ci 95% low']
plt.plot(
    st_df['X'], Predict_ci_low,
    color='orange', linestyle='-.', linewidth=2,
    label='доверительный интервал индивидуальных значений Y')
Predict_ci_upp = st_df['Predict ci 95% upp']
plt.plot(
    st_df['X'], Predict_ci_upp,
    color='orange', linestyle='-.', linewidth=2)

axes.set_xlabel(Variable_Name_X)
axes.set_ylabel(Variable_Name_Y)
axes.legend(prop={'size': 12})
plt.show()

Однако, мы получили данные о границах доверительных интервалов регрессионной модели только в пределах области фактических значений переменной X. Как быть, если мы хотим распространить прогноз за пределы этой области?

Прогнозирование

Под прогнозированием мы в данном случае будем понимать определение значений переменной Y и доверительных интервалов для ее средних и индивидуальных значений при заданном X. По сути, нам предстоит построить аналог рассмотренной выше таблицы summary_table, только с другими значениями X, причем эти значения могут выходить за пределы тех значений, которые использовались нами для построения регрессии.

Методика расчета доверительных интервалов регрессионных моделей разобрана в статье «Python, корреляция и регрессия: часть 4» (https://habr.com/ru/post/558158/), всем рекомендую ознакомиться.

Найти прогнозные значения Y не представляет труда, так как ранее мы уже формализовали модель в виде лямбда-функции, а вот для построения доверительных интервалов придется выполнить расчеты по формулам. Для этого создадим пользовательскую функцию regression_pair_predict, которая в случае парной регрессии (pair regression) для заданного значения X возвращает:

• прогнозируемое по регрессионной модели значение y_calc

• доверительный интервал [y_calc_mean_ci_low, y_calc_mean_ci_upp] средних значений переменной Y

• доверительный интервал [y_calc_predict_ci_low, y_calc_predict_ci_upp] индивидуальных значений переменной Y

Алгоритм расчета доверительных интервалов для множественной регрессии (multiple regression) отличается и в данном обзоре не рассматривается (рассмотрим в дальнейшем).

Про прогнозирование с помощью регрессионных моделей — см.также:

• https://www.statsmodels.org/stable/generated/statsmodels.regression.linear_model.RegressionResults.predict.html?highlight=predict#statsmodels.regression.linear_model.RegressionResults.predict

• How to Make Predictions Using Regression Model in Statsmodels

• https://www.statsmodels.org/stable/examples/notebooks/generated/predict.html

def regression_pair_predict(
    x_in,
    model_fit,
    regression_model,
    p_level: float=0.95):
    
    a_level = 1 - p_level
    
    X = pd.DataFrame(model_fit.model.exog)[1].values    # найти лучшее решение
    Y = model_fit.model.endog
    
    # вспомогательные величины
    n = int(result_linear_ols.nobs)
    SSE = model_fit.ssr    # SSE (Sum of Squared Error)
    dfE = n - p - 1
    MSE = SSE / dfE    # остаточная дисперсия
    
    Xmean = np.mean(X)
    SST_X = np.sum([(X[i] - Xmean)**2 for i in range(0, n)])
    
    t_table = sci.stats.t.ppf((1 + p_level)/2 , dfE)
    S2_y_calc_mean = MSE * (1/n + (x_in - Xmean)**2 / SST_X)
    S2_y_calc_predict = MSE * (1 + 1/n + (x_in - Xmean)**2 / SST_X)
        
    # прогнозируемое значение переменной Y
    y_calc=regression_model(x_in)
    # доверительный интервал средних значений переменной Y
    y_calc_mean_ci_low = y_calc - t_table*sqrt(S2_y_calc_mean)
    y_calc_mean_ci_upp = y_calc + t_table*sqrt(S2_y_calc_mean)
    # доверительный интервал индивидуальных значений переменной Y
    y_calc_predict_ci_low = y_calc - t_table*sqrt(S2_y_calc_predict)
    y_calc_predict_ci_upp = y_calc + t_table*sqrt(S2_y_calc_predict)
    
    result = y_calc, y_calc_mean_ci_low, y_calc_mean_ci_upp, y_calc_predict_ci_low, y_calc_predict_ci_upp
    
    return result

Сравним результаты расчета доверительных интервалов разными способами — с использованием функции regression_pair_predict и средствами statsmodels, для этого сформируем DaraFrame с новыми данными:

regression_pair_predict_df = pd.DataFrame(
    [regression_pair_predict(elem, result_linear_ols, regression_model=Y_calc) for elem in st_df['X'].values],
    columns=['y_calc', 'y_calc_mean_ci_low', 'y_calc_mean_ci_upp', 'y_calc_predict_ci_low', 'y_calc_predict_ci_upp'])
regression_pair_predict_df.insert(0, 'X', st_df['X'].values)
display(regression_pair_predict_df)

Видим, что результаты расчетов идентичны, следовательно мы можем использовать функцию regression_pair_predict для прогнозирования.

def graph_regression_pair_predict_plot_sns(
    model_fit,
    regression_model_in,
    Xmin=None, Xmax=None, Nx=10,
    Ymin_graph=None, Ymax_graph=None,
    title_figure=None, title_figure_fontsize=18,
    title_axes=None, title_axes_fontsize=16,
    x_label=None,
    y_label=None,
    label_fontsize=14, tick_fontsize=12, 
    label_legend_regr_model='', label_legend_fontsize=12,
    s=50, linewidth_regr_model=2,
    graph_size=(297/INCH, 210/INCH),
    result_output=True,
    file_name=None):
    
