Проблемы использования метода мнк. Метод наименьших квадратов в Excel

Метод наименьших квадратов (МНК, англ. Ordinary Least Squares, OLS ) - математический метод, применяемый для решения различных задач, основанный на минимизации суммы квадратов отклонений некоторых функций от искомых переменных. Он может использоваться для «решения» переопределенных систем уравнений (когда количество уравнений превышает количество неизвестных), для поиска решения в случае обычных (не переопределенных) нелинейных систем уравнений, для аппроксимации точечных значений некоторой функции. МНК является одним из базовых методов регрессионного анализа для оценки неизвестных параметров регрессионных моделей по выборочным данным.

Энциклопедичный YouTube

    1 / 5

    ✪ Метод наименьших квадратов. Тема

    ✪ Митин И. В. - Обработка результатов физ. эксперимента - Метод наименьших квадратов (Лекция 4)

    ✪ Метод наименьших квадратов, урок 1/2. Линейная функция

    ✪ Эконометрика. Лекция 5 .Метод наименьших квадратов

    ✪ Метод наименьших квадратов. Ответы

    Субтитры

История

До начала XIX в. учёные не имели определённых правил для решения системы уравнений , в которой число неизвестных меньше, чем число уравнений; до этого времени употреблялись частные приёмы, зависевшие от вида уравнений и от остроумия вычислителей, и потому разные вычислители, исходя из тех же данных наблюдений, приходили к различным выводам. Гауссу (1795) принадлежит первое применение метода, а Лежандр (1805) независимо открыл и опубликовал его под современным названием (фр. Méthode des moindres quarrés ) . Лаплас связал метод с теорией вероятностей , а американский математик Эдрейн (1808) рассмотрел его теоретико-вероятностные приложения . Метод распространён и усовершенствован дальнейшими изысканиями Энке , Бесселя , Ганзена и других.

Сущность метода наименьших квадратов

Пусть x {\displaystyle x} - набор n {\displaystyle n} неизвестных переменных (параметров), f i (x) {\displaystyle f_{i}(x)} , , m > n {\displaystyle m>n} - совокупность функций от этого набора переменных. Задача заключается в подборе таких значений x {\displaystyle x} , чтобы значения этих функций были максимально близки к некоторым значениям y i {\displaystyle y_{i}} . По существу речь идет о «решении» переопределенной системы уравнений f i (x) = y i {\displaystyle f_{i}(x)=y_{i}} , i = 1 , … , m {\displaystyle i=1,\ldots ,m} в указанном смысле максимальной близости левой и правой частей системы. Сущность МНК заключается в выборе в качестве «меры близости» суммы квадратов отклонений левых и правых частей | f i (x) − y i | {\displaystyle |f_{i}(x)-y_{i}|} . Таким образом, сущность МНК может быть выражена следующим образом:

∑ i e i 2 = ∑ i (y i − f i (x)) 2 → min x {\displaystyle \sum _{i}e_{i}^{2}=\sum _{i}(y_{i}-f_{i}(x))^{2}\rightarrow \min _{x}} .

В случае, если система уравнений имеет решение, то минимум суммы квадратов будет равен нулю и могут быть найдены точные решения системы уравнений аналитически или, например, различными численными методами оптимизации. Если система переопределена, то есть, говоря нестрого, количество независимых уравнений больше количества искомых переменных, то система не имеет точного решения и метод наименьших квадратов позволяет найти некоторый «оптимальный» вектор x {\displaystyle x} в смысле максимальной близости векторов y {\displaystyle y} и f (x) {\displaystyle f(x)} или максимальной близости вектора отклонений e {\displaystyle e} к нулю (близость понимается в смысле евклидова расстояния).

Пример - система линейных уравнений

В частности, метод наименьших квадратов может использоваться для «решения» системы линейных уравнений

A x = b {\displaystyle Ax=b} ,

где A {\displaystyle A} прямоугольная матрица размера m × n , m > n {\displaystyle m\times n,m>n} (т.е. число строк матрицы A больше количества искомых переменных).

Такая система уравнений в общем случае не имеет решения. Поэтому эту систему можно «решить» только в смысле выбора такого вектора x {\displaystyle x} , чтобы минимизировать «расстояние» между векторами A x {\displaystyle Ax} и b {\displaystyle b} . Для этого можно применить критерий минимизации суммы квадратов разностей левой и правой частей уравнений системы, то есть (A x − b) T (A x − b) → min {\displaystyle (Ax-b)^{T}(Ax-b)\rightarrow \min } . Нетрудно показать, что решение этой задачи минимизации приводит к решению следующей системы уравнений

A T A x = A T b ⇒ x = (A T A) − 1 A T b {\displaystyle A^{T}Ax=A^{T}b\Rightarrow x=(A^{T}A)^{-1}A^{T}b} .

МНК в регрессионном анализе (аппроксимация данных)

Пусть имеется n {\displaystyle n} значений некоторой переменной y {\displaystyle y} (это могут быть результаты наблюдений, экспериментов и т. д.) и соответствующих переменных x {\displaystyle x} . Задача заключается в том, чтобы взаимосвязь между y {\displaystyle y} и x {\displaystyle x} аппроксимировать некоторой функцией , известной с точностью до некоторых неизвестных параметров b {\displaystyle b} , то есть фактически найти наилучшие значения параметров b {\displaystyle b} , максимально приближающие значения f (x , b) {\displaystyle f(x,b)} к фактическим значениям y {\displaystyle y} . Фактически это сводится к случаю «решения» переопределенной системы уравнений относительно b {\displaystyle b} :

F (x t , b) = y t , t = 1 , … , n {\displaystyle f(x_{t},b)=y_{t},t=1,\ldots ,n} .

