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一元線性模型的中位數回歸

2021-04-14 10:52:41 後端開發

一元線性模型的中位數回歸

  • 一、演算法目的
  • 二、演算法推導
  • 三、實際案例與python編程計算
    • 3.1中位數回歸方程的計算
    • 3.2資料可視化
    • 3.3回歸引數檢驗
  • 四、參考文獻

一、演算法目的

對于線性模型: Y = β 0 + β 1 X + ε (1) Y=\beta_{0}+\beta_{1}X+\varepsilon \tag{1} Y=β0?+β1?X+ε(1) 通過最小一乘法進行中位數回歸,給出引數 β 0 \beta_{0} β0? β 1 \beta_{1} β1?的估計 β 0 ^ \widehat{\beta_{0}} β0? ? β 1 ^ \widehat{\beta_{1}} β1? ?.

二、演算法推導

我們的目標函式為:
min ? Q ( β 0 , β 1 ) = ∑ i = 1 n ∣ y i ? β 0 ? β 1 x i ∣ (2) \min Q(\beta_{0},\beta_{1})=\sum_{i=1}^{n}|y_{i}-\beta_{0}-\beta_{1}x_{i}| \tag{2} minQ(β0?,β1?)=i=1n?yi??β0??β1?xi?(2)
首先對 β 0 , β 1 \beta_{0},\beta_{1} β0?,β1?加以約束,使得回歸直線 y = β 0 + β 1 x y=\beta_{0}+\beta_{1}x y=β0?+β1?x過點 ( x k , y k ) (x_{k},y_{k}) (xk?,yk?),其中 y k y_{k} yk?為資料 y i , i = 1 , 2 , ? ? , n y_{i},i=1,2,\cdots,n yi?,i=1,2,?,n的中位數,
作變換如下:
{ x i ′ = x i ? x k y i ′ = y i ? y k , i = 1 , 2 , ? ? , n (3) \begin{cases} x_{i}'=x_{i}-x_{k}\\ y_{i}'=y_{i}-y_{k} \end{cases},i=1,2,\cdots,n \tag{3} {xi?=xi??xk?yi?=yi??yk??,i=1,2,?,n(3)
這樣,(2)就轉化成了(4).
min ? Q ( β 1 ) = ∑ i = 1 n ∣ y i ′ ? β 1 x i ′ ∣ (4) \min Q(\beta_{1})=\sum_{i=1}^{n}|y_{i}'-\beta_{1}x_{i}'| \tag{4} minQ(β1?)=i=1n?yi??β1?xi?(4)
為了后面的書寫運算方便,我們仍用 ( x i , y i ) (x_{i},y_{i}) (xi?,yi?)來表示經過變換(3)得到的資料 ( x i ′ , y i ′ ) (x_{i}',y_{i}') (xi?,yi?),這樣(4)式就可以寫成下式:
min ? Q ( β 1 ) = ∑ i = 1 n ∣ y i ? β 1 x i ∣ (5) \min Q(\beta_{1})=\sum_{i=1}^{n}|y_{i}-\beta_{1}x_{i}| \tag{5} minQ(β1?)=i=1n?yi??β1?xi?(5)
在求解(5)之前我們先來考慮對于任意的 i i i Q i ( β 1 ) = ∣ y i ? β i x i ∣ Q_{i}(\beta_{1})=|y_{i}-\beta_{i}x_{i}| Qi?(β1?)=yi??βi?xi?的最小值,如圖2.1,在 β = y i / x i \beta=y_{i}/x_{i} β=yi?/xi?時, Q i ( β ) Q_{i}(\beta) Qi?(β)取最小值,圖中兩條直線的斜率互為相反數分別為 ? ∣ x i ∣ -|x_{i}| ?xi? ∣ x i ∣ |x_{i}| xi?
在這里插入圖片描述

圖2.1

現在考慮如下資料表:

序號 x i x_{i} xi? y i y_{i} yi?
113
211
324
表2.1

分別畫出 Q 1 ( β 1 ) = ∣ 3 ? β 1 ∣ , Q 2 ( β 1 ) = ∣ 1 ? β 1 ∣ , Q 3 ( β 1 ) = ∣ 4 ? 2 β 1 ∣ Q_{1}(\beta_{1})=|3-\beta_{1}|,Q_{2}(\beta_{1})=|1-\beta_{1}|,Q_{3}(\beta_{1})=|4-2\beta_{1}| Q1?(β1?)=3?β1?,Q2?(β1?)=1?β1?,Q3?(β1?)=4?2β1? ∑ i = 1 3 Q i ( β 1 ) \sum_{i=1}^{3}Q_{i}(\beta_{1}) i=13?Qi?(β1?)的圖形,如圖2.2,
可以看出 ∑ i = 1 3 Q i ( β 1 ) \sum_{i=1}^{3}Q_{i}(\beta_{1}) i=13?Qi?(β1?)是一條折線凸函式,該結論對 ∑ i = 1 n Q i ( β 1 ) \sum_{i=1}^{n}Q_{i}(\beta_{1}) i=1n?Qi?(β1?)也是成立的,即 ∑ i = 1 n Q i ( β 1 ) \sum_{i=1}^{n}Q_{i}(\beta_{1}) i=1n?Qi?(β1?)是一折線凸函式,
在這里插入圖片描述

