Линейная регрессия среднеквадратичная ошибка

Среднеквадратичная ошибка (Mean Squared Error) – Среднее арифметическое (Mean) квадратов разностей между предсказанными и реальными значениями Модели (Model) Машинного обучения (ML):

MSE как среднее дистанций между предсказаниями и реальными наблюдениями

Рассчитывается с помощью формулы, которая будет пояснена в примере ниже:

$$MSE = frac{1}{n} × sum_{i=1}^n (y_i — widetilde{y}_i)^2$$
$$MSEspace{}{–}space{Среднеквадратическая}space{ошибка,}$$
$$nspace{}{–}space{количество}space{наблюдений,}$$
$$y_ispace{}{–}space{фактическая}space{координата}space{наблюдения,}$$
$$widetilde{y}_ispace{}{–}space{предсказанная}space{координата}space{наблюдения,}$$

MSE практически никогда не равен нулю, и происходит это из-за элемента случайности в данных или неучитывания Оценочной функцией (Estimator) всех факторов, которые могли бы улучшить предсказательную способность.

Пример. Исследуем линейную регрессию, изображенную на графике выше, и установим величину среднеквадратической Ошибки (Error). Фактические координаты точек-Наблюдений (Observation) выглядят следующим образом:

Мы имеем дело с Линейной регрессией (Linear Regression), потому уравнение, предсказывающее положение записей, можно представить с помощью формулы:

$$y = M * x + b$$
$$yspace{–}space{значение}space{координаты}space{оси}space{y,}$$
$$Mspace{–}space{уклон}space{прямой}$$
$$xspace{–}space{значение}space{координаты}space{оси}space{x,}$$
$$bspace{–}space{смещение}space{прямой}space{относительно}space{начала}space{координат}$$

Параметры M и b уравнения нам, к счастью, известны в данном обучающем примере, и потому уравнение выглядит следующим образом:

$$y = 0,5252 * x + 17,306$$

Зная координаты реальных записей и уравнение линейной регрессии, мы можем восстановить полные координаты предсказанных наблюдений, обозначенных серыми точками на графике выше. Простой подстановкой значения координаты x в уравнение мы рассчитаем значение координаты ỹ:

Рассчитаем квадрат разницы между Y и Ỹ:

Сумма таких квадратов равна 4 445. Осталось только разделить это число на количество наблюдений (9):

$$MSE = frac{1}{9} × 4445 = 493$$

Само по себе число в такой ситуации становится показательным, когда Дата-сайентист (Data Scientist) предпринимает попытки улучшить предсказательную способность модели и сравнивает MSE каждой итерации, выбирая такое уравнение, что сгенерирует наименьшую погрешность в предсказаниях.

MSE и Scikit-learn

Среднеквадратическую ошибку можно вычислить с помощью SkLearn. Для начала импортируем функцию:

import sklearn
from sklearn.metrics import mean_squared_error

Инициализируем крошечные списки, содержащие реальные и предсказанные координаты y:

y_true = [5, 41, 70, 77, 134, 68, 138, 101, 131]
y_pred = [23, 35, 55, 90, 93, 103, 118, 121, 129]

Инициируем функцию mean_squared_error(), которая рассчитает MSE тем же способом, что и формула выше:

mean_squared_error(y_true, y_pred)

Интересно, что конечный результат на 3 отличается от расчетов с помощью Apple Numbers:

496.0

Ноутбук, не требующий дополнительной настройки на момент написания статьи, можно скачать здесь.

Автор оригинальной статьи: @mmoshikoo

Фото: @tobyelliott

Источник

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.

«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.

Рисунок 1. Линейная регрессия

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

Источник

В предыдущих заметках предметом анализа часто становилась отдельная числовая переменная, например, доходность взаимных фондов, время загрузки Web-страницы или объем потребления безалкогольных напитков. В настоящей и следующих заметках мы рассмотрим методы предсказания значений числовой переменной в зависимости от значений одной или нескольких других числовых переменных. [1]

Материал будет проиллюстрирован сквозным примером. Прогнозирование объема продаж в магазине одежды. Сеть магазинов уцененной одежды Sunflowers на протяжении 25 лет постоянно расширялась. Однако в настоящее время у компании нет систематического подхода к выбору новых торговых точек. Место, в котором компания собирается открыть новый магазин, определяется на основе субъективных соображений. Критериями выбора являются выгодные условия аренды или представления менеджера об идеальном местоположении магазина. Представьте, что вы — руководитель отдела специальных проектов и планирования. Вам поручили разработать стратегический план открытия новых магазинов. Этот план должен содержать прогноз годового объема продаж во вновь открываемых магазинах. Вы полагаете, что торговая площадь непосредственно связана с объемом выручки, и хотите учесть этот факт в процессе принятия решения. Как разработать статистическую модель, позволяющую прогнозировать годовой объем продаж на основе размера нового магазина?

Как правило, для предсказания значений переменной используется регрессионный анализ. Его цель — разработать статистическую модель, позволяющую предсказывать значения зависимой переменной, или отклика, по значениям, по крайней мере одной, независимой, или объясняющей, переменной. В настоящей заметке мы рассмотрим простую линейную регрессию — статистический метод, позволяющий предсказывать значения зависимой переменной Y по значениям независимой переменной X. В последующих заметках будет описана модель множественной регрессии, предназначенная для предсказания значений независимой переменной Y по значениям нескольких зависимых переменных (Х₁, Х₂, …, X_k). [2]

Скачать заметку в формате Word или pdf, примеры в формате Excel2013

Виды регрессионных моделей

В заметке Представление числовых данных в виде таблиц и диаграмм для иллюстрации зависимости между переменными X и Y использовалась диаграмма разброса. На ней значения переменной X откладывались по горизонтальной оси, а значения переменной Y — по вертикальной. Зависимость между двумя переменными может быть разной: от самой простой до крайне сложной. Пример простейшей (линейной) зависимости показан на рис. 1.

Рис. 1. Положительная линейная зависимость

Простая линейная регрессия:

(1) Y_i = β₀ + β₁X_i + ε_i

где β₀ — сдвиг (длина отрезка, отсекаемого на координатной оси прямой Y), β₁ — наклон прямой Y, ε_i— случайная ошибка переменной Y в i-м наблюдении.

В этой модели наклон β₁представляет собой количество единиц измерения переменной Y, приходящихся на одну единицу измерения переменной X. Эта величина характеризует среднюю величину изменения переменной Y (положительного или отрицательного) на заданном отрезке оси X. Сдвиг β₀ представляет собой среднее значение переменной Y, когда переменная X равна 0. Последний компонент модели ε_i является случайной ошибкой переменной Y в i-м наблюдении. Выбор подходящей математической модели зависит от распределения значений переменных X и Y на диаграмме разброса. Различные виды зависимости переменных показаны на рис. 2.

