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 = β 0 + β 1 x 1 + β 2 x 2 ・・・・・・(1)

の 偏回帰係数 β 0 , β 1 , β 2 (定数項 β 0 も偏回帰係数に含める)を求める.

残差平方和 S S E は

S S E = ∑ i = 1 n ε i 2

= ∑ i = 1 n y i − y i ^ 2

= ∑ i = 1 n y i − β 0 + β 1 x i 1 + β 2 x i 2 2 ・・・・・・(2)

(備考:このページでは残差平方和SSEを数式の見やすさの観点から S S E と表現する)

となる.

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

を満たす β 0 , β 1 , β 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)

∂ ∂ β 0 ∑ i = 1 n y i − β 0 + β 1 x i 1 + β 2 x i 2 2 = 0

∑ i = 1 n ∂ ∂ β 0 y i − β 0 + β 1 x i 1 + β 2 x i 2 2 = 0

∑ i = 1 n 2 y i − β 0 + β 1 x i 1 + β 2 x i 2 − 1 = 0

∑ i = 1 n y i − β 0 + β 1 x i 1 + β 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 − β 0 + β 1 x i 1 + β 2 x i 2 = 0

1 n ∑ i = 1 n y i − 1 n ∑ i = 1 n β 0 − β 1 1 n ∑ i = 1 n x i 1 − β 2 1 n ∑ i = 1 n x i 2 = 0

ここで

とおくと

y ¯ − β 0 − β 1 x 1 ¯ − β 2 x 2 ¯ = 0

β 0 = y ¯ − β 1 x 1 ¯ − β 2 x 2 ¯ ・・・・・・(10)

(10)を(2)に代入する.

S S E = ∑ i = 1 n y i − y ¯ − β 1 x 1 ¯ − β 2 x 2 ¯ + β 1 x i 1 + β 2 x i 2 2

= ∑ i = 1 n y i − y ¯ − β 1 x i 1 − x 1 ¯ − β 2 x i 2 − x 2 ¯ 2 ・・・・・・(11)

(4)と(11)より

∂ ∂ β 1 ∑ i = 1 n y i − y ¯ − β 1 x i 1 − x 1 ¯ − β 2 x i 2 − x 2 ¯ 2 = 0

∑ i = 1 n ∂ ∂ β 1 y i − y ¯ − β 1 x i 1 − x 1 ¯ − β 2 x i 2 − x 2 ¯ 2 = 0

∑ i = 1 n 2 y i − y ¯ − β 1 x i 1 − x 1 ¯ − β 2 x i 2 − x 2 ¯ − x i 1 − x 1 ¯ = 0

∑ i = 1 n x i 1 − x 1 ¯ y i − y ¯ − β 1 x i 1 − x 1 ¯ − β 2 x i 2 − x 2 ¯ = 0

∑ i = 1 n x i 1 − x 1 ¯ y i − y ¯ − β 1 ∑ i = 1 n x i 1 − x 1 ¯ 2 − β 2 ∑ i = 1 n x i 1 − x 1 ¯ x i 2 − x 2 ¯ = 0 ・・・・・・(12)

(12)の両辺を n で割る.

1 n ∑ i = 1 n x i 1 − x 1 ¯ y i − y ¯ − β 1 1 n ∑ i = 1 n x i 1 − x 1 ¯ 2 − β 2 1 n ∑ i = 1 n x i 1 − x 1 ¯ x i 2 − x 2 ¯ = 0

ここで

おくと

σ x 1 y − β 1 σ x 1 2 − β 2 σ x 1 x 2 = 0

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

(5)と(11)より

∂ ∂ β 2 ∑ i = 1 n y i − y ¯ − β 1 x i 1 − x 1 ¯ − β 2 x i 2 − x 2 ¯ 2 = 0

∑ i = 1 n ∂ ∂ β 2 y i − y ¯ − β 1 x i 1 − x 1 ¯ − β 2 x i 2 − x 2 ¯ 2 = 0

∑ i = 1 n 2 y i − y ¯ − β 1 x i 1 − x 1 ¯ − β 2 x i 2 − x 2 ¯ − x i 2 − x 2 ¯ = 0

∑ i = 1 n x i 2 − x 2 ¯ y i − y ¯ − β 1 x i 1 − x 1 ¯ − β 2 x i 2 − x 2 ¯ = 0

∑ i = 1 n x i 2 − x 2 ¯ y i − y ¯ − β 1 ∑ i = 1 n x i 2 − x 2 ¯ x i 1 − x 1 ¯ − β 2 ∑ i = 1 n x i 2 − x 2 ¯ 2 = 0 ・・・・・・(17)

(13)の両辺を n で割る.

1 n ∑ i = 1 n x i 2 − x 2 ¯ y i − y ¯ − β 1 1 n ∑ i = 1 n x i 2 − x 2 ¯ x i 1 − x 1 ¯ − β 2 1 n ∑ i = 1 n x i 2 − x 2 ¯ 2 = 0

ここで

とおくと

σ x 2 y − β 1 σ x 1 x 2 − β 2 σ x 2 2 = 0

σ x 2 y = β 1 σ x 2 x 1 + β 2 σ x 2 2 ・・・・・・(21)

(16)と(21)の連立方程式

σ x 1 y = β 1 σ x 1 2 + β 2 σ x 1 x 2 σ x 2 y = β 1 σ x 2 x 1 + β 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 2 x 1 σ x 2 2 β 1 β 2

となる.クラメルの公式を用いると

β 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 2 x 1 σ x 2 2 , β 2 = σ x 1 2 σ x 1 y σ x 2 x 1 σ x 2 y σ x 1 2 σ x 1 x 2 σ x 2 x 1 σ x 2 2

となる.

 

ホーム>>カテゴリー分類>>確率>>統計>>線形回帰

 最終更新日: 2026年7月22日