Регрессионный анализ линейная зависимость в excel. Основные задачи и виды регрессии. Инструкция построения модели

Это наиболее распространенный способ показать зависимость какой-то переменной от других, например, как зависит уровень ВВП от величины иностранных инвестиций или от кредитной ставки Нацбанка или от цен на ключевые энергоресурсы .

Моделирование позволяет показать величину этой зависимости (коефициенты), благодаря которым можно делать непосредственно прогноз и осуществлять какое-то планирование, опираясь на эти прогнозы. Также, опираясь на регрессионный анализ, можно принимать управленческие решения направленные на стимулирование приоритетных причин влияющих на конечный результат, собственно модель и поможет выделить эти приоритетные факторы.

Общий вид модели линейной регрессии:

Y=a 0 +a 1 x 1 +...+a k x k

где a - параметры (коэффициенты) регрессии, x - влияющие факторы, k - количество факторов модели.

Исходные данные

Среди исходных данных нам необходим некий набор данных, который бы представлял из себя несколько последовательных или связанных между собой величин итогового параметра Y (например, ВВП) и такое же количество величин показателей, влияние которых мы изучаем (например, иностранные инвестиции).

На рисунке выше показана таблица с этими самыми исходными данными, в качестве Y выступает показатель экономически активного населения, а количество предприятий, размер инвестиций в капитал и доходов населения - это влияющие факторы, то бишь иксы.

По рисунку также можно сделать ошибочный вывод, что речь в моделировании может идти только о динамических рядах, то есть моментным рядам зафиксированных последовательно во времени, но это не так, с тем же успехом можно моделировать и в разрезе структуры, например, величины указанные в таблице могут быть разбиты не годам, а по областям.

Для построения адекватных линейных моделей желательно чтобы исходные данные не имели сильных перепадов или обвалов, в таких случаях желательно проводить сглаживание, но о сглаживании поговорим в следующий раз.

Пакет анализа

Параметры модели линейной регрессии можно рассчитать и вручную с помощью Метода наименьших квадратов (МНК), но это довольно затратно по времени. Немного быстрее это можно посчитать по этому же методу с помощью применения формул в Excel, где сами вычисления будет делать программа, но проставлять формулы все равно придется вручную.

В Excel есть надстройка Пакет анализа , который является довольно мощным инструментом в помощь аналитику. Этот инструментарий, помимо всего прочего, умеет рассчитывать параметры регрессии, по тому же МНК, всего в несколько кликов, собственно, о том как этим инструментом пользоваться дальше и пойдет речь.

Активируем Пакет анализа

По умолчанию эта надстройка отключена и в меню вкладок вы ее не найдете, поэтому пошагово рассмотрим как ее активировать.

В эксель, слева вверху, активируем вкладку Файл , в открывшемся меню ищем пункт Параметры и кликаем на него.

В открывшемся окне, слева, ищем пункт Надстройки и активируем его, в этой вкладке внизу будет выпадающий список управления, где по умолчанию будет написано Надстройки Excel , справа от выпадающего списка будет кнопка Перейти , на нее и нужно нажать.

Всплывающее окошко предложит выбрать доступные надстройки, в нем необходимо поставить галочку напротив Пакет анализа и заодно, на всякий случай, Поиск решения (тоже полезная штука), а затем подтвердить выбор кликнув по кнопочке ОК .

Инструкция по поиску параметров линейной регрессии с помощью Пакета анализа

После активации надстройки Пакета анализа она будет всегда доступна во вкладке главного меню Данные под ссылкой Анализ данных

В активном окошке инструмента Анализа данных из списка возможностей ищем и выбираем Регрессия

Далее откроется окошко для настройки и выбора исходных данных для вычисления параметров регрессионной модели. Здесь нужно указать интервалы исходных данных, а именно описываемого параметра (Y) и влияющих на него факторов (Х), как это на рисунке ниже, остальные параметры, в принципе, необязательны к настройке.