Рис. 2. Диаграммы разброса, иллюстрирующие разные виды зависимостей

На панели А значения переменной Y почти линейно возрастают с увеличением переменной X. Этот рисунок аналогичен рис. 1, иллюстрирующему положительную зависимость между размером магазина (в квадратных футах) и годовым объемом продаж. Панель Б является примером отрицательной линейной зависимости. Если переменная X возрастает, переменная Y в целом убывает. Примером этой зависимости является связь между стоимостью конкретного товара и объемом продаж. На панели В показан набор данных, в котором переменные X и Y практически не зависят друг от друга. Каждому значению переменной X соответствуют как большие, так и малые значения переменной Y. Данные, приведенные на панели Г, демонстрируют криволинейную зависимость между переменными X и Y. Значения переменной Y возрастают при увеличении переменной X, однако скорость роста после определенных значений переменной X падает. Примером положительной криволинейной зависимости является связь между возрастом и стоимостью обслуживания автомобилей. По мере старения машины стоимость ее обслуживания сначала резко возрастает, однако после определенного уровня стабилизируется. Панель Д демонстрирует параболическую U-образную форму зависимости между переменными X и Y. По мере увеличения значений переменной X значения переменной Y сначала убывают, а затем возрастают. Примером такой зависимости является связь между количеством ошибок, совершенных за час работы, и количеством отработанных часов. Сначала работник осваивается и делает много ошибок, потом привыкает, и количество ошибок уменьшается, однако после определенного момента он начинает чувствовать усталость, и число ошибок увеличивается. На панели Е показана экспоненциальная зависимость между переменными X и Y. В этом случае переменная Y сначала очень быстро убывает при возрастании переменной X, однако скорость этого убывания постепенно падает. Например, стоимость автомобиля при перепродаже экспоненциально зависит от его возраста. Если перепродавать автомобиль в течение первого года, его цена резко падает, однако впоследствии ее падение постепенно замедляется.

Мы кратко рассмотрели основные модели, которые позволяют формализовать зависимости между двумя переменными. Несмотря на то что диаграмма разброса чрезвычайно полезна при выборе математической модели зависимости, существуют более сложные и точные статистические процедуры, позволяющие описать отношения между переменными. В дальнейшем мы будем рассматривать лишь линейную зависимость.

Вывод уравнения простой линейной регрессии

Вернемся к сценарию, изложенному в начале главы. Наша цель — предсказать объем годовых продаж для всех новых магазинов, зная их размеры. Для оценки зависимости между размером магазина (в квадратных футах) и объемом его годовых продаж создадим выборки из 14 магазинов (рис. 3).

Рис. 3. Площади и годовые объемы продаж 14 магазинов сети Sunflowers: (а) исходные данные; (б) диаграмма разброса

Анализ рис. 3 показывает, что между площадью магазина X и годовым объемом продаж Y существует положительная зависимость. Если площадь магазина увеличивается, объем продаж возрастает почти линейно. Таким образом, наиболее подходящей для исследования является линейная модель. Остается лишь определить, какая из линейных моделей точнее остальных описывает зависимость между анализируемыми переменными.

Метод наименьших квадратов

Данные, представленные на рис. 1а, получены для случайной выборки магазинов. Если верны некоторые предположения (об этом чуть позже), в качестве оценки параметров генеральной совокупности (β₀ и β₁) можно использовать сдвиг b₀ и наклон b₁ прямой Y. Таким образом, уравнение простой линейной регрессии принимает следующий вид:

где — предсказанное значение переменной Y для i-гo наблюдения, X_i — значение переменной X в i-м наблюдении.

Для того чтобы предсказать значение переменной Y, в уравнении (2) необходимо определить два коэффициента регрессии — сдвиг b₀ и наклон b₁ прямой Y. Вычислив эти параметры, проведем прямую на диаграмме разброса. Затем исследователь может визуально оценить, насколько близка регрессионная прямая к точкам наблюдения. Простая линейная регрессия позволяет найти прямую линию, максимально приближенную к точкам наблюдения. Критерии соответствия можно задать разными способами. Возможно, проще всего минимизировать разности между фактическими значениями Y_i, и предсказанными значениями . Однако, поскольку эти разности могут быть как положительными, так и отрицательными, следует минимизировать сумму их квадратов.

Поскольку = b₀ + b₁X_i, сумма квадратов принимает следующий вид:

Параметры b₀ и b₁ неизвестны. Таким образом, сумма квадратов разностей является функцией, зависящей от сдвига b₀ и наклона b₁ выборки Y. Для того чтобы найти значения параметров b₀ и b₁, минимизирующих сумму квадратов разностей, применяется метод наименьших квадратов. При любых других значениях сдвига b₀ и наклона b₁ сумма квадратов разностей между фактическими значениями переменной Y и ее наблюдаемыми значениями лишь увеличится.

До того, как Excel взял на себя всю рутинную работу, вычисления по методу наименьших квадратов были очень трудоемкими. Excel позволяет решать подобные задачи двумя способами. Во-первых, можно воспользоваться Пакетом анализа (строка Регрессия). Результаты представлены на рис. 4. Во-вторых, можно, выделив точки на графике (как на рис. 3б), кликнуть правой кнопкой мыши и выбрать Добавить линию тренда. Далее можно выбрать вид линии тренда (в нашем случае – Линейная), отформатировать линию, показать на графике уравнение и величину достоверности аппроксимации (R²) (рис. 5).

Рис. 4. Результаты решения задачи о зависимости между площадями и годовыми объемами продаж в магазинах сети Sunflower (получены с помощью Пакета анализа Excel)

Рис. 5. Диаграмма разброса и линия регрессии (тренда) в задаче о выборе магазина

Как следует из рис. 4 и 5, b₀ = 0,9645, а b₁ = 1,6699. Таким образом, уравнение линейной регрессии для этих данных имеет следующий вид: = 0,9645 + 1,6699X_i. Вычисленный наклон b₁ = +1,6699. Это означает, что при возрастании переменной X на единицу среднее значение переменной Y возрастает на 1,6699 единиц. Иначе говоря, увеличение площади магазина на один квадратный фут приводит к увеличению годового объема продаж на 1,67 тыс. долл. Таким образом, наклон представляет собой долю годового объема продаж, зависящую от размера магазина. Вычисленный сдвиг b₀ = +0,9645 (млн. долл.). Эта величина представляет собой среднее значение переменной Y при X = 0. Поскольку площадь магазина не может равняться нулю, сдвиг можно считать долей годового дохода, зависящей от других факторов. Следует отметить, однако, что сдвиг переменной Y выходит за пределы диапазона переменной X. Следовательно, к интерпретации параметра b₀ необходимо относиться внимательно.

Пример 1. Один экономист решил предсказать изменение индекса 500 наиболее активно покупаемых акций на Нью-Йоркской фондовой бирже, публикуемого агентством Standard and Poor, на основе показателей экономики США за 50 лет. В результате он получил следующее уравнение линейной регрессии: Ŷ_i = –5,0 + 7Х_i. Какой смысл имеют параметры сдвига b₀ и наклона b₁.

Решение. Сдвиг регрессии b₀ равен –5,0. Это значит, что если рост экономики США равен нулю, индекс акций за год снизится на 5%. Наклон b₁ равен 7. Следовательно, при увеличении темпов роста экономики на 1% индекс акций возрастает на 7%.

Пример 2. Вернемся к сценарию, изложенному в начале заметки. Применим модель линейной регрессии для прогноза объема годовых продаж во всех новых магазинах в зависимости от их размеров. Предположим, что площадь магазина равна 4000 квадратных футов. Какой среднегодовой объем продаж можно прогнозировать?

Решение. Подставим значение X = 4 (тыс. кв. футов) в уравнение линейной регрессии: = 0,9645 + 1,6699X_i = 0,9645 + 1,6699*4 = 7,644 млн. долл. Итак, прогнозируемый среднегодовой объем продаж в магазине, площадь которого равна 4000 кв. футов, составляет 7 644 000 долл.

