ANALÝZA VZTAHU DVOU SPOJITÝCH VELIČIN

1. ANALÝZA VZTAHU DVOU SPOJITÝCH VELIČIN V dokumentu 7a_korelacni_a_regresni_analyzajsme řešili rozdíl mezi korelační a regresní analýzou. Budeme se teď věnovat pouze lineárnímu vztahu dvou veličin, protože je nejjednodušší a velmi často jej lze použít aspoň přibližně. Dále přijmeme předpoklad, že sledované veličiny jsou normální. V dalším textu se budeme zabývat speciálním případem REGRESNÍ ANALÝZY - metodou lineární regrese.

2. Základy lineární regrese Regrese je velmi často užívaná statistická metoda, která se zabývá problémem vysvětlení změn jedné veličiny závislostí na jedné nebo více jiných veličinách. Uvažujme nejjednodušší případ, kdy vysvětlujeme veličinu Y lineární závislostí na jedné veličině X.

3. Lineární regrese Vidíme, že s rostoucí hodnotou veličiny xse zhruba lineárně mění i hodnota Y, body na obrázku kolísají kolem myšlené přímky, kterou bychom mohli naměřenými body proložit. Hodnoty veličiny Yimůžeme vyjádřit jako součet dvou složek: Yi= β0 + β1xi + εi, kdei = 1,2,…,n (1) β0, β1 jsou neznámé koeficienty určující lineární závislost εináhodná kolísání způsobená nepřesností měření, biologickou variabilitou a dalšími rušivými faktory Pokud střední hodnoty náhodného kolísání jsou nulové, pak E(εi) = 0 a rovnici (1) můžeme přepsat E(Y |X = xi) = E(Yi) = β0 + β1xi(2) čili střední hodnoty náhodných veličin Yiza podmínky, že veličina X má hodnotu xi, leží na přímce dané rov. (2).

4. Lineární regrese Rovnice (1) a (2) formulují lineární regresní modeljako vyjádření naší představy o závislosti veličiny Y na veličině X. - X je vysvětlující proměnná (regresor) - Yje vysvětlovaná proměnná. Neznámé koeficienty β0 , β1jsou parametry regresního modelu a říkáme jim regresní koeficienty. Odhad regresních koeficientů β0aβ1 z dat je jednou ze základních úloh regresní analýzy: potřebujeme nalézt takové hodnoty b0, b1, které by určovaly přímku Ŷi = b0 + b1x1co nejlépe prokládající naměřená data. Hodnoty b0 , b1 jsou pak odhady regresních koeficientů β0 , β1Ŷje odhadem E( Y|x = xi) Co nejlepší proložení může být formulováno různými způsoby, nejčastěji se užívá metoda nejmenších čtverců (MNČ) (viz dále).

5. Lineární regrese - metoda nejmenších čtverců MNČ znamená, že hledáme takové hodnoty b0(úsek, který vytíná přímka na ose Y) a b1(směrnice přímky), aby součet čtverců odchylek pozorovaných hodnot Yiod hodnot ŶiSebyl co nejmenší: Metodu nejmenších čtverců vysvětluje následující obrázek. Řešíme úlohu, jak volit hodnoty b0a b1, aby součet ploch vyznačených čtverců byl co nejmenší.

6. Nulová hypotéza Dokazovaná hypotéza o lineární závislosti obou veličin, jejímž modelem je regresní přímka, stojí proti nulové hypotéze, která říká, že mezi veličinami neexistuje žádný vztah a jejich uspořádání lze vysvětlit pouhou náhodou. Hypotézu nezávislosti veličin H0 modeluje přímka rovnoběžná s osou x protínající osu y ve střední hodnotě a procházející bodem Pokud bude statistický test významný, zamítáme hypotézu H0 a přijímáme hypotézu o lineární závislosti obou veličin. Princip testu spočívá v porovnání velikosti regresního a reziduálního rozptylu. Regresní rozptyl je vypočten pomocí vzdáleností od přímky H0 k regresní přímce, reziduální rozptyl pomocí vzdáleností od regresní přímky k naměřeným hodnotám - viz obrázek.