После того как выбрали исходные данные и нажали кнопочку ОК, Excel выдает расчеты на новом листе активной книги (если в настройках не было выставлено иначе), эти расчеты имеют следующий вид:

Ключевые ячейки залил желтым цветом именно на них нужно обращать внимание в первую очередь, остальные параметры значимость также немаловажны, но их детальный разбор требует пожалуй отдельного поста.

Итак, 0,865 - это R 2 - коэффициент детерминации, показывающий что на 86,5% расчетные параметры модели, то есть сама модель, объясняют зависимость и изменения изучаемого параметра - Y от исследуемых факторов - иксов . Если утрировано, то это показатель качества модели и чем он выше тем лучше. Понятное дело, что он не может быть больше 1 и считается неплохо, когда R 2 выше 0,8, а если меньше 0,5, то резонность такой модели можно смело ставить под большой вопрос.

Теперь перейдем к коэффициентам модели :
2079,85 - это a 0 - коэффициент который показывает какой будет Y в случае, если все используемые в модели факторы будут равны 0, подразумевается что это зависимость от других неописанных в модели факторов;
-0,0056 - a 1 - коэффициент, который показывает весомость влияния фактора x 1 на Y, то есть количество предприятий в пределах данной модели влияет на показатель экономически активного населения с весом всего -0,0056 (довольно маленькая степень влияния). Знак минус показывает что это влияние отрицательно, то есть чем больше предприятий, тем меньше экономически активного населения, как бы это ни было парадоксальным по смыслу;
-0,0026 - a 2 - коэффициент влияния объема инвестиций в капитал на величину экономически активного населения, согласно модели, это влияние также отрицательно;
0,0028 - a 3 - коэффициент влияния доходов населения на величину экономически активного населения, здесь влияние позитивное, то есть согласно модели увеличение доходов будет способствовать увеличению величины экономически активного населения.

Соберем рассчитанные коэффициенты в модель:

Y = 2079,85 - 0,0056x 1 - 0,0026x 2 + 0,0028x 3

Собственно, это и есть линейная регрессионная модель, которая для исходных данных, используемых в примере, выглядит именно так.

Расчетные значения модели и прогноз

Как мы уже обсуждали выше, модель строится не только чтобы показать величину зависимостей изучаемого параметра от влияющих факторов, но и чтобы зная эти влияющие факторы можно было делать прогноз. Сделать этот прогноз довольно просто, нужно просто подставить значения влияющих факторов в место соответствующих иксов в полученное уравнение модели. На рисунке ниже эти расчеты сделаны в экселе в отдельном столбце.

Фактические значения (те что имели место в реальности) и расчетные значения по модели на этом же рисунке отображены в виде графиков, чтобы показать разность, а значит погрешность модели.

Повторюсь еще раз, для того чтобы сделать прогноз по модели нужно чтобы были известные влияющие факторы, а если речь идет о временном ряде и соответственно прогнозе на будущее, например, на следующий год или месяц, то далеко не всегда можно узнать какие будут влияющие факторы в этом самом будущем. В таких случаях, нужно еще делать прогноз и для влияющих факторов, чаще всего это делают с помощью авторегрессионной модели - модели, в которой влияющими факторами являются сам исследуемый объект и время, то есть моделируется зависимость показателя от того каким он был в прошлом.

Как строить авторегрессионную модель рассмотрим в следующей статье, а сейчас предположим, что, то какие будут величины влияющих факторов в будущем периоде (в примере 2008 год) нам известно, подставляя эти значения в расчеты мы получим наш прогноз на 2008 год.

Метод линейной регрессии позволяет нам описывать прямую линию, максимально соответствующую ряду упорядоченных пар (x, y). Уравнение для прямой линии, известное как линейное уравнение, представлено ниже:

ŷ — ожидаемое значение у при заданном значении х,

x — независимая переменная,

a — отрезок на оси y для прямой линии,

b — наклон прямой линии.