    # фактические данные
    X = pd.DataFrame(model_fit.model.exog)[1].values    # найти лучшее решение
    Y = model_fit.model.endog
    X = np.array(X)
    Y = np.array(Y)
    
    # границы
    if not(Xmin) and not(Xmax):
        Xmin=min(X)
        Xmax=max(X)
        Xmin_graph=min(X)*0.99
        Xmax_graph=max(X)*1.01
    else:
        Xmin_graph=Xmin
        Xmax_graph=Xmax
    
    if not(Ymin_graph) and not(Ymax_graph):
        Ymin_graph=min(Y)*0.99
        Ymax_graph=max(Y)*1.01       
    
    # формируем DataFrame данных
    Xcalc = np.linspace(Xmin, Xmax, num=Nx)
    Ycalc = regression_model_in(Xcalc)
    
    result_df = pd.DataFrame(
        [regression_pair_predict(elem, model_fit, regression_model=regression_model_in) for elem in Xcalc],
        columns=['y_calc', 'y_calc_mean_ci_low', 'y_calc_mean_ci_upp', 'y_calc_predict_ci_low', 'y_calc_predict_ci_upp'])
    result_df.insert(0, 'x_calc', Xcalc)
            
    # заголовки графика
    fig, axes = plt.subplots(figsize=graph_size)
    fig.suptitle(title_figure, fontsize = title_figure_fontsize)
    axes.set_title(title_axes, fontsize = title_axes_fontsize)
    
    # фактические данные
    sns.scatterplot(
        x=X, y=Y,
        label='фактические данные',
        s=s,
        color='red',
        ax=axes)
    
    # график регрессионной модели
    sns.lineplot(
        x=Xcalc, y=Ycalc,
        color='blue',
        linewidth=linewidth_regr_model,
        legend=True,
        label=label_legend_regr_model,
        ax=axes)
    
    # доверительный интервал средних значений переменной Y
    Mean_ci_low = result_df['y_calc_mean_ci_low']
    plt.plot(
        result_df['x_calc'], Mean_ci_low,
        color='magenta', linestyle='--', linewidth=1,
        label='доверительный интервал средних значений Y')
    
    Mean_ci_upp = result_df['y_calc_mean_ci_upp']
    plt.plot(
        result_df['x_calc'], Mean_ci_upp,
        color='magenta', linestyle='--', linewidth=1)
    
    # доверительный интервал индивидуальных значений переменной Y
    Predict_ci_low = result_df['y_calc_predict_ci_low']
    plt.plot(
        result_df['x_calc'], Predict_ci_low,
        color='orange', linestyle='-.', linewidth=2,
        label='доверительный интервал индивидуальных значений Y')
    
    Predict_ci_upp = result_df['y_calc_predict_ci_upp']
    plt.plot(
        result_df['x_calc'], Predict_ci_upp,
        color='orange', linestyle='-.', linewidth=2)
    
        
    axes.set_xlim(Xmin_graph, Xmax_graph)
    axes.set_ylim(Ymin_graph, Ymax_graph)        
    axes.set_xlabel(x_label, fontsize = label_fontsize)
    axes.set_ylabel(y_label, fontsize = label_fontsize)
    axes.tick_params(labelsize = tick_fontsize)
    #axes.tick_params(labelsize = tick_fontsize)
    axes.legend(prop={'size': label_legend_fontsize})
        
    plt.show()
    if file_name:
        fig.savefig(file_name, orientation = "portrait", dpi = 300)
        
    if result_output:
        return result_df
    else:
        return

graph_regression_pair_predict_plot_sns(
    model_fit=result_linear_ols,
    regression_model_in=Y_calc,
    Xmin=Xmin_graph-300, Xmax=Xmax_graph+200, Nx=25,
    Ymin_graph=Ymin_graph-5, Ymax_graph=Ymax_graph+5,
    title_figure=Task_Project, title_figure_fontsize=16,
    title_axes='Линейная регрессионная модель', title_axes_fontsize=14,
    x_label=Variable_Name_X,
    y_label=Variable_Name_Y,
    label_legend_regr_model=f'линейная регрессия Y = {b0:.3f} + {b1:.4f}*X',
    s=50,
    result_output=True,
    file_name='graph/regression_plot_lin.png')

Выводы и рекомендации

Исследована зависимость показаний ультразвукового прибора «ПУЛЬСАР-2.1» (X) и результатов замера прочности бетона (методом отрыва со скалыванием) склерометром ИПС-МГ4.03 (Y).

Между переменными имеется весьма сильная линейная корреляционная связь. Получена регрессионная модель:

Y = b0 + b1∙X = -21.3741 + 0.0129∙X

Модель хорошо аппроксимирует фактические данные, является адекватной, значимой и может использоваться для предсказания прочности бетона.

Также построен график прогноза с доверительными интервалами.

ИТОГИ

Итак, мы рассмотрели все этапы регрессионного анализа в случае простой линейной регрессии (simple linear regression) с использованием библиотеки statsmodels на конкретном практическом примере; подробно остановились на статистическом анализа модели с проверкой гипотез; также предложен ряд пользовательских функций, облегчающих работу исследователя и уменьшающих размер программного кода.

Конечно, мы разобрали далеко не все вопросы анализа регрессионных моделей и возможности библиотеки statsmodels применительно к simple linear regression, в частности статистики влияния (Influence Statistics), инструмент Leverage, анализ стьюдентизированных остатков и пр. — это темы для отдельных обзоров.

Исходный код находится в моем репозитории на GitHub.

Надеюсь, данный обзор поможет специалистам DataScience в работе.