В регрессионном анализе и в частности в эконометрике используются вероятностные модели зависимости между переменными

Y t = f (x t , b) + ε t {\displaystyle y_{t}=f(x_{t},b)+\varepsilon _{t}} ,

где ε t {\displaystyle \varepsilon _{t}} - так называемые случайные ошибки модели.

Соответственно, отклонения наблюдаемых значений y {\displaystyle y} от модельных f (x , b) {\displaystyle f(x,b)} предполагается уже в самой модели. Сущность МНК (обычного, классического) заключается в том, чтобы найти такие параметры b {\displaystyle b} , при которых сумма квадратов отклонений (ошибок, для регрессионных моделей их часто называют остатками регрессии) e t {\displaystyle e_{t}} будет минимальной:

b ^ O L S = arg ⁡ min b R S S (b) {\displaystyle {\hat {b}}_{OLS}=\arg \min _{b}RSS(b)} ,

где R S S {\displaystyle RSS} - англ. Residual Sum of Squares определяется как:

R S S (b) = e T e = ∑ t = 1 n e t 2 = ∑ t = 1 n (y t − f (x t , b)) 2 {\displaystyle RSS(b)=e^{T}e=\sum _{t=1}^{n}e_{t}^{2}=\sum _{t=1}^{n}(y_{t}-f(x_{t},b))^{2}} .

В общем случае решение этой задачи может осуществляться численными методами оптимизации (минимизации). В этом случае говорят о нелинейном МНК (NLS или NLLS - англ. Non-Linear Least Squares ). Во многих случаях можно получить аналитическое решение. Для решения задачи минимизации необходимо найти стационарные точки функции R S S (b) {\displaystyle RSS(b)} , продифференцировав её по неизвестным параметрам b {\displaystyle b} , приравняв производные к нулю и решив полученную систему уравнений:

∑ t = 1 n (y t − f (x t , b)) ∂ f (x t , b) ∂ b = 0 {\displaystyle \sum _{t=1}^{n}(y_{t}-f(x_{t},b)){\frac {\partial f(x_{t},b)}{\partial b}}=0} .

МНК в случае линейной регрессии

Пусть регрессионная зависимость является линейной:

y t = ∑ j = 1 k b j x t j + ε = x t T b + ε t {\displaystyle y_{t}=\sum _{j=1}^{k}b_{j}x_{tj}+\varepsilon =x_{t}^{T}b+\varepsilon _{t}} .

Пусть y - вектор-столбец наблюдений объясняемой переменной, а X {\displaystyle X} - это (n × k) {\displaystyle ({n\times k})} -матрица наблюдений факторов (строки матрицы - векторы значений факторов в данном наблюдении, по столбцам - вектор значений данного фактора во всех наблюдениях). Матричное представление линейной модели имеет вид:

y = X b + ε {\displaystyle y=Xb+\varepsilon } .

Тогда вектор оценок объясняемой переменной и вектор остатков регрессии будут равны

y ^ = X b , e = y − y ^ = y − X b {\displaystyle {\hat {y}}=Xb,\quad e=y-{\hat {y}}=y-Xb} .

соответственно сумма квадратов остатков регрессии будет равна

R S S = e T e = (y − X b) T (y − X b) {\displaystyle RSS=e^{T}e=(y-Xb)^{T}(y-Xb)} .

Дифференцируя эту функцию по вектору параметров b {\displaystyle b} и приравняв производные к нулю, получим систему уравнений (в матричной форме):

(X T X) b = X T y {\displaystyle (X^{T}X)b=X^{T}y} .

В расшифрованной матричной форме эта система уравнений выглядит следующим образом:

(∑ x t 1 2 ∑ x t 1 x t 2 ∑ x t 1 x t 3 … ∑ x t 1 x t k ∑ x t 2 x t 1 ∑ x t 2 2 ∑ x t 2 x t 3 … ∑ x t 2 x t k ∑ x t 3 x t 1 ∑ x t 3 x t 2 ∑ x t 3 2 … ∑ x t 3 x t k ⋮ ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ ∑ x t k x t 1 ∑ x t k x t 2 ∑ x t k x t 3 … ∑ x t k 2) (b 1 b 2 b 3 ⋮ b k) = (∑ x t 1 y t ∑ x t 2 y t ∑ x t 3 y t ⋮ ∑ x t k y t) , {\displaystyle {\begin{pmatrix}\sum x_{t1}^{2}&\sum x_{t1}x_{t2}&\sum x_{t1}x_{t3}&\ldots &\sum x_{t1}x_{tk}\\\sum x_{t2}x_{t1}&\sum x_{t2}^{2}&\sum x_{t2}x_{t3}&\ldots &\sum x_{t2}x_{tk}\\\sum x_{t3}x_{t1}&\sum x_{t3}x_{t2}&\sum x_{t3}^{2}&\ldots &\sum x_{t3}x_{tk}\\\vdots &\vdots &\vdots &\ddots &\vdots \\\sum x_{tk}x_{t1}&\sum x_{tk}x_{t2}&\sum x_{tk}x_{t3}&\ldots &\sum x_{tk}^{2}\\\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}b_{1}\\b_{2}\\b_{3}\\\vdots \\b_{k}\\\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}\sum x_{t1}y_{t}\\\sum x_{t2}y_{t}\\\sum x_{t3}y_{t}\\\vdots \\\sum x_{tk}y_{t}\\\end{pmatrix}},} где все суммы берутся по всем допустимым значениям t {\displaystyle t} .