圖2.2

所以,對于 Q ( β 1 ) = ∑ i = 1 n Q i ( β 1 ) Q(\beta_{1})=\sum_{i=1}^{n}Q_{i}(\beta_{1}) Q(β1?)=i=1n?Qi?(β1?) Q ( β 1 ) Q(\beta_{1}) Q(β1?) n n n個折點,在 β 1 \beta_{1} β1?軸上,每個折點的橫坐標為 y i / x i , i = 1 , 2 , ? ? , n y_{i}/x_{i},i=1,2,\cdots,n yi?/xi?,i=1,2,?,n,下面我們按照 y i / x i y_{i}/x_{i} yi?/xi?的大小來排序,我們令最小的 y i / x i = β ( 1 ) y_{i}/x_{i}=\beta_{(1)} yi?/xi?=β(1)?,同時,將 β ( 1 ) \beta_{(1)} β(1)?所對應的 Q i ( β 1 ) Q_{i}(\beta_{1}) Qi?(β1?)重新賦值給 Q 1 ( β 1 ) Q_{1}(\beta_{1}) Q1?(β1?)以此類推: β ( 1 ) ≤ β ( 2 ) ≤ ? ≤ β ( n ) \beta_{(1)}\leq \beta_{(2)}\leq \cdots\leq \beta_{(n)} β(1)?β(2)??β(n)?,且 n n n Q i ( β 1 ) Q_{i}(\beta_{1}) Qi?(β1?)在平面坐標系中從左到右依次為 Q 1 ( β 1 ) , Q 2 ( β 1 ) , ? ? , Q n ( β 1 ) Q_{1}(\beta_{1}),Q_{2}(\beta_{1}),\cdots,Q_{n}(\beta_{1}) Q1?(β1?),Q2?(β1?),?,Qn?(β1?),且它們原來所對應的 x i x_{i} xi?分別重新記為 x 1 , x 2 , ? ? , x n x_{1},x_{2},\cdots,x_{n} x1?,x2?,?,xn?,則當 β ≤ β ( 1 ) \beta\leq \beta_{(1)} ββ(1)?時,對于所有的 i i i都有 Q i ( β ) Q_{i}(\beta) Qi?(β)的斜率為 ? ∣ x i ∣ -|x_{i}| ?xi?,故此時, Q ( β 1 ) = ? ∑ i = 1 n ∣ x i ∣ Q(\beta_{1})=-\sum_{i=1}^{n}|x_{i}| Q(β1?)=?i=1n?xi?,我們記 M = ∑ i = 1 n ∣ x i ∣ M=\sum_{i=1}^{n}|x_{i}| M=i=1n?xi?
β ( 1 ) ≤ β ≤ β ( 2 ) \beta_{(1)}\leq \beta\leq\beta_{(2)} β(1)?ββ(2)?時,由于 Q 1 ( β 1 ) Q_{1}(\beta_{1}) Q1?(β1?)的斜率為 ∣ x i ∣ |x_{i}| xi?,故 Q ( β 1 ) = ? ∑ i = 1 n ∣ x i ∣ + 2 ∣ x 1 ∣ Q(\beta_{1})=-\sum_{i=1}^{n}|x_{i}|+2|x_{1}| Q(β1?)=?i=1n?xi?+2x1?
由此可見,折線 Q ( β 1 ) Q(\beta_{1}) Q(β1?)的斜率只在 β 1 = β ( i ) , i = 1 , 2 , ? ? , n \beta_{1}=\beta_{(i)},i=1,2,\cdots,n β1?=β(i)?,i=1,2,?,n時改變,所以 β 1 = β ( i ) , i = 1 , 2 , ? ? , n \beta_{1}=\beta_{(i)},i=1,2,\cdots,n β1?=β(i)?,i=1,2,?,n是折線 Q ( β 1 ) Q(\beta_{1}) Q(β1?)的折點的橫坐標,并且只有這些折點,從左到右經過每個折點,斜率就會增加 2 ∣ x i ∣ 2|x_{i}| 2xi?,根據這些,我們就可以找到求出 Q ( β 1 ) Q(\beta_{1}) Q(β1?)最小值的方法,
設最小值點在 β ( r ) \beta_{(r)} β(r)?處達到,那么對于 r r r
{ ? ∑ i = 1 n ∣ x i ∣ + 2 ∑ j = 1 r ? 1 ∣ x 1 ∣ < 0 , ? ∑ i = 1 n ∣ x i ∣ + 2 ∑ j = 1 r ∣ x 1 ∣ ≥ 0 (6) \begin{cases} -\sum_{i=1}^{n}|x_{i}|+2\sum_{j=1}^{r-1}|x_{1}|<0,\\ -\sum_{i=1}^{n}|x_{i}|+2\sum_{j=1}^{r}|x_{1}|\ge0 \end{cases} \tag{6} {?i=1n?xi?+2j=1r?1?x1?<0,?i=1n?xi?+2j=1r?x1?0?(6)或者等價表示為
{ ∑ j = 1 r ? 1 ∣ x 1 ∣ < M 2 , ∑ j = 1 r ∣ x 1 ∣ ≥ M 2 (7) \begin{cases} \sum_{j=1}^{r-1}|x_{1}|<\frac{M}{2},\\ \sum_{j=1}^{r}|x_{1}|\ge\frac{M}{2} \end{cases} \tag{7} {j=1r?1?x1?<2M?,j=1r?x1?2M??(7)
下面我們分兩種情況進行討論:
(1)若 ∑ j = 1 r ∣ x 1 ∣ > M 2 \sum_{j=1}^{r}|x_{1}|>\frac{M}{2} j=1r?x1?>2M?,此時 β 1 ^ = β ( r ) \widehat{\beta_{1}}=\beta_{(r)} β1? ?=β(r)?,由 y k = β 0 ^ + β 1 ^ x k y_{k}=\widehat{\beta_{0}}+\widehat{\beta_{1}}x_{k} yk?=β0? ?+β1? ?xk?得到, β 0 ^ = y k ? β 1 ^ x k = y k ? β ( r ) x k \widehat{\beta_{0}}=y_{k}-\widehat{\beta_{1}}x_{k}=y_{k}-\beta_{(r)}x_{k} β0? ?=yk??β1? ?xk?=yk??β(r)?xk?,此時中位數回歸直線方程為: y = y k ? β ( r ) x k + β ( r ) x (8) y=y_{k}-\beta_{(r)}x_{k}+\beta_{(r)}x \tag{8} y=yk??β(r)?xk?+β(r)?x(8)
(2)若 ∑ j = 1 r ∣ x 1 ∣ = M 2 \sum_{j=1}^{r}|x_{1}|=\frac{M}{2} j=1r?x1?=2M?,此時 [ β ( r ) , β ( r + 1 ) ] [\beta_{(r)},\beta_{(r+1)}] [β(r)?,β(r+1)?]上所有的點都是 β 1 \beta_{1} β1?的最優估計,我們不妨就取 β 1 ^ = β ( r ) \widehat{\beta_{1}}=\beta_{(r)} β1? ?=β(r)?,最后中位數回歸直線方程于式(8)相同,