На рисунке ниже это понятие представлено графически:

На рисунке выше показана линия, описанная уравнением ŷ =2+0.5х. Отрезок на оси у — это точка пересечения линией оси у; в нашем случае а = 2. Наклон линии, b, отношение подъема линии к длине линии, имеет значение 0.5. Положительный наклон означает, что линия поднимается слева направо. Если b = 0, линия горизонтальна, а это значит, что между зависимой и независимой переменными нет никакой связи. Иными словами, изменение значения x не влияет на значение y.

Часто путают ŷ и у. На графике показаны 6 упорядоченных пар точек и линия, в соответствии с данным уравнением

На этом рисунке показана точка, соответствующая упорядоченной паре х = 2 и у = 4. Обратите внимание, что ожидаемое значение у в соответствии с линией при х = 2 является ŷ. Мы можем подтвердить это с помощью следу­ющего уравнения:

ŷ = 2 + 0.5х =2 +0.5(2) =3.

Значение у представляет собой фактическую точку, а значение ŷ — это ожидаемое значение у с использованием линейного уравнения при заданном значении х.

Следующий шаг - определить линейное уравнение, максимально соответствующее набору упорядоченных пар, об этом мы говорили в предыдущей статье, где определяли вид уравнения по .

Использование Excel для определения линейной регрессии

Для того, чтобы воспользоваться инструментом регрессионного анализа встроенного в Excel, необходимо активировать надстройку Пакет анализа . Найти ее можно, перейдя по вкладке Файл –> Параметры (2007+), в появившемся диалоговом окне Параметры Excel переходим во вкладку Надстройки. В поле Управление выбираем Надстройки Excel и щелкаем Перейти. В появившемся окне ставим галочку напротив Пакет анализа, жмем ОК.

Во вкладке Данные в группе Анализ появится новая кнопка Анализ данных.

Чтобы продемонстрировать работу надстройки, воспользуемся данными , где парень и девушка делят столик в ванной. Введите данные нашего примера с ванной в столбцы А и В чистого листа.

Перейдите во вкладку Данные, в группе Анализ щелкните Анализ данных. В появившемся окне Анализ данных выберите Регрессия , как показано на рисунке, и щелкните ОК.

Установите необходимыe параметры регрессии в окне Рег­рессия , как показано на рисунке:

Щелкните ОК. На рисунке ниже показаны полученные результаты:

Эти результаты соответствуют тем, которые мы получили путем самостоя­тельных вычислений в .

Построение линейной регрессии, оценивание ее параметров и их значимости можно выполнить значительнее быстрей при использовании пакета анализа Excel (Регрессия). Рассмотрим интерпретацию полученных результатов в общем случае (k объясняющих переменных) по данным примера 3.6.

В таблице регрессионной статистики приводятся значения:

Множественный R – коэффициент множественной корреляции ;

R - квадрат – коэффициент детерминации R 2 ;

Нормированный R - квадрат – скорректированный R 2 с поправкой на число степеней свободы;

Стандартная ошибка – стандартная ошибка регрессии S ;

Наблюдения – число наблюдений n .

В таблице Дисперсионный анализ приведены:

1. Столбец df - число степеней свободы, равное

для строки Регрессия df = k ;

для строкиОстаток df = n – k – 1;

для строкиИтого df = n – 1.

2. Столбец SS – сумма квадратов отклонений, равная

для строки Регрессия ;

для строкиОстаток ;

для строкиИтого .

3. Столбец MS дисперсии, определяемые по формуле MS = SS /df :

для строки Регрессия – факторная дисперсия;

для строкиОстаток – остаточная дисперсия.

4. Столбец F – расчетное значение F -критерия, вычисляемое по формуле

F = MS (регрессия)/MS (остаток).

5. Столбец Значимость F –значение уровня значимости, соответствующее вычисленной F -статистике.

Значимость F = FРАСП(F- статистика, df (регрессия), df (остаток)).

Если значимость F < стандартного уровня значимости, то R 2 статистически значим.