7. pro výpočet Reziduálního rozptylu Y – vysvětlovaná proměnná pro výpočet Regresního rozptylu H0 regresní přímka X - vysvětlující proměnná Lineární regrese

8. LINEÁRNÍ REGRESNÍ MODEL - příklad • r. 1886 Francis Galton vytvořil model závislosti výšky prvorozených synů na výšce jejich otců • v této práci použil termín REGRESE • začal se používat jako název metody • Testujeme hypotézu H0: výška syna nezávisí na výšce otce • proti hypotéze H1: výška syna je lineárně závislá na výšce otce • cílem je zjistit, zda rozdíly mezi modely je možno vysvětlit pomocí náhody • Mějme dva matematické modely (v našem případě dvě přímky): • první přímka vyjadřuje nezávislost, je rovnoběžná s osou X (H0) • druhou přímku (H1) zkonstruujeme pomocí MNČ tak, aby svislé vzdálenosti pozorovaných hodnot byly od přímky co nejmenší • (svislé proto, že za závislou považujeme veličinu Y)

9. Model lineární regrese - vztah výšky otce a syna y x - nezávisle proměnná y - závisle proměnná i – jednotlivá pozorování reziduum – odchylka od modelu x 0

10. Lineární regrese minimalizujeme otec → syn =otec+zkreslení Co se stane když zaměním x a y ? minimalizujeme syn → otec =syn+zkreslení Můžeme předpokládat kauzalitu? Jakou?

11. LINEÁRNÍ REGRESNÍ MODEL Cílem regresního modelu je porovnat rozdíl mezi - modelem hypotetického rozdělení H0: výška syna nezávisí na výšce otce - a modelem HA: výška syna je lineárně závislá na výšce otce. H0 jsme stanovili jako přímku Y = b0 (b1 = 0) HA je regresní přímka Y = β0 + β1xi + εi Součet čtverců odchylek závisle proměnné Y od jejího odhadu můžeme rozdělit na dvě části: • variabilitu vysvětlenou regresním modelem (rozdíl mezi HA a H0) • a na část, kterou model nevysvětluje, která zbývá, tedy je residuální (rozdíl mezi HAa naměřenými hodnotami - tedy ε) Analogicky jako u analýzy rozptylu bude testovací statistikapodíl součtu čtverců odchylek dělených počtem stupňů volnosti.

12. LINEÁRNÍ REGRESNÍ MODEL Testovací statistika se vypočte jako podíl - čtverců očekávaných odchylek HA - H0 dělený počtem stupňů volnosti - a čtverců reziduálního rozptylu dělený počtem stupňů volnosti. počet stupňů volnosti v čitateli vypočteme jako počet parametrů regresního modelu mínus počet parametrů odhadovaných u H0 (p - 1) počet stupňů volnosti ve jmenovateli jako počet naměřených hodnot mínus počet parametrů regresního modelu (n - p) n … počet měření p … počet parametrů regresní přímky: p = 2 1 … počet odhadovaných parametrů hypotézy H0

13. Zobrazení vztahu dvou nezávislých spojitých veličin Dvojice náhodných SPOJITÝCH VELIČINX a Y. Jejich sdružené rozložení má dvourozměrnou hustotu f(x,y)

14. Sdružená hustota dvou závislých veličin

15. ANALÝZA VZTAHU DVOU SPOJITÝCH VELIČIN Třírozměrný graf sdružené hustoty(sdruženého rozložení) dvou veličin na předchozím obrázku vyjadřuje závislost obou náhodných veličin. Průmětu jedné veličiny do roviny říkáme marginální hustota. Rozložení jedné veličiny např. X pouze u těch objektů, pro které platí Y = y (druhá veličina = konstantě) je tzv. podmíněném rozložení a můžeme si ho představit jako řez celkovým rozložením v bodu Y = y. Tyto podmíněné funkce hustoty jsou na rozdíl od marginální hustoty obvykle užší a to tím více, čím pevnější je vazba mezi X a Y.