Прогнозирование в регрессионном анализе: интерполяция и экстраполяция

Применяя регрессионную модель для прогнозирования, необходимо учитывать лишь допустимые значения независимой переменной. В этот диапазон входят все значения переменной X, начиная с минимальной и заканчивая максимальной. Таким образом, предсказывая значение переменной Y при конкретном значении переменной X, исследователь выполняет интерполяцию между значениями переменной X в диапазоне возможных значений. Однако экстраполяция значений за пределы этого интервала не всегда релевантна. Например, пытаясь предсказать среднегодовой объем продаж в магазине, зная его площадь (рис. 3а), мы можем вычислять значение переменной Y лишь для значений X от 1,1 до 5,8 тыс. кв. футов. Следовательно, прогнозировать среднегодовой объем продаж можно лишь для магазинов, площадь которых не выходит за пределы указанного диапазона. Любая попытка экстраполяции означает, что мы предполагаем, будто линейная регрессия сохраняет свой характер за пределами допустимого диапазона.

Оценки изменчивости

Вычисление сумм квадратов. Для того чтобы предсказать значение зависимой переменной по значениям независимой переменной в рамках избранной статистической модели, необходимо оценить изменчивость. Существует несколько способов оценки изменчивости. Первый способ использует общую сумму квадратов (total sum of squares — SST), позволяющую оценить колебания значений Y_i вокруг среднего значения . В регрессионном анализе полная вариация, представляющая собой полную сумму квадратов, разделяется на объяснимую вариацию, или сумму квадратов регрессии (regression sum of squares — SSR), и необъяснимую вариацию, или сумму квадратов ошибок (error sum of squares — SSE). Объяснимая вариация характеризует взаимосвязь между переменными X и Y, а необъяснимая зависит от других факторов (рис. 6).

Рис. 6. Оценки изменчивости в модели регрессии

Сумма квадратов регрессии (SSR) представляет собой сумму квадратов разностей между Ŷ_i (предсказанным значением переменной Y) и (средним значением переменной Y). Сумма квадратов ошибок (SSE) является частью вариации переменной Y, которую невозможно описать с помощью регрессионной модели. Эта величина зависит от разностей между наблюдаемыми и предсказанными значениями.

Полная сумма квадратов (SST) равна сумме квадратов регрессии плюс сумма квадратов ошибок:

(3) SST = SSR + SSE

Полная сумма квадратов (SST) равна сумме квадратов разностей между наблюдаемыми значениями переменной Y и ее средним значением:

Сумма квадратов регрессии (SSR) равна сумме квадратов разностей между предсказанными значениями переменной Y и ее средним значением:

Сумма квадратов ошибок (SSE) равна сумме квадратов разностей между наблюдаемыми и предсказанными значениями переменной Y:

Суммы квадратов, вычисленные с помощью программы Пакета анализа Excel при решении задачи о сети магазинов Sunflowers, представлены на рис. 4.

Полная сумма квадратов разностей равна SST = 116,9543. Эта величина состоит из суммы квадратов регрессии (SSR) равной 105,7476, и суммы квадратов ошибок (SSE), равной 11,2067.

Коэффициент смешанной корреляции. Величины SSR, SSE и SST не имеют очевидной интерпретации. Однако отношение суммы квадратов регрессии (SSR) к полной сумме квадратов (SST) представляет собой оценку полезности регрессионного уравнения. Это отношение называется коэффициентом смешанной корреляции r²:

Коэффициент смешанной корреляции оценивает долю вариации переменной Y, которая объясняется независимой переменной X в регрессионной модели. В задаче о сети магазинов Sunflowers SSR = 105,7476 и SST = 116,9543. Следовательно, r² = 105,7476 / 116,9543 = 0,904. Таким образом, 90,4% вариации годового объема продаж объясняется изменчивостью площади магазинов, измеренной в квадратных футах. Данная величина r² свидетельствует о сильной положительной линейной взаимосвязи между двумя переменными, поскольку применение регрессионной модели снижает изменчивость прогнозируемых годовых объемов продаж на 90,4%. Только 9,6% изменчивости годовых объемов продаж в выборке магазинов объясняются другими факторами, не учтенными в регрессионной модели.

Коэффициент смешанной корреляции в задаче о сети магазинов Sunflowers представлен в таблице Регрессионная статистика на рис. 4.

Среднеквадратичная ошибка оценки. Хотя метод наименьших квадратов позволяет вычислить линию, минимизирующую отклонение от наблюдаемых значений, наличие суммы квадратов ошибок (SSE) свидетельствует о том, что линейная регрессия не дает абсолютной точности прогноза, если, конечно, точки наблюдения не лежат на регрессионной прямой. Однако ожидать этого так же неестественно, как предполагать, что все выборочные значения точно равны их среднему арифметическому. Следовательно, необходима статистика, которая позволила бы оценить отклонение предсказанных значений переменной Y от ее реальных значений, аналогично тому, как стандартное отклонение, введенное ранее, позволяет оценить колебание данных вокруг их средней величины. Стандартное отклонение наблюдаемых значений переменной Y от ее регрессионной прямой называется среднеквадратичной ошибкой оценки. Отклонение реальных данных от регрессионной прямой в задаче о сети магазинов Sunflowers показано на рис. 5.

Среднеквадратичная ошибка оценки

где Y_i — фактическое значение переменной Y при заданном значении X_i, Ŷ_i — предсказанное значение переменной Y при заданном значении X_i, SSE — сумма квадратов ошибок.

Поскольку SSE = 11,2067, по формуле (8) получаем:

Таким образом, среднеквадратичная ошибка оценки равна 0,9664 млн. долл. (т.е. 966 400 долл.). Этот параметр также рассчитывается Пакетом анализа (см. рис. 4). Среднеквадратичная ошибка оценки характеризует отклонение реальных данных от линии регрессии. Она измеряется в тех же единицах, что и переменная Y. По смыслу среднеквадратичная ошибка очень похожа на стандартное отклонение. В то время как стандартное отклонение характеризует разброс данных вокруг их среднего значения, среднеквадратичная ошибка позволяет оценить колебание точек наблюдения вокруг регрессионной прямой. Cреднеквадратичная ошибка оценки позволяет обнаружить статистически значимую зависимость, существующую между двумя переменными, и предсказать значения переменной Y.

Предположения

Обсуждая методы проверки гипотез и дисперсионного анализа, мы не раз подчеркивали важность условий, которые должны обеспечивать корректность сделанных выводов. Поскольку и регрессионный, и дисперсионный анализ используют линейную модель, условия их применения приблизительно одинаковы:

Ошибка должна иметь нормальное распределение.
Вариация данных вокруг линии регрессии должна быть постоянной.
Ошибки должны быть независимыми.

Первое предположение, о нормальном распределении ошибок, требует, чтобы при каждом значении переменной X ошибки линейной регрессии имели нормальное распределение (рис. 7). Как и t— и F-критерий дисперсионного анализа, регрессионный анализ довольно устойчив к нарушениям этого условия. Если распределение ошибок относительно линии регрессии при каждом значении X не слишком сильно отличается от нормального, выводы относительно линии регрессии и коэффициентов регрессии изменяются незначительно.

Рис. 7. Предположение о нормальном распределении ошибок

Второе условие заключается в том, что вариация данных вокруг линии регрессии должна быть постоянной при любом значении переменной X. Это означает, что величина ошибки как при малых, так и при больших значениях переменной X должна изменяться в одном и том же интервале (см. рис. 7). Это свойство очень важно для метода наименьших квадратов, с помощью которого определяются коэффициенты регрессии. Если это условие нарушается, следует применять либо преобразование данных, либо метод наименьших квадратов с весами.

Третье предположение, о независимости ошибок, заключается в том, что ошибки регрессии не должны зависеть от значения переменной X. Это условие особенно важно, если данные собираются на протяжении определенного отрезка времени. В этих ситуациях ошибки, присущие конкретному отрезку времени, часто коррелируют с ошибками, характерными для предыдущего периода.