В этой таблице указаны:

1. Коэффициенты – значения коэффициентов a , b .

2. Стандартная ошибка –стандартные ошибки коэффициентов регрессии S a , S b .

3. t- статистика – расчетные значения t -критерия, вычисляемые по формуле:

t-статистика = Коэффициенты / Стандартная ошибка.

4.Р -значение (значимость t ) – это значение уровня значимости, соответствующее вычисленной t- статистике.

Р -значение = СТЬЮДРАСП (t -статистика, df (остаток)).

Если Р -значение < стандартного уровня значимости, то соответствующий коэффициент статистически значим.

5. Нижние 95% и Верхние 95% – нижние и верхние границы 95 %-ных доверительных интервалов для коэффициентов теоретического уравнения линейной регрессии.

В таблице ВЫВОД ОСТАТКА указаны:

в столбце Наблюдение – номер наблюдения;

в столбце Предсказанное y – расчетные значения зависимой переменной;

в столбце Остатки e – разница между наблюдаемыми и расчетными значениями зависимой переменной.

Пример 3.6. Имеются данные (усл. ед.) о расходах на питание y и душевого дохода x для девяти групп семей:

Используя результаты работы пакета анализа Excel (Регрессия), проанализируем зависимость расходов на питание от величины душевого дохода.

Результаты регрессионного анализа принято записывать в виде:

где в скобках указаны стандартные ошибки коэффициентов регрессии.

Коэффициенты регрессии а = 65,92 и b = 0,107. Направление связи между y и x определяет знак коэффициентарегрессии b = 0,107, т.е. связь является прямой и положительной. Коэффициент b = 0,107 показывает, что при увеличении душевого дохода на 1 усл. ед. расходы на питание увеличиваются на 0,107 усл. ед.

Оценим значимость коэффициентов полученной модели. Значимость коэффициентов (a, b ) проверяется по t -тесту:

Р-значение (a ) = 0,00080 < 0,01 < 0,05

Р-значение (b ) = 0,00016 < 0,01 < 0,05,

следовательно, коэффициенты (a, b ) значимы при 1 %-ном уровне, а тем более при 5 %-ном уровне значимости. Таким образом, коэффициенты регрессии значимы и модель адекватна исходным данным.

Результаты оценивания регрессии совместимы не только с полученными значениями коэффициентов регрессии, но и с некоторым их множеством (доверительным интервалом). С вероятностью 95 % доверительные интервалы для коэффициентов есть (38,16 – 93,68) для a и (0,0728 – 0,142) для b.

Качество модели оценивается коэффициентом детерминации R 2 .

Величина R 2 = 0,884 означает, что фактором душевого дохода можно объяснить 88,4 % вариации (разброса) расходов на питание.

Значимость R 2 проверяется по F- тесту: значимость F = 0,00016 < 0,01 < 0,05, следовательно, R 2 значим при 1 %-ном уровне, а тем более при 5 %-ном уровне значимости.

В случае парной линейной регрессии коэффициент корреляции можно определить как . Полученное значение коэффициента корреляции свидетельствует, что связь между расходами на питание и душевым доходом очень тесная.

Регрессионный и корреляционный анализ – статистические методы исследования. Это наиболее распространенные способы показать зависимость какого-либо параметра от одной или нескольких независимых переменных.

Ниже на конкретных практических примерах рассмотрим эти два очень популярные в среде экономистов анализа. А также приведем пример получения результатов при их объединении.

Регрессионный анализ в Excel

Показывает влияние одних значений (самостоятельных, независимых) на зависимую переменную. К примеру, как зависит количество экономически активного населения от числа предприятий, величины заработной платы и др. параметров. Или: как влияют иностранные инвестиции, цены на энергоресурсы и др. на уровень ВВП.

Результат анализа позволяет выделять приоритеты. И основываясь на главных факторах, прогнозировать, планировать развитие приоритетных направлений, принимать управленческие решения.