Если в модель включена константа (как обычно), то x t 1 = 1 {\displaystyle x_{t1}=1} при всех t {\displaystyle t} , поэтому в левом верхнем углу матрицы системы уравнений находится количество наблюдений n {\displaystyle n} , а в остальных элементах первой строки и первого столбца - просто суммы значений переменных: ∑ x t j {\displaystyle \sum x_{tj}} и первый элемент правой части системы - ∑ y t {\displaystyle \sum y_{t}} .

Решение этой системы уравнений и дает общую формулу МНК-оценок для линейной модели:

b ^ O L S = (X T X) − 1 X T y = (1 n X T X) − 1 1 n X T y = V x − 1 C x y {\displaystyle {\hat {b}}_{OLS}=(X^{T}X)^{-1}X^{T}y=\left({\frac {1}{n}}X^{T}X\right)^{-1}{\frac {1}{n}}X^{T}y=V_{x}^{-1}C_{xy}} .

Для аналитических целей оказывается полезным последнее представление этой формулы (в системе уравнений при делении на n, вместо сумм фигурируют средние арифметические). Если в регрессионной модели данные центрированы , то в этом представлении первая матрица имеет смысл выборочной ковариационной матрицы факторов, а вторая - вектор ковариаций факторов с зависимой переменной. Если кроме того данные ещё и нормированы на СКО (то есть в конечном итоге стандартизированы ), то первая матрица имеет смысл выборочной корреляционной матрицы факторов, второй вектор - вектора выборочных корреляций факторов с зависимой переменной.

Немаловажное свойство МНК-оценок для моделей с константой - линия построенной регрессии проходит через центр тяжести выборочных данных, то есть выполняется равенство:

y ¯ = b 1 ^ + ∑ j = 2 k b ^ j x ¯ j {\displaystyle {\bar {y}}={\hat {b_{1}}}+\sum _{j=2}^{k}{\hat {b}}_{j}{\bar {x}}_{j}} .

В частности, в крайнем случае, когда единственным регрессором является константа, получаем, что МНК-оценка единственного параметра (собственно константы) равна среднему значению объясняемой переменной. То есть среднее арифметическое, известное своими хорошими свойствами из законов больших чисел, также является МНК-оценкой - удовлетворяет критерию минимума суммы квадратов отклонений от неё.

Простейшие частные случаи

В случае парной линейной регрессии y t = a + b x t + ε t {\displaystyle y_{t}=a+bx_{t}+\varepsilon _{t}} , когда оценивается линейная зависимость одной переменной от другой, формулы расчета упрощаются (можно обойтись без матричной алгебры). Система уравнений имеет вид:

(1 x ¯ x ¯ x 2 ¯) (a b) = (y ¯ x y ¯) {\displaystyle {\begin{pmatrix}1&{\bar {x}}\\{\bar {x}}&{\bar {x^{2}}}\\\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}a\\b\\\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}{\bar {y}}\\{\overline {xy}}\\\end{pmatrix}}} .

Отсюда несложно найти оценки коэффициентов:

{ b ^ = Cov ⁡ (x , y) Var ⁡ (x) = x y ¯ − x ¯ y ¯ x 2 ¯ − x ¯ 2 , a ^ = y ¯ − b x ¯ . {\displaystyle {\begin{cases}{\hat {b}}={\frac {\mathop {\textrm {Cov}} (x,y)}{\mathop {\textrm {Var}} (x)}}={\frac {{\overline {xy}}-{\bar {x}}{\bar {y}}}{{\overline {x^{2}}}-{\overline {x}}^{2}}},\\{\hat {a}}={\bar {y}}-b{\bar {x}}.\end{cases}}}

Несмотря на то что в общем случае модели с константой предпочтительней, в некоторых случаях из теоретических соображений известно, что константа a {\displaystyle a} должна быть равна нулю. Например, в физике зависимость между напряжением и силой тока имеет вид U = I ⋅ R {\displaystyle U=I\cdot R} ; замеряя напряжение и силу тока, необходимо оценить сопротивление. В таком случае речь идёт о модели y = b x {\displaystyle y=bx} . В этом случае вместо системы уравнений имеем единственное уравнение

(∑ x t 2) b = ∑ x t y t {\displaystyle \left(\sum x_{t}^{2}\right)b=\sum x_{t}y_{t}} .

Следовательно, формула оценки единственного коэффициента имеет вид

B ^ = ∑ t = 1 n x t y t ∑ t = 1 n x t 2 = x y ¯ x 2 ¯ {\displaystyle {\hat {b}}={\frac {\sum _{t=1}^{n}x_{t}y_{t}}{\sum _{t=1}^{n}x_{t}^{2}}}={\frac {\overline {xy}}{\overline {x^{2}}}}} .

