Abschnitt 5
Allgemeine Herleitung
Es ist nun Zeit, dass wir uns etwas an die allgemeine Herleitung der Regressionsgeraden wagen. Genauer werden wir mit Hilfe des Schwerpunktsatzes den folgenden Satz beweisen.
Satz: Regressionsgerade
Gegeben seien \(n\) (\(n>1\)) Datenpunkte \((x_1,y_1), (x_2,y_2), \dots, (x_n,y_n)\). Dann ist die Regressionsgerade \(y = m \cdot x + b\) gegeben durch
\[ m = \frac{s_{xy}}{s_{xx}} \quad\text{und}\quad b = \bar{y} - m \cdot \bar{x}, \]
wobei
\[ s_{xy} = \sum_{i=1}^{n} (x_i - \bar{x}) \cdot (y_i - \bar{y}) \quad\text{und}\quad s_{xx} = \sum_{i=1}^{n} (x_i - \bar{x})^2. \]
Berechnen Sie eine Geradengleichung der Regressionsgeraden durch die Punkte A(0,0), B(2,3), C(3,4) und D(7,5) — die Punkte aus Übung 1.02 — diesmal mit Hilfe des Satzes oben.
Lösungsvorschlag
Natürlich dieselbe Gerade wie in Übung 1.02: \(y = \frac{17}{26} \cdot x + \frac{27}{26}\).
Beweis des Satzes
Der Beweis des Schwerpunktsatzes (der auf Seite 1 unbewiesen blieb) folgt weiter unten in einer eigenen Übung und ist etwas trickreich.
Beweisskizze
Wir müssen zeigen, dass \(m \cdot x + b\) so gewählt werden muss, dass die Summe der Residuenquadrate \(S(m,b) = \sum_{i=1}^{n} (m \cdot x_i + b - y_i)^2\) minimal wird. Der Trick besteht darin, den Term \((m \cdot x_i + b - y_i)\) geschickt um den Schwerpunkt \((\bar{x}, \bar{y})\) umzuschreiben:
\[ \sum_{i=1}^{n} (m \cdot x_i + b - y_i)^2 = n \cdot (m \cdot \bar{x} + b - \bar{y})^2 + \sum_{i=1}^{n} (m \cdot (x_i - \bar{x}) - y_i + \bar{y})^2 \]
Der zweite Summand hängt gar nicht mehr von \(b\) ab. Der erste Summand ist ein Quadrat und wird für festes \(m\) genau dann minimal (nämlich 0), wenn \(b = \bar{y} - m \cdot \bar{x}\) gilt — das ist bereits die zweite Gleichung des Satzes. Setzt man das ein, bleibt nur noch der zweite Summand übrig, den man (quadratische Ergänzung nach \(m\)) für \(m = s_{xy}/s_{xx}\) minimiert.
Übungen: Abstrakter rechnen
Berechnen Sie die folgenden Summen.
- \(\displaystyle\sum_{i=1}^{4} 2 \cdot i\)
- \(\displaystyle\sum_{k=2}^{6} k^2\)
- \(\displaystyle\sum_{i=3}^{5} \left( \sum_{k=2}^{3} i \cdot k \right)\)
Lösungsvorschlag
- 20
- 90
- 60
Lösungsvorschlag (summen.py)
Gegeben sind die Punkte A(0,0), B(3,0) und C(0,3). Berechnen Sie mit Hilfe der Definition aus Abschnitt 4 den entsprechenden empirischen Korrelationskoeffizienten \(r\).
Lösungsvorschlag
\(r = -\frac{1}{2}\)
Lösungsvorschlag (r-rechteck.py)
Der Statistiker bevorzugt im Allgemeinen das Kleinste-Quadrate-Kriterium \(\sum e_i^2\) vor \(\sum |e_i|\) (bei uns war \(e_i = y_i - m \cdot x_i - b\)), wenn er seinen Daten eine Gerade anpasst. Tatsächlich sind Summen von quadratischen Funktionen mathematisch einfacher zu handhaben als Summen von Betragsfunktionen.
- Stellen Sie die Funktionen \(y=(x-2)^2\) und \(y=|x-2|\) graphisch dar. Vergleichen Sie Verlauf, Symmetrie, Minimum.
- Vergleichen Sie entsprechend \(y=(x-2)^2+(x+3)^2\) und \(y=|x-2|+|x+3|\).
- Betrachten Sie nun die Summen von mehr als zwei Funktionen. Welchen Vorteil haben quadratische Funktionen, wenn das Minimum der Summe interessiert?
-
Passen Sie dem (fiktiven) Datensatz {(1,1), (5,1)}
eine Ursprungsgerade \(y=m \cdot x\) an, indem Sie einmal
\(\sum e_i^2\) und einmal \(\sum |e_i|\)
minimieren.
(Hinweis:
scipy.optimize.minimize_scalarminimiert eine beliebige Funktion einer Variablen.) - Vergleichen und kommentieren Sie beide Anpassungsmethoden.
Zu dieser Übung gibt es im gedruckten Skript keine Musterlösung — probieren Sie sich unten aus.
Finden Sie ein Beispiel von 5 Punkten, die nicht auf einer Geraden liegen, so dass der empirische Korrelationskoeffizient gleich Null ist.
Lösungsvorschlag
Zum Beispiel A(0,0), B(1,1), C(2,4), D(−1,1) und E(−2,4) — eine symmetrische Parabel um x=0: Für jeden Anstieg auf der rechten Seite gibt es einen spiegelbildlichen Punkt links, wodurch sich der lineare Zusammenhang gegenseitig aufhebt.
Lösungsvorschlag (fuenf-punkte-r0.py)
Gegeben sind die Punkte A(0,0), B(1,2) und C(3,1), wie in Übung 1.01. Berechnen Sie eine Gleichung der Regressionsgeraden zu den Punkten A, B und C mit Hilfe der quadratischen Ergänzung. Sie dürfen jetzt aber den Schwerpunktsatz nicht benutzen!
Hinweis: Stellen Sie die Summe der Residuenquadrate in Abhängigkeit von \(m\) und \(b\) auf. Dann ergänzen Sie erst quadratisch bezüglich \(m\).
Lösungsvorschlag
\(y = \frac{3}{14} \cdot x + \frac{5}{7}\) — genau dieselbe Gerade wie in Übung 1.01, diesmal ganz ohne den Schwerpunktsatz zu benutzen.
Beweisen Sie den Schwerpunktsatz.
Hinweis: Zeigen Sie zuerst, dass gilt
\[ \sum_{i=1}^{n} (m \cdot x_i + b - y_i)^2 = n \cdot (m \cdot \bar{x} + b - \bar{y})^2 + \sum_{i=1}^{n} (m \cdot (x_i - \bar{x}) - y_i + \bar{y})^2 \]
(dieselbe Umformung wie in der Beweisskizze weiter oben) und überlegen Sie sich, was daraus für b folgt, wenn m fest ist und die Summe minimal werden soll.
Dies ist eine reine Papier-und-Bleistift-Übung — es gibt dafür keine sinnvolle Python-Werkbank.