Регрессия бывает:

• линейной (у = а + bx);
• параболической (y = a + bx + cx 2);
• экспоненциальной (y = a * exp(bx));
• степенной (y = a*x^b);
• гиперболической (y = b/x + a);
• логарифмической (y = b * 1n(x) + a);
• показательной (y = a * b^x).

Рассмотрим на примере построение регрессионной модели в Excel и интерпретацию результатов. Возьмем линейный тип регрессии.

Задача. На 6 предприятиях была проанализирована среднемесячная заработная плата и количество уволившихся сотрудников. Необходимо определить зависимость числа уволившихся сотрудников от средней зарплаты.

Модель линейной регрессии имеет следующий вид:

У = а 0 + а 1 х 1 +…+а к х к.

Где а – коэффициенты регрессии, х – влияющие переменные, к – число факторов.

В нашем примере в качестве У выступает показатель уволившихся работников. Влияющий фактор – заработная плата (х).

В Excel существуют встроенные функции, с помощью которых можно рассчитать параметры модели линейной регрессии. Но быстрее это сделает надстройка «Пакет анализа».

Активируем мощный аналитический инструмент:

После активации надстройка будет доступна на вкладке «Данные».

Теперь займемся непосредственно регрессионным анализом.

В первую очередь обращаем внимание на R-квадрат и коэффициенты.

R-квадрат – коэффициент детерминации. В нашем примере – 0,755, или 75,5%. Это означает, что расчетные параметры модели на 75,5% объясняют зависимость между изучаемыми параметрами. Чем выше коэффициент детерминации, тем качественнее модель. Хорошо – выше 0,8. Плохо – меньше 0,5 (такой анализ вряд ли можно считать резонным). В нашем примере – «неплохо».

Коэффициент 64,1428 показывает, каким будет Y, если все переменные в рассматриваемой модели будут равны 0. То есть на значение анализируемого параметра влияют и другие факторы, не описанные в модели.

Коэффициент -0,16285 показывает весомость переменной Х на Y. То есть среднемесячная заработная плата в пределах данной модели влияет на количество уволившихся с весом -0,16285 (это небольшая степень влияния). Знак «-» указывает на отрицательное влияние: чем больше зарплата, тем меньше уволившихся. Что справедливо.

Корреляционный анализ в Excel

Корреляционный анализ помогает установить, есть ли между показателями в одной или двух выборках связь. Например, между временем работы станка и стоимостью ремонта, ценой техники и продолжительностью эксплуатации, ростом и весом детей и т.д.

Если связь имеется, то влечет ли увеличение одного параметра повышение (положительная корреляция) либо уменьшение (отрицательная) другого. Корреляционный анализ помогает аналитику определиться, можно ли по величине одного показателя предсказать возможное значение другого.

Коэффициент корреляции обозначается r. Варьируется в пределах от +1 до -1. Классификация корреляционных связей для разных сфер будет отличаться. При значении коэффициента 0 линейной зависимости между выборками не существует.

Рассмотрим, как с помощью средств Excel найти коэффициент корреляции.

Для нахождения парных коэффициентов применяется функция КОРРЕЛ.

Задача: Определить, есть ли взаимосвязь между временем работы токарного станка и стоимостью его обслуживания.

Ставим курсор в любую ячейку и нажимаем кнопку fx.

1. В категории «Статистические» выбираем функцию КОРРЕЛ.
2. Аргумент «Массив 1» - первый диапазон значений – время работы станка: А2:А14.
3. Аргумент «Массив 2» - второй диапазон значений – стоимость ремонта: В2:В14. Жмем ОК.

Чтобы определить тип связи, нужно посмотреть абсолютное число коэффициента (для каждой сферы деятельности есть своя шкала).

Для корреляционного анализа нескольких параметров (более 2) удобнее применять «Анализ данных» (надстройка «Пакет анализа»). В списке нужно выбрать корреляцию и обозначить массив. Все.