Случай полиномиальной модели

Если данные аппроксимируются полиномиальной функцией регрессии одной переменной f (x) = b 0 + ∑ i = 1 k b i x i {\displaystyle f(x)=b_{0}+\sum \limits _{i=1}^{k}b_{i}x^{i}} , то, воспринимая степени x i {\displaystyle x^{i}} как независимые факторы для каждого i {\displaystyle i} можно оценить параметры модели исходя из общей формулы оценки параметров линейной модели. Для этого в общую формулу достаточно учесть, что при такой интерпретации x t i x t j = x t i x t j = x t i + j {\displaystyle x_{ti}x_{tj}=x_{t}^{i}x_{t}^{j}=x_{t}^{i+j}} и x t j y t = x t j y t {\displaystyle x_{tj}y_{t}=x_{t}^{j}y_{t}} . Следовательно, матричные уравнения в данном случае примут вид:

(n ∑ n x t … ∑ n x t k ∑ n x t ∑ n x i 2 … ∑ m x i k + 1 ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ ∑ n x t k ∑ n x t k + 1 … ∑ n x t 2 k) [ b 0 b 1 ⋮ b k ] = [ ∑ n y t ∑ n x t y t ⋮ ∑ n x t k y t ] . {\displaystyle {\begin{pmatrix}n&\sum \limits _{n}x_{t}&\ldots &\sum \limits _{n}x_{t}^{k}\\\sum \limits _{n}x_{t}&\sum \limits _{n}x_{i}^{2}&\ldots &\sum \limits _{m}x_{i}^{k+1}\\\vdots &\vdots &\ddots &\vdots \\\sum \limits _{n}x_{t}^{k}&\sum \limits _{n}x_{t}^{k+1}&\ldots &\sum \limits _{n}x_{t}^{2k}\end{pmatrix}}{\begin{bmatrix}b_{0}\\b_{1}\\\vdots \\b_{k}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}\sum \limits _{n}y_{t}\\\sum \limits _{n}x_{t}y_{t}\\\vdots \\\sum \limits _{n}x_{t}^{k}y_{t}\end{bmatrix}}.}

Статистические свойства МНК-оценок

В первую очередь, отметим, что для линейных моделей МНК-оценки являются линейными оценками, как это следует из вышеприведённой формулы. Для несмещенности МНК-оценок необходимо и достаточно выполнения важнейшего условия регрессионного анализа : условное по факторам математическое ожидание случайной ошибки должно быть равно нулю. Данное условие, в частности, выполнено, если

  1. математическое ожидание случайных ошибок равно нулю, и
  2. факторы и случайные ошибки - независимые случайные величины .

Второе условие - условие экзогенности факторов - принципиальное. Если это свойство не выполнено, то можно считать, что практически любые оценки будут крайне неудовлетворительными: они не будут даже состоятельными (то есть даже очень большой объём данных не позволяет получить качественные оценки в этом случае). В классическом случае делается более сильное предположение о детерминированности факторов, в отличие от случайной ошибки, что автоматически означает выполнение условия экзогенности. В общем случае для состоятельности оценок достаточно выполнения условия экзогенности вместе со сходимостью матрицы V x {\displaystyle V_{x}} к некоторой невырожденной матрице при увеличении объёма выборки до бесконечности.

Для того, чтобы кроме состоятельности и несмещенности , оценки (обычного) МНК были ещё и эффективными (наилучшими в классе линейных несмещенных оценок) необходимо выполнение дополнительных свойств случайной ошибки:

Данные предположения можно сформулировать для ковариационной матрицы вектора случайных ошибок V (ε) = σ 2 I {\displaystyle V(\varepsilon)=\sigma ^{2}I} .

Линейная модель, удовлетворяющая таким условиям, называется классической . МНК-оценки для классической линейной регрессии являются несмещёнными , состоятельными и наиболее эффективными оценками в классе всех линейных несмещённых оценок (в англоязычной литературе иногда употребляют аббревиатуру BLUE (Best Linear Unbiased Estimator ) - наилучшая линейная несмещённая оценка; в отечественной литературе чаще приводится теорема Гаусса - Маркова). Как нетрудно показать, ковариационная матрица вектора оценок коэффициентов будет равна:

V (b ^ O L S) = σ 2 (X T X) − 1 {\displaystyle V({\hat {b}}_{OLS})=\sigma ^{2}(X^{T}X)^{-1}} .

Эффективность означает, что эта ковариационная матрица является «минимальной» (любая линейная комбинация коэффициентов, и в частности сами коэффициенты, имеют минимальную дисперсию), то есть в классе линейных несмещенных оценок оценки МНК-наилучшие. Диагональные элементы этой матрицы - дисперсии оценок коэффициентов - важные параметры качества полученных оценок. Однако рассчитать ковариационную матрицу невозможно, поскольку дисперсия случайных ошибок неизвестна. Можно доказать, что несмещённой и состоятельной (для классической линейной модели) оценкой дисперсии случайных ошибок является величина:

S 2 = R S S / (n − k) {\displaystyle s^{2}=RSS/(n-k)} .

Подставив данное значение в формулу для ковариационной матрицы и получим оценку ковариационной матрицы. Полученные оценки также являются несмещёнными и состоятельными . Важно также то, что оценка дисперсии ошибок (а значит и дисперсий коэффициентов) и оценки параметров модели являются независимыми случайными величинами, что позволяет получить тестовые статистики для проверки гипотез о коэффициентах модели.