Анализ остатков

Чуть выше при решении задачи о сети магазинов Sunflowers мы использовали модель линейной регрессии. Рассмотрим теперь анализ ошибок — графический метод, позволяющий оценить точность регрессионной модели. Кроме того, с его помощью можно обнаружить потенциальные нарушения условий применения регрессионного анализа.

Оценка пригодности эмпирической модели. Остаток, или оценка ошибки е_i, представляет собой разность между наблюдаемым (Y_i) и предсказанным (Ŷ_i) значениями зависимой переменной при заданном значении X_i.

(9) e_i = Y_i – Ŷ_i

Для оценки пригодности эмпирической модели регрессии остатки откладываются по вертикальной оси, а значения X_i — по горизонтальной. Если эмпирическая модель пригодна, график не должен иметь ярко выраженной закономерности. Если же модель регрессии не пригодна, на рисунке проявится зависимость между значениями X_i и остатками е_i.

Рассмотрим примеры (рис. 8). Панель А иллюстрирует возрастание переменной Y при увеличении переменной X. Однако зависимость между этими переменными носит нелинейный характер, поскольку скорость возрастания переменной Y падает при увеличении переменной X. Таким образом, для аппроксимации зависимости между этими переменными лучше подойдет квадратичная модель. Особенно ярко квадратичная зависимость между величинами X_i и e_i проявляется на панели Б. Графическое изображение остатков позволяет отфильтровать или удалить линейную зависимость между переменными X и Y и выявить недостаточную точность модели простой линейной регрессии. Таким образом, в данной ситуации вместо простой линейной модели должна применяться квадратичная модель, обладающая более высокой точностью.

Рис. 8. Исследование эмпирической модели простой линейной регрессии

Вернемся к задаче о сети магазинов Sunflowers и посмотрим, хорошо ли подходит простая линейная регрессия для ее решения. Соответствующие данные и расчеты приведены на рис. 9а (формулы можно посмотреть в Excel-файле). Построим диаграмму разброса, откладывая по вертикальной оси остатки e_i, а по горизонтальной — независимую переменную X_i (рис. 9б). Несмотря на большой разброс остатков, между e_i и Х_i нет ярко выраженной зависимости. Остатки одинаково часто принимают как положительные, так и отрицательные значения. Это позволяет сделать вывод, что модель линейной регрессии пригодна для решения задачи о сети магазинов Sunflowers.

Рис. 9. Остатки e_i, вычисленные при решении задачи о сети магазинов Sunflowers

Значения остатков (таблица на рис. 9а) и график остатков (аналог рис. 9б) можно получить непосредственно в процедуре Регрессия Пакета анализа. Просто поставьте соответствующие галки (рис. 10).

Рис. 10. Остатки e_i и график остатков полученные с помощью Пакета анализа

Проверка условий. График остатков позволяет оценить вариации ошибок. На рис. 10 нет особых различий между ошибками, соответствующими разным значениям X_i. Следовательно, вариации ошибок при разных значениях Х_i приблизительно одинаковы. Рассмотрим гипотетическую ситуацию, в которой это условие не выполняется (рис. 11). На этом рисунке изображен эффект веера: при возрастании значений Х_i ошибки увеличиваются. Таким образом, изменчивость значений Y_i при разных значениях Х_i является непостоянной.

Рис. 11. Пример нарушения условия независимости вариаций ошибок от X_i

Нормальность. Чтобы проверить предположение о нормальном распределении ошибок, построим график нормального распределения на основе точечного графика, на вертикальной оси которого отложены значения остатков, а на горизонтальной оси — соответствующие квантили стандартизованного нормального распределения (подробнее см. Проверка гипотезы о нормальном распределении). Для построения такого графика значения остатков должны быть упорядочены по возрастанию (рис. 12). График нормального распределения может быть построен одним кликом с помощью Пакета анализа Excel – просто поставьте соответствующую галочку в окне Регрессия (см. рис. 10, самый низ окна Регрессия – опция График нормальной вероятности).

Рис. 12. График нормального распределения для остатков

Без визуализации данных (с помощью гистограммы, диаграммы «ствол и листья», блочной диаграммы или графика как на рис. 12) проверить предположение о нормальном распределении ошибок очень трудно. Данные, изображенные на рис. 12, не слишком сильно отличаются от нормального распределения. Устойчивость регрессионного анализа и небольшой объем выборки позволяют утверждать, что условие о нормальном распределении ошибок нарушается незначительно.

Независимость. Предположение о независимости ошибок также проверяется с помощью графика остатков. Данные, собранные на протяжении некоторого периода времени, иногда демонстрируют эффект автокорреляции между последовательными наблюдениями. В таких ситуациях остатки зависят от значений предыдущих остатков. Подобная связь между остатками нарушает предположение о независимости ошибок. Эффект автокорреляции хорошо выявляется на графике. Кроме того, его можно измерить с помощью процедуры Дурбина-Уотсона (см. ниже). Если данные о размерах магазинов и объемах продаж собирались в течение одного и того же периода времени, гипотезу об их независимости проверять не имеет смысла.

Измерение автокорреляции: статистика Дурбина–Уотсона

Одним из основных предположений о регрессионной модели является гипотеза о независимости ее ошибок. Если данные собираются в течение определенного отрезка времени, это условие часто нарушается, поскольку остаток в определенный момент времени может оказаться приблизительно равным предыдущим остаткам. Такое поведение остатков называется автокорреляцией. Если набор данных обладает свойством автокорреляции, корректность регрессионной модели становится весьма сомнительной.

Распознавание автокорреляции с помощью графика остатков. Для выявления автокорреляции необходимо упорядочить остатки по времени и построить их график. Если данные обладают положительной автокорреляцией, на графике возникнут кластеры остатков, имеющие одинаковый знак. В случае отрицательной автокорреляции остатки будут скачкообразно принимать то положительные, то отрицательные значения. Этот вид автокорреляции очень редко встречается в регрессионном анализе, поэтому мы рассмотрим лишь положительную автокорреляцию. Проиллюстрируем ее следующим примером. Предположим, что менеджер магазина, доставляющего товары на дом, пытается предсказать объем продаж по количеству клиентов, совершивших покупки в течение 15 недель (рис. 13).

Рис. 13. Количество клиентов и объемы продаж за 15 недель

Поскольку данные собирались на протяжении 15 последовательных недель в одном и том же магазине, необходимо определить, наблюдается ли эффект автокорреляции. Построим регрессию с использованием Пакета анализа; включим вывод Остатков, но не будем включать График остатков (рис. 14).

Рис. 14. Параметры линейной регрессии, полученные с использованием Пакета анализа

Анализ рис. 14 показывает, что r² = 0,657. Это значит, что 65,7% вариации объемов продаж объясняется изменчивостью количества клиентов. Кроме того, сдвиг b₀ переменной Y равен –16,032, а наклон b₁ = 0,0308. Однако, прежде чем применять эту модель, необходимо выполнить анализ остатков. Поскольку данные собирались на протяжении 15 последовательных недель, их следует отобразить на графике в том же порядке (рис. 15).

Рис. 15. Зависимость остатков от времени

Анализ рис. 15 показывает, что остатки циклически колеблются вверх и вниз. Эта цикличность является явным признаком автокорреляции. Следовательно, гипотезу о независимости остатков следует отклонить.

Статистика Дурбина-Уотсона. Автокорреляцию можно выявить и измерить с помощью статистики Дурбина-Уотсона. Эта статистика оценивает корреляцию между соседними остатками:

где е_i — остаток, соответствующий i-му периоду времени.

