## Многофакторная (множественная) линейная регрессия ![Многофакторная линейная регрессия](../Pictures/03_01.%20Многофакторная%20линейная%20регрессия.png) Для построения модели необходимо иметь данные экспериментальных исследований объекта, представленные в виде таблицы, где каждой комбинации значений входных факторов соответствует значение выходного фактора. | Номер эксперимента | $X_1$ | $X_2$ | ... | $X_k$ | $Y$ | | ------------------ | -------- | -------- | --- | -------- | ----- | | 1 | $x_{11}$ | $x_{21}$ | ... | $x_{k1}$ | $y_1$ | | 2 | $x_{12}$ | $x_{22}$ | ... | $x_{k2}$ | $y_2$ | | 3 | $x_{13}$ | $x_{23}$ | ... | $x_{k3}$ | $y_3$ | | ... | ... | ... | ... | ... | ... | | $m$ | $x_{1m}$ | $x_{2m}$ | ... | $x_{km}$ | $y_m$ | $\overline{y}=\beta_0+\beta_1x_1+\beta_2x_2+\beta_3x_3+...+\beta_kx_k$, где $x_1$, $x_2$, $x_3$ и т. д. - значения входной переменной, $\beta_0$, $\beta_1$, $\beta_2$, ..., $\beta_k$ - коэффициенты регрессии. Имеющиеся экспериментальные данные в виде комбинаций ($x_{1i}$, $x_{2i}$, $x_{3i}$, ..., $x_{ki}$, $y_i$) являются лишь ограниченной выборкой из общего числа состояний исследуемого объекта. Поэтому можно определить только оценки коэффициентов $\beta_0$, $\beta_1$, $\beta_2$, ..., которые обозначают соответственно $b_0$, $b_1$, $b_2$, $b_3$, ..., $b_k$. $\overline{y}=b_0+b_1x_1+b_2x_2+b_3x_3+...+b_kx_k$ #### Матричный подход к определению коэффициентов регрессии Запишем для нашего случая матрицы $X$, $Y$, $B$: ```math X= \left[ \begin{matrix} 1 & x_{11} & x_{21} & x_{31} & ... & x_{k1} \\ 1 & x_{12} & x_{22} & x_{32} & ... & x_{k2} \\ 1 & x_{13} & x_{23} & x_{33} & ... & x_{k3} \\ ... & ... & ... & ... & ... & ... \\ 1 & x_{1m} & x_{2m} & x_{3m} & ... & x_{km} \\ \end{matrix} \right] ``` В матрице $X$ все элементы 1 столбика равны единице. Будем считать это фиктивной входной переменной $X_0$ с постоянным значением. ```math Y= \left[ \begin{matrix} y_1 \\ y_2 \\ y_3 \\ ... \\ y_m \\ \end{matrix} \right] ``` ```math B= \left[ \begin{matrix} b_0 \\ b_1 \\ b_2 \\ ... \\ b_k \\ \end{matrix} \right] ``` Определим размерность этих матриц: - $Y$ - вектор наблюдений ($m⋅1$) - $X$ - матрица независимых переменных ($`m(k+1)`$) - $B$ - вектор коэффициентов регрессии ($(k+1)⋅1$) Правила умножения матриц и векторов требуют, чтобы они были **согласованными** и имели соответствующую размерность. Пусть $A$ - матрица размерностью $(n⋅p)$: - На матрицу $A$ только слева может быть умножена матрица $B$ размерностью $(m⋅n)$: $B⋅A=(m⋅n⋅n⋅p)=C(m⋅p)$ - На матрицу $A$ только справа может быть умножена матрица $D$ размерностью $(p⋅q)$: $A⋅C=(n⋅p⋅p⋅q)=F(n⋅q)$ Следовательно, произведение $B⋅X$ не существует и множественная линейная регрессия может быть записана в виде $Y=X⋅B$ Использование аппарата линейной алгебры позволяет получить общую формулу для определения вектора, содержащего коэффициенты регрессии: $B=(X'⋅X)^{-1}=X'⋅Y$, где $(X'⋅X)^{-1}$ - обратная матрица, $X'$ - транспонированная матрица. Определением коэффициентов регрессионной модели построение модели не заканчивается. Необходимо также определить адекватность и точность предлагаемой многофакторной модели. #### Оценка адекватности и точности многофакторной линейной модели **Адекватность модели** характеризует соответствие модели экспериментальным данным в статистическую значимость уравнения-регрессии. Адекватность регрессионной модели оценивается **коэффициентом Фишера**: $F_{расч}=\frac{\sum{^m_{i=1}}(\hat{y_i}-\overline{y})^2}{\sum{^m_{i=1}}(y_i-\hat{y})^2}$ Расчетное значение коэффициента ($F_{расч}$) необходимо сравнить с табличным значением $F_{табл}(m,\alpha)$, где $m$ - общее количество экспериментальных наблюдений, $\alpha$ - уровень значимости. **Уровень значимости ($\alpha$)** - вероятность, с которой правильная гипотеза о модели может быть отвергнута как неправильная. Обычно в моделировании (и мы об этом уже говорили) используют значения $\alpha=0.05; 0.01$. Однако для многофакторных моделей табличное значение $F$-критерия зависит еще и от числа входных переменных. Если $F_{расч}>F_{табл}$, то модель считается адекватной, а регрессия статистически значимой. Если $F_{расч}