Необходимо отметить, что если классические предположения не выполнены, МНК-оценки параметров не являются наиболее эффективными и, где W {\displaystyle W} - некоторая симметрическая положительно определенная весовая матрица. Обычный МНК является частным случаем данного подхода, когда весовая матрица пропорциональна единичной матрице. Как известно, для симметрических матриц (или операторов) существует разложение W = P T P {\displaystyle W=P^{T}P} . Следовательно, указанный функционал можно представить следующим образом e T P T P e = (P e) T P e = e ∗ T e ∗ {\displaystyle e^{T}P^{T}Pe=(Pe)^{T}Pe=e_{*}^{T}e_{*}} , то есть этот функционал можно представить как сумму квадратов некоторых преобразованных «остатков». Таким образом, можно выделить класс методов наименьших квадратов - LS-методы (Least Squares).

Доказано (теорема Айткена), что для обобщенной линейной регрессионной модели (в которой на ковариационную матрицу случайных ошибок не налагается никаких ограничений) наиболее эффективными (в классе линейных несмещенных оценок) являются оценки т. н. обобщенного МНК (ОМНК, GLS - Generalized Least Squares) - LS-метода с весовой матрицей, равной обратной ковариационной матрице случайных ошибок: W = V ε − 1 {\displaystyle W=V_{\varepsilon }^{-1}} .

Можно показать, что формула ОМНК-оценок параметров линейной модели имеет вид

B ^ G L S = (X T V − 1 X) − 1 X T V − 1 y {\displaystyle {\hat {b}}_{GLS}=(X^{T}V^{-1}X)^{-1}X^{T}V^{-1}y} .

Ковариационная матрица этих оценок соответственно будет равна

V (b ^ G L S) = (X T V − 1 X) − 1 {\displaystyle V({\hat {b}}_{GLS})=(X^{T}V^{-1}X)^{-1}} .

Фактически сущность ОМНК заключается в определенном (линейном) преобразовании (P) исходных данных и применении обычного МНК к преобразованным данным. Цель этого преобразования - для преобразованных данных случайные ошибки уже удовлетворяют классическим предположениям.

Взвешенный МНК

В случае диагональной весовой матрицы (а значит и ковариационной матрицы случайных ошибок) имеем так называемый взвешенный МНК (WLS - Weighted Least Squares). В данном случае минимизируется взвешенная сумма квадратов остатков модели, то есть каждое наблюдение получает «вес», обратно пропорциональный дисперсии случайной ошибки в данном наблюдении: e T W e = ∑ t = 1 n e t 2 σ t 2 {\displaystyle e^{T}We=\sum _{t=1}^{n}{\frac {e_{t}^{2}}{\sigma _{t}^{2}}}} . Фактически данные преобразуются взвешиванием наблюдений (делением на величину, пропорциональную предполагаемому стандартному отклонению случайных ошибок), а к взвешенным данным применяется обычный МНК.

ISBN 978-5-7749-0473-0 .

  • Эконометрика. Учебник / Под ред. Елисеевой И. И. - 2-е изд. - М. : Финансы и статистика, 2006. - 576 с. - ISBN 5-279-02786-3 .
  • Александрова Н. В. История математических терминов, понятий, обозначений: словарь-справочник. - 3-е изд.. - М. : ЛКИ, 2008. - 248 с. - ISBN 978-5-382-00839-4 . И.В Митин, Русаков В.С. Анализ и обработка экспериментальных данных- 5-е издание- 24с.

    • Пример.

    Экспериментальные данные о значениях переменных х и у приведены в таблице.

    В результате их выравнивания получена функция

    Используя метод наименьших квадратов , аппроксимировать эти данные линейной зависимостью y=ax+b (найти параметры а и b ). Выяснить, какая из двух линий лучше (в смысле метода наименьших квадратов) выравнивает экспериментальные данные. Сделать чертеж.

    Суть метода наименьших квадратов (МНК).

    Задача заключается в нахождении коэффициентов линейной зависимости, при которых функция двух переменных а и b принимает наименьшее значение. То есть, при данных а и b сумма квадратов отклонений экспериментальных данных от найденной прямой будет наименьшей. В этом вся суть метода наименьших квадратов.

    Таким образом, решение примера сводится к нахождению экстремума функции двух переменных.

    Вывод формул для нахождения коэффициентов.

    Составляется и решается система из двух уравнений с двумя неизвестными. Находим частные производные функции по переменным а и b , приравниваем эти производные к нулю.

    Решаем полученную систему уравнений любым методом (например методом подстановки или ) и получаем формулы для нахождения коэффициентов по методу наименьших квадратов (МНК).

    При данных а и b функция принимает наименьшее значение. Доказательство этого факта приведено .

    Вот и весь метод наименьших квадратов. Формула для нахождения параметра a содержит суммы , , , и параметр n - количество экспериментальных данных. Значения этих сумм рекомендуем вычислять отдельно. Коэффициент b находится после вычисления a .

    Пришло время вспомнить про исходый пример.

    Решение.

    В нашем примере n=5 . Заполняем таблицу для удобства вычисления сумм, которые входят в формулы искомых коэффициентов.

    Значения в четвертой строке таблицы получены умножением значений 2-ой строки на значения 3-ей строки для каждого номера i .

    Значения в пятой строке таблицы получены возведением в квадрат значений 2-ой строки для каждого номера i .

    Значения последнего столбца таблицы – это суммы значений по строкам.