Чтобы лучше понять статистику Дурбина-Уотсона, рассмотрим ее составные части. Числитель представляет собой сумму квадратов разностей между соседними остатками, начиная со второго и заканчивая n-м наблюдением. Знаменатель является суммой квадратов остатков. Вот, что по этому поводу написано в Википедии:

где ρ₁ – коэффициент автокорреляции; если ρ₁ = 0 (нет автокорреляции), D ≈ 2; если ρ₁ ≈ 1 (положительная автокорреляции), D ≈ 0; если ρ₁ = -1 (отрицательная автокорреляции), D ≈ 4.

На практике применение критерия Дурбина-Уотсона основано на сравнении величины D с критическими теоретическими значениями d_L и d_U для заданного числа наблюдений n, числа независимых переменных модели k (для простой линейной регрессии k = 1) и уровня значимости α. Если D < d_L, гипотеза о независимости случайных отклонений отвергается (следовательно, присутствует положительная автокорреляция); если D > d_U, гипотеза не отвергается (то есть автокорреляция отсутствует); если d_L < D < d_U, нет достаточных оснований для принятия решения. Когда расчётное значение D превышает 2, то с d_L и d_U сравнивается не сам коэффициент D, а выражение (4 – D).

Для вычисления статистики Дурбина-Уотсона в Excel обратимся к нижней таблице на рис. 14 Вывод остатка. Числитель в выражении (10) вычисляется с помощью функции =СУММКВРАЗН(массив1;массив2), а знаменатель =СУММКВ(массив) (рис. 16).

Рис. 16. Формулы расчета статистики Дурбина-Уотсона

В нашем примере D = 0,883. Основной вопрос заключается в следующем — какое значение статистики Дурбина-Уотсона следует считать достаточно малым, чтобы сделать вывод о существовании положительной автокорреляции? Необходимо соотнести значение D с критическими значениями (d_L и d_U), зависящими от числа наблюдений n и уровня значимости α (рис. 17).

Рис. 17. Критические значения статистики Дурбина-Уотсона (фрагмент таблицы)

Таким образом, в задаче об объеме продаж в магазине, доставляющем товары на дом, существуют одна независимая переменная (k = 1), 15 наблюдений (n = 15) и уровень значимости α = 0,05. Следовательно, d_L= 1,08 и d_U = 1,36. Поскольку D = 0,883 < d_L= 1,08, между остатками существует положительная автокорреляция, метод наименьших квадратов применять нельзя.

Проверка гипотез о наклоне и коэффициенте корреляции

Выше регрессия применялась исключительно для прогнозирования. Для определения коэффициентов регрессии и предсказания значения переменной Y при заданной величине переменной X использовался метод наименьших квадратов. Кроме того, мы рассмотрели среднеквадратичную ошибку оценки и коэффициент смешанной корреляции. Если анализ остатков подтверждает, что условия применимости метода наименьших квадратов не нарушаются, и модель простой линейной регрессии является адекватной, на основе выборочных данных можно утверждать, что между переменными в генеральной совокупности существует линейная зависимость.

Применение t-критерия для наклона. Проверяя, равен ли наклон генеральной совокупности β₁ нулю, можно определить, существует ли статистически значимая зависимость между переменными X и Y. Если эта гипотеза отклоняется, можно утверждать, что между переменными X и Y существует линейная зависимость. Нулевая и альтернативная гипотезы формулируются следующим образом: Н₀: β₁ = 0 (нет линейной зависимости), Н1: β₁ ≠ 0 (есть линейная зависимость). По определению t-статистика равна разности между выборочным наклоном и гипотетическим значением наклона генеральной совокупности, деленной на среднеквадратичную ошибку оценки наклона:

(11) t = (b₁ – β₁) / S_b₁

где b₁ – наклон прямой регрессии по выборочным данным, β1 – гипотетический наклон прямой генеральной совокупности, , а тестовая статистика t имеет t-распределение с n – 2 степенями свободы.

Проверим, существует ли статистически значимая зависимость между размером магазина и годовым объемом продаж при α = 0,05. t-критерий выводится наряду с другими параметрами при использовании Пакета анализа (опция Регрессия). Полностью результаты работы Пакета анализа приведены на рис. 4, фрагмент, относящийся к t-статистике – на рис. 18.

Рис. 18. Результаты применения t-критерия, полученные с помощью Пакета анализа Excel

Поскольку число магазинов n = 14 (см. рис.3), критическое значение t-статистики при уровне значимости α = 0,05 можно найти по формуле: t_L =СТЬЮДЕНТ.ОБР(0,025;12) = –2,1788, где 0,025 – половина уровня значимости, а 12 = n – 2; t_U =СТЬЮДЕНТ.ОБР(0,975;12) = +2,1788.

Поскольку t-статистика = 10,64 > t_U = 2,1788 (рис. 19), нулевая гипотеза Н₀ отклоняется. С другой стороны, р-значение для Х = 10,6411, вычисляемое по формуле =1-СТЬЮДЕНТ.РАСП(D3;12;ИСТИНА), приближенно равно нулю, поэтому гипотеза Н₀ снова отклоняется. Тот факт, что р-значение почти равно нулю, означает, что если бы между размерами магазинов и годовым объемом продаж не существовало реальной линейной зависимости, обнаружить ее с помощью линейной регрессии было бы практически невозможно. Следовательно, между средним годовым объемом продаж в магазинах и их размером существует статистически значимая линейная зависимость.

Рис. 19. Проверка гипотезы о наклоне генеральной совокупности при уровне значимости, равном 0,05, и 12 степенях свободы

Применение F-критерия для наклона. Альтернативным подходом к проверке гипотез о наклоне простой линейной регрессии является использование F-критерия. Напомним, что F-критерий применяется для проверки отношения между двумя дисперсиями (подробнее см. Однофакторный дисперсионный анализ). При проверке гипотезы о наклоне мерой случайных ошибок является дисперсия ошибки (сумма квадратов ошибок, деленная на количество степеней свободы), поэтому F-критерий использует отношение дисперсии, объясняемой регрессией (т.е. величины SSR, деленной на количество независимых переменных k), к дисперсии ошибок (MSE = S_Y_X²).

По определению F-статистика равна среднему квадрату отклонений, обусловленных регрессией (MSR), деленному на дисперсию ошибки (MSE): F = MSR/MSE, где MSR = SSR / k, MSE = SSE/(n– k – 1), k – количество независимых переменных в регрессионной модели. Тестовая статистика F имеет F-распределение с k и n – k – 1 степенями свободы.

При заданном уровне значимости α решающее правило формулируется так: если F > F_U, нулевая гипотеза отклоняется; в противном случае она не отклоняется. Результаты, оформленные в виде сводной таблицы дисперсионного анализа, приведены на рис. 20.

Рис. 20. Таблица дисперсионного анализа для проверки гипотезы о статистической значимости коэффициента регрессии

Аналогично t-критерию F-критерий выводится в таблицу при использовании Пакета анализа (опция Регрессия). Полностью результаты работы Пакета анализа приведены на рис. 4, фрагмент, относящийся к F-статистике – на рис. 21.

Рис. 21. Результаты применения F-критерия, полученные с помощью Пакета анализа Excel

F-статистика равна 113,23, а р-значение близко к нулю (ячейка Значимость F). Если уровень значимости α равен 0,05, определить критическое значение F-распределения с одной и 12 степенями свободы можно по формуле F_U =F.ОБР(1-0,05;1;12) = 4,7472 (рис. 22). Поскольку F = 113,23 > F_U = 4,7472, причем р-значение близко к 0 < 0,05, нулевая гипотеза Н₀ отклоняется, т.е. размер магазина тесно связан с его годовым объемом продаж.

