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応用分野: 線形重回帰分析

線形重回帰分析の回帰係数の導出(説明変数が2個の場合)

■説明変数が2つの場合

データNo. データ X 1
(説明変数1)
データ X 2
(説明変数2)
データ Y
(目的変数)
1 x 11 x 12 y 1
2 x 21 x 22 y 2
3 x 31 x 32 y 3
n x n 1 x n 2 y n

線形重回帰式

y ^ =a0+ a 1 x 1 + a 2 x 2 ・・・・・・(1)

の定数項 a 0 ,および, 偏回帰係数 a 1 a 2 を求める.

残差平方和 R S S

R S S = i = 1 n ε i 2

= i = 1 n y i y i ^ 2

= i=1 n y i a 0 + a 1 x i1 + a 2 x i2 2 ・・・・・・(2)

となる.

回帰式では, R S S が最小(極小)となるとなるように a 0 a 1 a 2 が求められている.よって, R S S が極小となるときに成り立つ式

  • R S S a 0 = 0 ・・・・・・(3)
  • R S S a 1 = 0 ・・・・・・(4)
  • R S S a 2 = 0 ・・・・・・(5)

を満たす a 0 a 1 a 2 を求めればよい.

備考:残差平方和の特徴として,極小は存在するが,極大は存在しない.よって,(3),(4),(5)を満たすのは極小のときのみである.

(3)と(2)より(偏微分の計算はここを参照)

a 0 i = 1 n y i a0+ a 1 x i 1 + a 2 x i 2 2 = 0

i = 1 n a 0 y i a0+ a 1 x i 1 + a 2 x i 2 2 = 0

i = 1 n 2 y i a0+ a 1 x i 1 + a 2 x i 2 1 = 0

i = 1 n y i a0+ a 1 x i 1 + a 2 x i 2 = 0 ・・・・・・(6)

が得られる.

(6)の両辺を n で割る.

1 n i = 1 n y i a0+ a 1 x i 1 + a 2 x i 2 = 0

1 n i=1 n y i 1 n i=1 n a 0 a 1 1 n i=1 n x i1 a 2 1 n i=1 n x i2 =0

ここで

  • y ¯ = 1 n i = 1 n y i ・・・・・・(7)
  • x 1 ¯ = 1 n i = 1 n x i 1 ・・・・・・(8)
  • x 2 ¯ = 1 n i = 1 n x i 2 ・・・・・・(9)

とおくと

y ¯ a 0 a 1 x 1 ¯ a 2 x 2 ¯ =0

a 0 = y ¯ a 1 x 1 ¯ a 2 x 2 ¯ ・・・・・・(10)

(10)を(2)に代入する.

R SS = i=1 n y i y ¯ a 1 x 1 ¯ a 2 x 2 ¯ + a 1 x i1 + a 2 x i2 2

= i = 1 n y i y ¯ a 1 x i 1 x 1 ¯ a 2 x i 2 x 2 ¯ 2 ・・・・・・(11)

(4)と(11)より

a 1 i = 1 n y i y ¯ a 1 x i 1 x 1 ¯ a 2 x i 2 x 2 ¯ 2 = 0

i=1 n a 1 y i y ¯ a 1 x i1 x 1 ¯ a 2 x i2 x 2 ¯ 2 =0

i=1 n 2 y i y ¯ a 1 x i1 x 1 ¯ a 2 x i2 x 2 ¯ x i1 x 1 ¯ =0

i = 1 n x i1 x 1 ¯ y i y ¯ a 1 x i 1 x 1 ¯ a 2 x i 2 x 2 ¯ = 0

i = 1 n x i 1 x 1 ¯ y i y ¯ a 1 i = 1 n x i1 x 1 ¯ 2 a 2 i = 1 n x i1 x 1 ¯ x i2 x 2 ¯ = 0 ・・・・・・(12)

(12)の両辺を n で割る.

1 n i = 1 n x i1 x 1 ¯ y i y ¯ a 1 1 n i = 1 n x i 1 x 1 ¯ 2 a 2 1 n i = 1 n x i1 x 1 ¯ x i2 x 2 ¯ = 0

ここで

  • σ x 1 y = 1 n i = 1 n x i1 x 1 ¯ y i y ¯ ・・・(13)
  • σ x 1 2 = 1 n i = 1 n x i 1 x 1 ¯ 2 ・・・(14)
  • σ x 1 x 2 = 1 n i = 1 n x i 1 x 1 ¯ x i 2 x 2 ¯ ・・・(15)

おくと

σ x 1 y a 1 σ x 1 2 a 2 σ x 1 x 2 = 0

σ x 1 y = a 1 σ x 1 2 + a 2 σ x 1 x 2 ・・・・・・(16)

(5)と(11)より

a 2 i = 1 n y i y ¯ a 1 x i 1 x 1 ¯ a 2 x i 2 x 2 ¯ 2 = 0

i=1 n a 2 y i y ¯ a 1 x i1 x 1 ¯ a 2 x i2 x 2 ¯ 2 =0

i=1 n 2 y i y ¯ a 1 x i1 x 1 ¯ a 2 x i2 x 2 ¯ x i2 x 2 ¯ =0

i = 1 n x i 2 x 2 ¯ y i y ¯ a 1 x i 1 x 1 ¯ a 2 x i 2 x 2 ¯ = 0

i = 1 n x i 2 x 2 ¯ y i y ¯ a 1 i = 1 n x i1 x 1 ¯ x i 2 x 2 ¯ a 2 i = 1 n x i2 x 2 ¯ 2 = 0 ・・・・・・(17)

(13)の両辺を n で割る.

1 n i = 1 n x i2 x 2 ¯ y i y ¯ a 1 1 n i = 1 n x i1 x 1 ¯ x i2 x 2 ¯ a 2 1 n i = 1 n x i2 x 2 ¯ 2 = 0

ここで

  • σ x 2 y = 1 n i = 1 n x i2 x 2 ¯ y i y ¯ ・・・(18)
  • σ x 2 2 = 1 n i = 1 n x i2 x 2 ¯ 2 ・・・(19)

とおく.(18),(15),(19)より

σ x 2 y a 1 σ x 1 x 2 a 2 σ x 2 2 = 0

σ x 2 y = a 1 σ x 1 x 2 + a 2 σ x 2 2 ・・・・・・(20)

(16)と(20)の連立方程式

σ x 1 y = a 1 σ x 1 2 + a 2 σ x 1 x 2 σ x 2 y = a 1 σ x 1 x 2 + a 2 σ x 2 2

を行列を使って表わすと

σ x 1 y σ x 2 y = σ x 1 2 σ x 1 x 2 σ x 1 x 2 σ x 2 2 a 1 a 2

となる.クラメルの公式を用いると

a 1 = σ x 1 y σ x 1 x 2 σ x 2 y σ x 2 2 σ x 1 2 σ x 1 x 2 σ x 1 x 2 σ x 2 2 a 2 = σ x 1 y σ x 1 y σ x 2 y σ x 2 y σ x 1 2 σ x 1 x 2 σ x 1 x 2 σ x 2 2

となる.

 

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 最終更新日: 2026年5月12日

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