    Используем формулы метода наименьших квадратов для нахождения коэффициентов а и b . Подставляем в них соответствующие значения из последнего столбца таблицы:

    Следовательно, y = 0.165x+2.184 - искомая аппроксимирующая прямая.

    Осталось выяснить какая из линий y = 0.165x+2.184 или лучше аппроксимирует исходные данные, то есть произвести оценку методом наименьших квадратов.

    Оценка погрешности метода наименьших квадратов.

    Для этого требуется вычислить суммы квадратов отклонений исходных данных от этих линий и , меньшее значение соответствует линии, которая лучше в смысле метода наименьших квадратов аппроксимирует исходные данные.

    Так как , то прямая y = 0.165x+2.184 лучше приближает исходные данные.

    Графическая иллюстрация метода наименьших квадратов (мнк).

    На графиках все прекрасно видно. Красная линия – это найденная прямая y = 0.165x+2.184 , синяя линия – это , розовые точки – это исходные данные.

    Для чего это нужно, к чему все эти аппроксимации?

    Я лично использую для решения задач сглаживания данных, задач интерполяции и экстраполяции (в исходном примере могли бы попросить найти занчение наблюдаемой величины y при x=3 или при x=6 по методу МНК). Но подробнее поговорим об этом позже в другом разделе сайта.

    Доказательство.

    Чтобы при найденных а и b функция принимала наименьшее значение, необходимо чтобы в этой точке матрица квадратичной формы дифференциала второго порядка для функции была положительно определенной. Покажем это.

    Метод наименьших квадратов (МНК) позволяет оценивать различные величины, используя результаты множества измерений, содержащих случайные ошибки.

    Характеристика МНК

    Основная идея данного метода состоит в том, что в качестве критерия точности решения задачи рассматривается сумма квадратов ошибок, которую стремятся свести к минимуму. При использовании этого метода можно применять как численный, так и аналитический подход.

    В частности, в качестве численной реализации метод наименьших квадратов подразумевает проведение как можно большего числа измерений неизвестной случайной величины. Причем, чем больше вычислений, тем точнее будет решение. На этом множестве вычислений (исходных данных) получают другое множество предполагаемых решений, из которого затем выбирается наилучшее. Если множество решений параметризировать, то метод наименьших квадратов сведется к поиску оптимального значения параметров.

    В качестве аналитического подхода к реализации МНК на множестве исходных данных (измерений) и предполагаемом множестве решений определяется некоторая (функционал), которую можно выразить формулой, получаемой в качестве некоторой гипотезы, требующей подтверждения. В этом случае метод наименьших квадратов сводится к нахождению минимума этого функционала на множестве квадратов ошибок исходных данных.

    Заметьте, что не сами ошибки, а именно квадраты ошибок. Почему? Дело в том, что зачастую отклонения измерений от точного значения бывают как положительными, так и отрицательными. При определении средней простое суммирование может привести к неверному выводу о качестве оценки, поскольку взаимное уничтожение положительных и отрицательных значений понизит мощность выборки множества измерений. А, следовательно, и точность оценки.

    Для того чтобы этого не произошло, и суммируют квадраты отклонений. Даже более того, чтобы выровнять размерность измеряемой величины и итоговой оценки, из суммы квадратов погрешностей извлекают

    Некоторые приложения МНК

    МНК широко используется в различных областях. Например, в теории вероятностей и математической статистике метод используется для определения такой характеристики случайной величины, как среднее квадратическое отклонение, определяющей ширину диапазона значений случайной величины.

    Сущность метода наименьших квадратов заключается в отыскании параметров модели тренда, которая лучше всего описывает тенденцию развития какого-либо случайного явления во времени или в пространстве (тренд – это линия, которая и характеризует тенденцию этого развития). Задача метода наименьших квадратов (МНК) сводится к нахождению не просто какой-то модели тренда, а к нахождению лучшей или оптимальной модели. Эта модель будет оптимальной, если сумма квадратических отклонений между наблюдаемыми фактическими величинами и соответствующими им расчетными величинами тренда будет минимальной (наименьшей):

    где - квадратичное отклонение между наблюдаемой фактической величиной

    и соответствующей ей расчетной величиной тренда,

    Фактическое (наблюдаемое) значение изучаемого явления,

    Расчетное значение модели тренда,

    Число наблюдений за изучаемым явлением.

    МНК самостоятельно применяется довольно редко. Как правило, чаще всего его используют лишь в качестве необходимого технического приема при корреляционных исследованиях. Следует помнить, что информационной основой МНК может быть только достоверный статистический ряд, причем число наблюдений не должно быть меньше 4-х, иначе, сглаживающие процедуры МНК могут потерять здравый смысл.

    Инструментарий МНК сводится к следующим процедурам:

    Первая процедура. Выясняется, существует ли вообще какая-либо тенденция изменения результативного признака при изменении выбранного фактора-аргумента, или другими словами, есть ли связь между «у » и «х ».

    Вторая процедура. Определяется, какая линия (траектория) способна лучше всего описать или охарактеризовать эту тенденцию.

    Третья процедура.

    Пример . Допустим, мы имеем информацию о средней урожайности подсолнечника по исследуемому хозяйству (табл. 9.1).

    Таблица 9.1

    Номер наблюдения

    Урожайность, ц/га

    Поскольку уровень технологии при производстве подсолнечника в нашей стране за последние 10 лет практически не изменился, значит, по всей видимости, колебания урожайности в анализируемый период очень сильно зависели от колебания погодно-климатических условий. Действительно ли это так?