Рис. 22. Проверка гипотезы о наклоне генеральной совокупности при уровне значимости, равном 0,05, с одной и 12 степенями свободы

Доверительный интервал, содержащий наклон β₁. Для проверки гипотезы о существовании линейной зависимости между переменными можно построить доверительный интервал, содержащий наклон β₁ и убедиться, что гипотетическое значение β₁= 0 принадлежит этому интервалу. Центром доверительного интервала, содержащего наклон β₁, является выборочный наклон b₁, а его границами — величины b₁ ± t_n_–2S_b₁

Как показано на рис. 18, b₁ = +1,670, n = 14, S_b₁ = 0,157. t₁₂ =СТЬЮДЕНТ.ОБР(0,975;12) = 2,1788. Следовательно, b₁ ± t_n_–2S_b₁ = +1,670 ± 2,1788 * 0,157 = +1,670 ± 0,342, или + 1,328 ≤ β₁ ≤ +2,012. Таким образом, наклон генеральной совокупности с вероятностью 0,95 лежит в интервале от +1,328 до +2,012 (т.е. от 1 328 000 до 2 012 000 долл.). Поскольку эти величины больше нуля, между годовым объемом продаж и площадью магазина существует статистически значимая линейная зависимость. Если бы доверительный интервал содержал нуль, между переменными не было бы зависимости. Кроме того, доверительный интервал означает, что каждое увеличение площади магазина на 1 000 кв. футов приводит к увеличению среднего объема продаж на величину от 1 328 000 до 2 012 000 долларов.

Использование t-критерия для коэффициента корреляции. Ранее был введен коэффициент корреляции r, представляющий собой меру зависимости между двумя числовыми переменными. С его помощью можно установить, существует ли между двумя переменными статистически значимая связь. Обозначим коэффициент корреляции между генеральными совокупностями обеих переменных символом ρ. Нулевая и альтернативная гипотезы формулируются следующим образом: Н₀: ρ = 0 (нет корреляции), Н₁: ρ ≠ 0 (есть корреляция). Проверка существования корреляции:

где r = +, если b₁ > 0, r = –, если b₁ < 0. Тестовая статистика t имеет t-распределение с n – 2 степенями свободы.

В задаче о сети магазинов Sunflowers r² = 0,904, а b₁— +1,670 (см. рис. 4). Поскольку b₁ > 0, коэффициент корреляции между объемом годовых продаж и размером магазина равен r = +√0,904 = +0,951. Проверим нулевую гипотезу, утверждающую, что между этими переменными нет корреляции, используя t-статистику:

При уровне значимости α = 0,05 нулевую гипотезу следует отклонить, поскольку t = 10,64 > 2,1788. Таким образом, можно утверждать, что между объемом годовых продаж и размером магазина существует статистически значимая связь.

При обсуждении выводов, касающихся наклона генеральной совокупности, доверительные интервалы и критерии для проверки гипотез являются взаимозаменяемыми инструментами. Однако вычисление доверительного интервала, содержащего коэффициент корреляции, оказывается более сложным делом, поскольку вид выборочного распределения статистики r зависит от истинного коэффициента корреляции.

Оценка математического ожидания и предсказание индивидуальных значений

В этом разделе рассматриваются методы оценки математического ожидания отклика Y и предсказания индивидуальных значений Y при заданных значениях переменной X.

Построение доверительного интервала. В примере 2 (см. выше раздел Метод наименьших квадратов) регрессионное уравнение позволило предсказать значение переменной Y при заданном значении переменной X. В задаче о выборе места для торговой точки средний годовой объем продаж в магазине площадью 4000 кв. футов был равен 7,644 млн. долл. Однако эта оценка математического ожидания генеральной совокупности является точечной. Ранее для оценки математического ожидания генеральной совокупности была предложена концепция доверительного интервала. Аналогично можно ввести понятие доверительного интервала для математического ожидания отклика при заданном значении переменной X:

где , = b₀ + b₁X_i – предсказанное значение переменное Y при X = X_i, S_YX – среднеквадратичная ошибка, n – объем выборки, X_i — заданное значение переменной X, µ_Y|_X₌_X_i – математическое ожидание переменной Y при Х = Х_i, SSX =

Анализ формулы (13) показывает, что ширина доверительного интервала зависит от нескольких факторов. При заданном уровне значимости возрастание амплитуды колебаний вокруг линии регрессии, измеренное с помощью среднеквадратичной ошибки, приводит к увеличению ширины интервала. С другой стороны, как и следовало ожидать, увеличение объема выборки сопровождается сужением интервала. Кроме того, ширина интервала изменяется в зависимости от значений X_i. Если значение переменной Y предсказывается для величин X, близких к среднему значению , доверительный интервал оказывается уже, чем при прогнозировании отклика для значений, далеких от среднего.

Допустим, что, выбирая место для магазина, мы хотим построить 95%-ный доверительный интервал для среднего годового объема продаж во всех магазинах, площадь которых равна 4000 кв. футов:

Следовательно, средний годовой объем продаж во всех магазинах, площадь которых равна 4 000 кв. футов, с 95% -ной вероятностью лежит в интервале от 6,971 до 8,317 млн. долл.

Вычисление доверительного интервала для предсказанного значения. Кроме доверительного интервала для математического ожидания отклика при заданном значении переменной X, часто необходимо знать доверительный интервал для предсказанного значения. Несмотря на то что формула для вычисления такого доверительного интервала очень похожа на формулу (13), этот интервал содержит предсказанное значение, а не оценку параметра. Интервал для предсказанного отклика Y_X₌_Xi при конкретном значении переменной X_i определяется по формуле:

Предположим, что, выбирая место для торговой точки, мы хотим построить 95%-ный доверительный интервал для предсказанного годового объема продаж в магазине, площадь которого равна 4000 кв. футов:

Следовательно, предсказанный годовой объем продаж в магазине, площадь которого равна 4000 кв. футов, с 95%-ной вероятностью лежит в интервале от 5,433 до 9,854 млн. долл. Как видим, доверительный интервал для предсказанного значения отклика намного шире, чем доверительный интервал для его математического ожидания. Это объясняется тем, что изменчивость при прогнозировании индивидуальных значений намного больше, чем при оценке математического ожидания.

Подводные камни и этические проблемы, связанные с применением регрессии

Трудности, связанные с регрессионным анализом:

Игнорирование условий применимости метода наименьших квадратов.
Ошибочная оценка условий применимости метода наименьших квадратов.
Неправильный выбор альтернативных методов при нарушении условий применимости метода наименьших квадратов.
Применение регрессионного анализа без глубоких знаний о предмете исследования.
Экстраполяция регрессии за пределы диапазона изменения объясняющей переменной.
Путаница между статистической и причинно-следственной зависимостями.

Широкое распространение электронных таблиц и программного обеспечения для статистических расчетов ликвидировало вычислительные проблемы, препятствовавшие применению регрессионного анализа. Однако это привело к тому, что регрессионный анализ стали применять пользователи, не обладающие достаточной квалификацией и знаниями. Откуда пользователям знать об альтернативных методах, если многие из них вообще не имеют ни малейшего понятия об условиях применимости метода наименьших квадратов и не умеют проверять их выполнение?

Исследователь не должен увлекаться перемалыванием чисел — вычислением сдвига, наклона и коэффициента смешанной корреляции. Ему нужны более глубокие знания. Проиллюстрируем это классическим примером, взятым из учебников. Анскомб показал, что все четыре набора данных, приведенных на рис. 23, имеют одни и те же параметры регрессии (рис. 24).

Рис. 23. Четыре набора искусственных данных

Рис. 24. Регрессионный анализ четырех искусственных наборов данных; выполнен с помощью Пакета анализа (кликните на рисунке, чтобы увеличить изображение)

Итак, с точки зрения регрессионного анализа все эти наборы данных совершенно идентичны. Если бы анализ был на этом закончен, мы потеряли бы много полезной информации. Об этом свидетельствуют диаграммы разброса (рис. 25) и графики остатков (рис. 26), построенные для этих наборов данных.