Полученные коэффициенты отобразятся в корреляционной матрице. Наподобие такой:

Корреляционно-регрессионный анализ

На практике эти две методики часто применяются вместе.

Пример:

Теперь стали видны и данные регрессионного анализа.

Пакет MS Excel позволяет при построении уравнения линейной регрессии большую часть работы сделать очень быстро. Важно понять, как интерпретировать полученные результаты.

Для работы необходима надстройка Пакет анализа , которую необходимо включить в пункте меню Сервис\Надстройки

В Excel 2007 для включения пакета анализа надо нажать перейти в блок Параметры Excel , нажав кнопку в левом верхнем углу, а затем кнопку «Параметры Excel » внизу окна:

Для построения модели регрессии необходимо выбрать пункт Сервис\Анализ данных\Регрессия . (В Excel 2007 этот режим находится в блоке Данные/Анализ данных/ Регрессия ). Появится диалоговое окно, которое нужно заполнить:

1) Входной интервал Y ¾ содержит ссылку на ячейки, которые содержат значения результативного признака y . Значения должны быть расположены в столбце;

2) Входной интервал X ¾ содержит ссылку на ячейки, которые содержат значения факторов . Значения должны быть расположены в столбцах;

3) Признак Метки ставится, если первые ячейки содержат пояснительный текст (подписи данных);

4) Уровень надежности ¾ это доверительная вероятность, которая по умолчанию считается равной 95%. Если это значение не устраивает, то нужно включить этот признак и ввести требуемое значение;

5) Признак Константа-ноль включается, если необходимо построить уравнение, в котором свободная переменная ;

6) Параметры вывода определяют, куда должны быть помещены результаты. По умолчанию строит режим Новый рабочий лист ;

7) Блок Остатки позволяет включать вывод остатков и построение их графиков.

В результате выводится информация, содержащая все необходимые сведения и сгруппированная в три блока: Регрессионная статистика , Дисперсионный анализ , Вывод остатка . Рассмотрим их подробнее.

1. Регрессионная статистика :

множественный R определяется формулой (коэффициент корреляции Пирсона );

R (коэффициент детерминации );

Нормированный R -квадрат вычисляется по формуле (используется для множественной регрессии);

Стандартная ошибка S вычисляется по формуле ;

Наблюдения ¾ это количество данных n .

2. Дисперсионный анализ , строка Регрессия :

Параметр df равен m (количество наборов факторов x );

Параметр SS определяется формулой ;

Параметр MS определяется формулой ;

Статистика F определяется формулой ;

Значимость F . Если полученное число превышает , то принимается гипотеза (нет линейной взаимосвязи), иначе принимается гипотеза (есть линейная взаимосвязь).

3. Дисперсионный анализ , строка Остаток :

Параметр df равен ;

Параметр SS определяется формулой ;

Параметр MS определяется формулой .

4. Дисперсионный анализ , строка Итого содержит сумму первых двух столбцов.

5. Дисперсионный анализ , строка Y-пересечение содержит значение коэффициента , стандартной ошибки и t -статистики .

P -значение ¾ это значение уровней значимости, соответствующее вычисленным t -статистикам. Определяется функцией СТЬЮДРАСП(t -статистика; ). Если P -значение превышает , то соответствующая переменная статистически незначима и ее можно исключить из модели.

Нижние 95% и Верхние 95% ¾ это нижние и верхние границы 95-процентных доверительных интервалов для коэффициентов теоретического уравнения линейной регрессии. Если в блоке ввода данных значение доверительной вероятности было оставлено по умолчанию, то последние два столбца будут дублировать предыдущие. Если пользователь ввел свое значение доверительной вероятности, то последние два столбца содержат значения нижней и верхней границы для указанной доверительной вероятности.

6. Дисперсионный анализ , строки содержат значения коэффициентов, стандартных ошибок, t -статистик, P -значений и доверительных интервалов для соответствующих .

7. Блок Вывод остатка содержит значения предсказанного y (в наших обозначениях это ) и остатки .