    Первая процедура МНК. Проверяется гипотеза о существовании тенденции изменения урожайности подсолнечника в зависимости от изменения погодно-климатических условий за анализируемые 10 лет.

    В данном примере за «y » целесообразно принять урожайность подсолнечника, а за «x » – номер наблюдаемого года в анализируемом периоде. Проверку гипотезы о существовании какой-либо взаимосвязи между «x » и «y » можно выполнить двумя способами: вручную и при помощи компьютерных программ. Конечно, при наличии компьютерной техники данная проблема решается сама собой. Но, чтобы лучше понять инструментарий МНК целесообразно выполнить проверку гипотезы о существовании связи между «x » и «y » вручную, когда под рукой находятся только ручка и обыкновенный калькулятор. В таких случаях гипотезу о существовании тенденции лучше всего проверить визуальным способом по расположению графического изображения анализируемого ряда динамики - корреляционного поля:

    Корреляционное поле в нашем примере расположено вокруг медленно возрастающей линии. Это уже само по себе говорит о существовании определенной тенденции в изменении урожайности подсолнечника. Нельзя говорить о наличии какой-либо тенденции лишь тогда, когда корреляционное поле похоже на круг, окружность, строго вертикальное или строго горизонтальное облако, или же состоит из хаотично разбросанных точек. Во всех остальных случаях следует подтвердить гипотезу о существовании взаимосвязи между «x » и «y », и продолжить исследования.

    Вторая процедура МНК. Определяется, какая линия (траектория) способна лучше всего описать или охарактеризовать тенденцию изменения урожайности подсолнечника за анализируемый период.

    При наличии компьютерной техники подбор оптимального тренда происходит автоматически. При «ручной» обработке выбор оптимальной функции осуществляется, как правило, визуальным способом – по расположению корреляционного поля. То есть, по виду графика подбирается уравнение линии, которая лучше всего подходит к эмпирическому тренду (к фактической траектории).

    Как известно, в природе существует огромное разнообразие функциональных зависимостей, поэтому визуальным способом проанализировать даже незначительную их часть - крайне затруднительно. К счастью, в реальной экономической практике большинство взаимосвязей достаточно точно могут быть описаны или параболой, или гиперболой, или же прямой линией. В связи с этим, при «ручном» варианте подбора лучшей функции, можно ограничиться только этими тремя моделями.

    Гипербола:

    Парабола второго порядка: :

    Нетрудно заметить, что в нашем примере лучше всего тенденцию изменения урожайности подсолнечника за анализируемые 10 лет характеризует прямая линия, поэтому уравнением регрессии будет уравнение прямой.

    Третья процедура. Рассчитываются параметры регрессионного уравнения, характеризующего данную линию, или другими словами, определяется аналитическая формула, описывающая лучшую модель тренда.

    Нахождение значений параметров уравнения регрессии, в нашем случае параметров и , является сердцевиной МНК. Данный процесс сводится к решению системы нормальных уравнений.

    (9.2)

    Эта система уравнений довольно легко решается методом Гаусса. Напомним, что в результате решения, в нашем примере, находятся значения параметров и . Таким образом, найденное уравнение регрессии будет иметь следующий вид:

    Если некоторая физическая величина зависит от другой величины, то эту зависимость можно исследовать, измеряя y при различных значениях x . В результате измерений получается ряд значений:

    x 1 , x 2 , ..., x i , ... , x n ;

    y 1 , y 2 , ..., y i , ... , y n .

    По данным такого эксперимента можно построить график зависимости y = ƒ(x). Полученная кривая дает возможность судить о виде функции ƒ(x). Однако постоянные коэффициенты, которые входят в эту функцию, остаются неизвестными. Определить их позволяет метод наименьших квадратов. Экспериментальные точки, как правило, не ложатся точно на кривую. Метод наименьших квадратов требует, чтобы сумма квадратов отклонений экспериментальных точек от кривой, т.е. 2 была наименьшей.

    На практике этот метод наиболее часто (и наиболее просто) используется в случае линейной зависимости, т.е. когда

    y = kx или y = a + bx.

    Линейная зависимость очень широко распространена в физике. И даже когда зависимость нелинейная, обычно стараются строить график так, чтобы получить прямую линию. Например, если предполагают, что показатель преломления стекла n связан с длиной λ световой волны соотношением n = a + b/λ 2 , то на графике строят зависимость n от λ -2 .

    Рассмотрим зависимость y = kx (прямая, проходящая через начало координат). Составим величину φ – сумму квадратов отклонений наших точек от прямой

    Величина φ всегда положительна и оказывается тем меньше, чем ближе к прямой лежат наши точки. Метод наименьших квадратов утверждает, что для k следует выбирать такое значение, при котором φ имеет минимум


    или
    (19)

    Вычисление показывает, что среднеквадратичная ошибка определения величины k равна при этом

    , (20)
    где – n число измерений.

    Рассмотрим теперь несколько более трудный случай, когда точки должны удовлетворить формуле y = a + bx (прямая, не проходящая через начало координат).

    Задача состоит в том, чтобы по имеющемуся набору значений x i , y i найти наилучшие значения a и b.

    Снова составим квадратичную форму φ , равную сумме квадратов отклонений точек x i , y i от прямой

    и найдем значения a и b , при которых φ имеет минимум

    ;

    .

    .