Рис. 25. Диаграммы разброса для четырех наборов данных

Диаграммы разброса и графики остатков свидетельствуют о том, что эти данные отличаются друг от друга. Единственный набор, распределенный вдоль прямой линии, — набор А. График остатков, вычисленных по набору А, не имеет никакой закономерности. Этого нельзя сказать о наборах Б, В и Г. График разброса, построенный по набору Б, демонстрирует ярко выраженную квадратичную модель. Этот вывод подтверждается графиком остатков, имеющим параболическую форму. Диаграмма разброса и график остатков показывают, что набор данных В содержит выброс. В этой ситуации необходимо исключить выброс из набора данных и повторить анализ. Метод, позволяющий обнаруживать и исключать выбросы из наблюдений, называется анализом влияния. После исключения выброса результат повторной оценки модели может оказаться совершенно иным. Диаграмма разброса, построенная по данным из набора Г, иллюстрирует необычную ситуацию, в которой эмпирическая модель значительно зависит от отдельного отклика (Х₈ = 19, Y₈ = 12,5). Такие регрессионные модели необходимо вычислять особенно тщательно. Итак, графики разброса и остатков являются крайне необходимым инструментом регрессионного анализа и должны быть его неотъемлемой частью. Без них регрессионный анализ не заслуживает доверия.

Рис. 26. Графики остатков для четырех наборов данных

Как избежать подводных камней при регрессионном анализе:

Анализ возможной взаимосвязи между переменными X и Y всегда начинайте с построения диаграммы разброса.
Прежде чем интерпретировать результаты регрессионного анализа, проверяйте условия его применимости.
Постройте график зависимости остатков от независимой переменной. Это позволит определить, насколько эмпирическая модель соответствует результатам наблюдения, и обнаружить нарушение постоянства дисперсии.
Для проверки предположения о нормальном распределении ошибок используйте гистограммы, диаграммы «ствол и листья», блочные диаграммы и графики нормального распределения.
Если условия применимости метода наименьших квадратов не выполняются, используйте альтернативные методы (например, модели квадратичной или множественной регрессии).
Если условия применимости метода наименьших квадратов выполняются, необходимо проверить гипотезу о статистической значимости коэффициентов регрессии и построить доверительные интервалы, содержащие математическое ожидание и предсказанное значение отклика.
Избегайте предсказывать значения зависимой переменной за пределами диапазона изменения независимой переменной.
Имейте в виду, что статистические зависимости не всегда являются причинно-следственными. Помните, что корреляция между переменными не означает наличия причинно-следственной зависимости между ними.

Резюме. Как показано на структурной схеме (рис. 27), в заметке описаны модель простой линейной регрессии, условия ее применимости и способы проверки этих условий. Рассмотрен t-критерий для проверки статистической значимости наклона регрессии. Для предсказания значений зависимой переменной использована регрессионная модель. Рассмотрен пример, связанный с выбором места для торговой точки, в котором исследуется зависимость годового объема продаж от площади магазина. Полученная информация позволяет точнее выбрать место для магазина и предсказать его годовой объем продаж. В следующих заметках будет продолжено обсуждение регрессионного анализа, а также рассмотрены модели множественной регрессии.

Рис. 27. Структурная схема заметки

Предыдущая заметка Критерий согласия «хи-квадрат»

Следующая заметка Введение в множественную регрессию

К оглавлению Статистика для менеджеров с использованием Microsoft Excel

[1] Используются материалы книги Левин и др. Статистика для менеджеров. – М.: Вильямс, 2004. – с. 792–872

[2] Если зависимая переменная является категорийной, необходимо применять логистическую регрессию.

Источник

Регрессия как задача машинного обучения

38 мин на чтение

(55.116 символов)

Постановка задачи регрессии

Задача регрессии
Источник: Analytics Vidhya.

Задача регрессии — это одна из основных задач машинного обучения. И хотя, большинство задач на практике относятся к другому типу — классификации, мы начнем знакомство с машинным обучением именно с регрессии. Регрессионные модели были известны задолго до появления машинного обучения как отрасли и активно применяются в статистике, эконометрике, математическом моделировании. Машинное обучение предлагает новый взгляд на уже известные модели. И этот новый взгляд позволит строить более сложные и мощные модели, чем классические математические дисциплины.

Задача регрессии относится к категории задач обучения с учителем. Это значит, что набор данных, который используется для обучения, должен иметь определенную структуру. Обычно, наборы данных для машинного обучения представляют собой таблицу, в которой по строкам перечислены разные объекты наблюдений или измерений. В столбцах — различные характеристики, или атрибуты, объектов. А на пересечении строк и столбцов — значение данной характеристики у данного объекта. Обычно один атрибут (или переменная) имеет особый характер — именно ее значение мы и хотим научиться предсказывать с помощью модели машинного обучения. Эта характеристика объекта называется целевая переменная. И если эта целевая переменная выражена числом (а точнее, некоторой непрерывной величиной) — то мы говорим о задаче регрессии.

Задачи регрессии на практике встречаются довольно часто. Например, предсказание цены объекта недвижимости — классическая регрессионная задача. В таких проблемах атрибутами выступают разные характеристики квартир или домов — площадь, этажность, расположение, расстояние до центра города, количество комнат, год постройки. В разных наборах данных собрана разная информация И, соответственно, модели тоже должны быть разные. Другой пример — предсказание цены акций или других финансовых активов. Или предсказание температуры завтрашним днем.

Во всех таких задачах нам нужно иметь данные, которые позволят осуществить такое предсказание. Да, “предсказание” — это условный термин, не всегда мы говорим о будущих событиях. Регрессионные модели используют информацию об объектах в обучающем наборе данных, чтобы сделать вывод о возможном значении целевой переменной. И для этого нужно, чтобы ее значение имело какую-то зависимость от имеющихся у нас атрибутов. Если построить модель предсказания цены акции, но на вход подать информацию о футбольных матчах — ничего не получится. Мы предполагаем, что в наборе данных собраны именно те атрибуты объектов, которые имеют влияние на на значение целевой переменной. И чем больше это предположение выполняется, тем точнее будет потенциально наша модель.

Немного поговорим о терминах. Набор данных который мы используем для обучения модели называют датасетом (dataset) или обучающей выборкой (training set). Объекты, которые описываются в датасете еще называют точками данных (data points). Целевую переменную еще называют на статистический манер зависимой переменной (dependent variable) или результативной, выходной (output), а остальные атрибуты — независимыми переменными (dependent variables), или признаками (features), или факторами, или входными переменными (input). Значения одного конкретного атрибута для всех объектов обучающей выборки часто представляют как вектор этого признака (feature vector). А всю таблицу всех атрибутов называют матрицей атрибутов (feature matrix). Соответственно, еще есть вектор целевой переменной, он не входит в матрицу атрибутов.

С точки зрения информатики, регрессионная модель — это функция, которая принимает на вход значения атрибутов какого-то конкретного объекта и выдает на выходе предполагаемое значение целевой переменной. В большинстве случаев мы предполагаем, что целевая переменная у нас одна. Если стоит задача предсказания нескольких характеристик, то их чаще воспринимают как несколько независимых задач регрессии на одних и тех же атрибутах.

