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

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)

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 1 x 1 ¯ x i 2 x 2 ¯ 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 1 x 1 ¯ x i 2 x 2 ¯ β 2 1 n i = 1 n x i 2 x 2 ¯ 2 = 0

ここで

とおく.(18),(15),(19)より

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 1 x 2 + β 2 σ x 2 2 ・・・・・・(20)

(16)と(20)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 1 x 2 + 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 1 x 2 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 1 x 2 σ x 2 2 β 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6月20日