    Совместное решение этих уравнений дает

    (21)

    Среднеквадратичные ошибки определения a и b равны

    (23)

    .  (24)

    При обработке результатов измерения этим методом удобно все данные сводить в таблицу, в которой предварительно подсчитываются все суммы, входящие в формулы (19)–(24). Формы этих таблиц приведены в рассматриваемых ниже примерах.

    Пример 1. Исследовалось основное уравнение динамики вращательного движения ε = M/J (прямая, проходящая через начало координат). При различных значениях момента M измерялось угловое ускорение ε некоторого тела. Требуется определить момент инерции этого тела. Результаты измерений момента силы и углового ускорения занесены во второй и третий столбцы таблицы 5 .

    Таблица 5
    n M, Н · м ε, c -1 M 2 M · ε ε - kM (ε - kM) 2
    1 1.44 0.52 2.0736 0.7488 0.039432 0.001555
    2 3.12 1.06 9.7344 3.3072 0.018768 0.000352
    3 4.59 1.45 21.0681 6.6555 -0.08181 0.006693
    4 5.90 1.92 34.81 11.328 -0.049 0.002401
    5 7.45 2.56 55.5025 19.072 0.073725 0.005435
    ∑ – – 123.1886 41.1115 – 0.016436

    По формуле (19) определяем:

    .

    Для определения среднеквадратичной ошибки воспользуемся формулой (20)

    0.005775 кг -1 · м -2 .

    По формуле (18) имеем

    ; .

    S J = (2.996 · 0.005775)/0.3337 = 0.05185 кг · м 2 .

    Задавшись надежностью P = 0.95 , по таблице коэффициентов Стьюдента для n = 5, находим t = 2.78 и определяем абсолютную ошибку ΔJ = 2.78 · 0.05185 = 0.1441 ≈ 0.2 кг · м 2 .

    Результаты запишем в виде:

    J = (3.0 ± 0.2) кг · м 2 ;


    Пример 2. Вычислим температурный коэффициент сопротивления металла по методу наименьших квадратов. Сопротивление зависит от температуры по линейному закону

    R t = R 0 (1 + α t°) = R 0 + R 0 α t°.

    Свободный член определяет сопротивление R 0 при температуре 0° C , а угловой коэффициент – произведение температурного коэффициента α на сопротивление R 0 .

    Результаты измерений и расчетов приведены в таблице (см. таблицу 6 ).

    Таблица 6
    n t°, c r, Ом t-¯ t (t-¯ t) 2 (t-¯ t)r r - bt - a (r - bt - a) 2 ,10 -6
    1 23 1.242 -62.8333 3948.028 -78.039 0.007673 58.8722
    2 59 1.326 -26.8333 720.0278 -35.581 -0.00353 12.4959
    3 84 1.386 -1.83333 3.361111 -2.541 -0.00965 93.1506
    4 96 1.417 10.16667 103.3611 14.40617 -0.01039 107.898
    5 120 1.512 34.16667 1167.361 51.66 0.021141 446.932
    6 133 1.520 47.16667 2224.694 71.69333 -0.00524 27.4556
    ∑ 515 8.403 – 8166.833 21.5985 – 746.804
    ∑/n 85.83333 1.4005 – – – – –

    По формулам (21), (22) определяем

    R 0 = ¯ R- α R 0 ¯ t = 1.4005 - 0.002645 · 85.83333 = 1.1735 Ом .

    Найдем ошибку в определении α. Так как , то по формуле (18) имеем:

    .

    Пользуясь формулами (23), (24) имеем

    ;

    0.014126 Ом .

    Задавшись надежностью P = 0.95, по таблице коэффициентов Стьюдента для n = 6, находим t = 2.57 и определяем абсолютную ошибку Δα = 2.57 · 0.000132 = 0.000338 град -1 .

    α = (23 ± 4) · 10 -4 град -1 при P = 0.95.


    Пример 3. Требуется определить радиус кривизны линзы по кольцам Ньютона. Измерялись радиусы колец Ньютона r m и определялись номера этих колец m. Радиусы колец Ньютона связаны с радиусом кривизны линзы R и номером кольца уравнением

    r 2 m = mλR - 2d 0 R,

    где d 0 – толщина зазора между линзой и плоскопараллельной пластинкой (или деформация линзы),

    λ – длина волны падающего света.

    λ = (600 ± 6) нм;
    r 2 m = y;
    m = x;
    λR = b;
    -2d 0 R = a,

    тогда уравнение примет вид y = a + bx .

    .

    Результаты измерений и вычислений занесены в таблицу 7 .

    Таблица 7
    n x = m y = r 2 , 10 -2 мм 2 m -¯ m (m -¯ m) 2 (m -¯ m)y y - bx - a, 10 -4 (y - bx - a) 2 , 10 -6
    1 1 6.101 -2.5 6.25 -0.152525 12.01 1.44229
    2 2 11.834 -1.5 2.25 -0.17751 -9.6 0.930766
    3 3 17.808 -0.5 0.25 -0.08904 -7.2 0.519086
    4 4 23.814 0.5 0.25 0.11907 -1.6 0.0243955
    5 5 29.812 1.5 2.25 0.44718 3.28 0.107646
    6 6 35.760 2.5 6.25 0.894 3.12 0.0975819
    ∑ 21 125.129 – 17.5 1.041175 – 3.12176
    ∑/n 3.5 20.8548333 – – – – –