Мы пока ничего не говорили о том, как изнутри устроена регрессионная модель. Это потому, что она может быть какой угодно. Это может быть математическое выражение, условный алгоритм, сложная программа со множеством ветвлений и циклов, нейронная сеть — все это можно представить регрессионной моделью. Единственное требование к модели машинного обучения — она должна быть параметрической. То есть иметь какие-то внутренние параметры, от которых тоже зависит результат вычисления. В простых случаях, чаще всего в качестве регрессионной модели используют аналитические функции. Таких функций бесконечное количество, но чаще всего используется самая простая функция, с которой мы и начнем изучение регрессии — линейная функция.

Так же надо сказать, что иногда регрессионные модели подразделяют на парную и множественную регрессии. Парная регрессия — это когда у нас всего один атрибут. Множественная — когда больше одного. Конечно, на практике парная регрессия почти не встречается, но на примере такой простой модели мы поймем основные концепции машинного обучения. Плюс, парную регрессию очень удобно и наглядно можно изобразить на графике. Когда у нас больше двух переменных, графики уже не особо построишь, и модели приходится визуализировать иначе, более косвенно.

Выводы:

Регрессия — это задача машинного обучения с учителем, которая заключается в предсказании некоторой непрерывной величины.
Для использования регрессионных моделей нужно, чтобы в датасете были характеристики объектов и “правильные” значения целевой переменной.
Примеры регрессионных задач — предсказание цены акции, оценка цены объекта недвижимости.
Задача регрессии основывается на предположении, что значение целевой переменной зависит от значения признаков.
Регрессионная модель принимает набор значений и выдает предсказание значения целевой переменной.
В качестве регрессионных моделей часто берут аналитические функции, например, линейную.

Линейная регрессия с одной переменной

Функция гипотезы

Модель регрессии

Напомним, что в задачах регрессии мы принимаем входные переменные и пытаемся получить более-менее достоверное значение целевой переменной. Любая функция, даже самая простая линейная может выдавать совершенно разные значения для одних и тех же входных данных, если в функции будут разные параметры. Поэтому, любая регрессионная модель — это не какая-то конкретная математическая функция, а целое семейство функций. И задача алгоритма обучения — подобрать значения параметров таким образом, чтобы для объектов обучающей выборки, для которых мы уже знаем правильные ответы, предсказанные (или теоретические, вычисленные из модели) значения были как можно ближе к тем, которые есть в датасете (эмпирические, истинные значения).

Парная, или одномерная (univariate) регрессия используется, когда вы хотите предсказать одно выходное значение (чаще всего обозначаемое $y$), зависящее от одного входного значения (обычно обозначается $x$). Сама функция называется функцией гипотезы или моделью. В качестве функции гипотезы для парной регрессии можно выбрать любую функцию, но мы пока потренируемся с самой простой функцией одной переменной — линейной функцией. Тогда нашу модель можно назвать парной линейной регрессией.

В случае парной линейной регрессии функция гипотезы имеет следующий общий вид:

[hat{y} = h_b (x) = b_0 + b_1 x]

Обратите внимание, что это похоже на уравнение прямой. Эта модель соответствует множеству всех возможных прямых на плоскости. Когда мы конкретизируем модель значениями параметров (в данном случае — $b_0$ и $b_1$), мы получаем конкретную прямую. И наша задача состоит в том, чтобы выбрать такую прямую, которая бы лучше всего “легла” в точки из нашей обучающей выборки.

В данном случае, мы пытаемся подобрать функцию h(x) таким образом, чтобы отобразить данные нам значения x в данные значения y.

Допустим, мы имеем следующий обучающий набор данных:

входная переменная x	выходная переменная y
0	4
1	7
2	7
3	8

Мы можем составить случайную гипотезу с параметрами $ b_0 = 2, b_1 = 2 $. Тогда для входного значения $ x=1 $ модель выдаст предсказание, что $ y=4 $, что на 3 меньше данного. Значение $y$б которое посчитала модель будем называть теоретическим или предсказанным (predicted), а значение, которое дано в наборе данных — эмпирическим или истинным (true). Задача регрессии состоит в нахождении таких параметров функции гипотезы, чтобы она отображала входные значения в выходные как можно более точно, или, другими словами, описывала линию, наиболее точно ложащуюся в данные точки на плоскости $(x, y)$.

Выводы:

Модель машинного обучения — это параметрическая функция.
Задача обучения состоит в том, чтобы подобрать параметры модели таким образом, чтобы она лучше всего описывала обучающие данные.
Парная линейная регрессия работает, если есть всего одна входящая переменная.
Парная линейная регрессия — одна из самых простых моделей машинного обучения.
Парная линейная регрессия соответствует множеству всех прямых на плоскости. Из них мы выбираем одну, наиболее подходящую.

Функция ошибки

Как мы уже говорили, разные значения параметров дают разные модели. Для того, чтобы подобрать наилучшую модель, нам нужно средство измерения “точности” модели, некоторая функция, которая показывает, насколько модель хорошо или плохо соответствует имеющимся данным.

Разные модели

В простых случаях мы можем отличить хорошие модели от плохих, только взглянув на график. Но это затруднительно, если количество признаков очень велико, если модели лишь немного отличаются друг от друга. Да и для автоматизации процесса нужен способ формализовать наше общее представление о том, что модель “ложится” в точки данных.

Такая функция называется функцией ошибки (cost function). Она измеряет отклонения теоретических значений (то есть тех, которые предсказывает модель) от эмпирических (то есть тех, которые есть в данных). Чем выше значение функции ошибки, тем хуже модель соответствует имеющимся данным, хуже описывает их. Если модель полностью соответствует данным, то значение функции ошибки будет нулевым.

Отклонения значений

В задачах регрессии в качестве функции ошибки чаще всего берут среднеквадратичное отклонение теоретических значений от эмпирических. То есть сумму квадратов отклонений, деленную на удвоенное количество измерений.

[J(b_0, b_1)
= frac{1}{2m} sum_{i=1}^{m} (hat{y_i} — y_i)^2
= frac{1}{2m} sum_{i=1}^{m} (h_b(x_i) — y_i)^2]

Эту функцию называют «функцией квадрата ошибки» или «среднеквадратичной ошибкой» (mean squared error, MSE). Среднее значение уменьшено вдвое для удобства вычисления градиентного спуска, так как производная квадратичной функции будет отменять множитель 1/2. Вообще, функцию ошибки можно свободно домножить или разделить на любое число (положительное), ведь нам не важна конкретная величина этой функции. Нам важно, что какие-то модели (то есть наборы значений параметров модели) имеют низкую ошибку, они нам подходят больше, а какие-то — высокую ошибку, они подходят нам меньше.

Возведение в квадрат в этой формуле нужно для того, чтобы положительные отклонения не компенсировали отрицательные. Можно было бы для этого брать, например, абсолютное значение, но эта функция не везде дифференцируема, а это станет нам важно позднее.

Обратите внимание, что в качестве аргументов у функции ошибки выступают параметры нашей функции гипотезы. Ведь функция ошибки оценивает отклонение конкретной функции гипотезы (то есть набора значений параметров этой функции) от эмпирических значений, то есть ставит в соответствие каждому набору параметров модели число, характеризующее ошибку этого набора.

Давайте проследим формирование функции ошибки на еще более простом примере. Возьмем упрощенную форму линейной модели — прямую пропорциональность. Она выражается формулой:

[hat{y} = h_b (x) = b_1 x]

Эта модель поможет нам, так как у нее всего один параметр. И функцию ошибки можно будет изобразить на плоскости. Возьмем фиксированный набор точек и попробуем несколько значений параметра для вычисления функции ошибки. Слева на графике изображены точки данных и текущая функция гипотезы, а на правом графике бы будем отмечать значение использованного параметра (по горизонтали) и получившуюся величину функции ошибки (по вертикали):