三、實際案例與python編程計算

3.1中位數回歸方程的計算

我們來考慮如下這樣一組資料:

y y y x x x
2204
1463
4387
491
952
3036
2615
表3.1.1

下面給出計算中位數回歸方程完整 p y t h o n python python源代碼:

import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import math
#一元線性模型的中位數回歸
#匯入資料
dataset=pd.read_excel('LAD for dimension of one.xlsx')

#尋找y的中位數,因為取中位數函式np.median()有時會把中間兩項求平均值,這與我們的目的不和,故自己寫一個程式
dataset=dataset.sort_values(by='y',ascending=True)
n=len(dataset)#資料量大小n
k=math.ceil(n/2)#中位數下標k
yk=dataset.iloc[k-1,0]
xk=dataset.iloc[k-1,1]

#作以中位數為中心的變換
reversef_x=lambda x:x-xk
reversef_y=lambda y:y-yk
dataset['x']=reversef_x(dataset['x'])
dataset['y']=reversef_y(dataset['y'])

#洗掉xi=0的資料
dataset=dataset.drop(dataset[dataset['x'].isin([0])].index)

#計算βi=yi/xi,并以βi的大小排序
dataset['beta']=dataset['y']/dataset['x']
dataset=dataset.sort_values(by='beta',ascending=True)

#計算M
fabs=lambda x:abs(x)
dataset['|x|']=fabs(dataset['x'])
M=dataset['|x|'].sum()

#尋找最優的βr
a=0
for i in range(len(dataset)):
   a+=dataset.iloc[i,3]
   if a<M/2:
       continue
   else:
       beta_r=dataset.iloc[i,2]
       break
#輸出結果
print("中位數回歸曲線方程為:y={}+{}x".format(yk-beta_r*xk,beta_r))

下面給出程式運行結果:
在這里插入圖片描述

3.2資料可視化

下面畫出回歸方程與資料點的圖:
在這里插入圖片描述

圖3.2.1

可以看出中位數回歸直線一定過點 ( x k , y k ) (x_{k},y_{k}) (xk?,yk?),而且還會經過資料點中的另一個點,
資料可視化部分的代碼如下:

#資料可視化
#畫出資料散點圖
dataset=pd.read_excel('LAD for dimension of one.xlsx')
plt.scatter(dataset['x'],dataset['y'],c='red',label='原始資料點')
#畫出回歸直線圖
x=np.arange(0,9,1)
y=[]
for i in x:
    yi=yk-beta_r*xk+beta_r*i
    y.append(yi)
plt.plot(x,y,label='回歸直線')
#設定圖例
plt.legend(loc='upper left',frameon=True)
plt.title('中位數回歸直線',size=15)
plt.xlabel('x',size=15)
plt.ylabel('y',size=15)
plt.show()

3.3回歸引數檢驗

下面我們對回歸的情況進行一些必要的檢驗:
在這里插入圖片描述

圖3.3.1

引數檢驗代碼如下:

#回歸引數檢驗
def get_lr_stats(x, y):
    n = len(x)
    y_prd = yk-beta_r*xk+beta_r*x
    Regression = sum((y_prd - np.mean(y)) ** 2)  # 回歸平方和
    Residual = sum((y - y_prd) ** 2)  # 殘差平方和
    total = sum((y - np.mean(y)) ** 2)  # 總體平方和
    R_square = 1 - Residual / total  # 相關性系數R^2
    message1 = ('相關系數(R^2): ' + str(R_square) + ';' + '\n' + '總體平方和(TSS): ' + str(total) + ';' + '\n')
    message2 = ('回歸平方和(RSS): ' + str(Regression) + ';' + '\n殘差平方和(ESS): ' + str(Residual) + ';' + '\n')
    return print('\n' + message1 + message2)
get_lr_stats(dataset['x'], dataset['y'])

四、參考文獻

[1]李仲來.最小一乘法介紹[J].數學通報,1992(02):42-45.

轉載請註明出處,本文鏈接:https://www.uj5u.com/houduan/275794.html

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