Vztah mezi počtem květů a celkovou biomasou rostliny CELKE EM. slá pro KVETU = závi

Transkript

1 Regrese a korelace

2 Regrese versus korelace Regrese (regresson)* popsuje vztah = závslost dvou a více kvanttatvních (popř. ordnálních) proměnných formou funkční závslost měří těsnost Korelace (correlaton) těsnost vztahu = závslost mez dvěma proměnným Lší se chápání proměnných u obou metod? Regrese: lze rozlšt, která proměnná závsí na které (= příčnnost) rozlšujeme nezávslou (ndependent; není zatížena chybou chybou ) a závslou (dependent, response; predktor, je zatížena chybou) proměnnou (varable * v užším slova smyslu varable) (Pozn.: lze řešt případy, kdy obě proměnné jsou zatíženy chybou ) Korelace: nelze rozlšt proměnné na závslou a nezávslou (obě jsou zatíženy chybou)

3 Graf závslost (Scatter plot =x-y graf) Vztah mez počtem květů a celkovou bomasou rostlny ná oměnn slá pro Osa y = záv KVETU CELKE EM celková bomasa Osa x = nezávslá proměnná

4 Jednoduchá regrese - lneární model nejjednodušší případ regrese: jednoduchá jednoduchá = pouze 1 nezávslá proměnná; lneární lneární = závslost y na x vyjadřujeme j přímkou Předpoklady lneární regrese: 1. homogenní rozptyl: všechna Y mají stejnou rozptýlenost 2. lnearta: střední hodnota y leží na regresní přímce populace 3. nezávslost 4. proměnná X je měřena bez chyby (pokud ne, pak užít Model II regrese*) Obecné populace Y podle X Specální forma populací Y uvažovaných př jed. lneární regres Náhodné velčny Y 1,Y 2,..,Y jsou nezávslé se střední hodnotou α+βx a rozptylem σ 2

5 Jednoduchá lneární regrese Obecný předps y =α+βx Nezávslá proměnná x je na horzontální ose x, závslá proměnná y je na vertkální ose y. (smple lnear regresson) Jak to vypadá ale v populac? je y =α+βx +ε chyba = rezduál (resduum)=odchylka očekávaného od skutečného y Jak ale nalézt přímku, která bude nejlépe ftovat = = prokládat naše data? Tak kterou? Musíplatt, aby (rezduální) součet čtverců odchylek skutečných od očekávaných hodnot (RSS) byl mnmální RSS = n = 1 ( y y) 2 = mn.

6 Jak vybrat nejlepší přímku? 1) spočítat celkový průměr všech hodnot y a vynést ho do grafu 2) přímka prochází bodem ( x, y) 3) rotuj přímku kolem bodu (2) přčemž SS Y =SS R +SS E a musí být splněno SS Y = n 2 RSS = ( y y ) = mn. = 1 4) pak byla bl nalezena nejlepší možná přímka (Grafen a Hals 2002, str. 24)

7 Výpočet parametrů regresní rovnce y =α+βx y=a+bx... odhad (pracujeme s výběrem) β (b) = regresní koefcent (směrnce přímky, slope) můženabý nabýva vat všech hhodnot na reálné ose směrnce b = změna Y,, která je způsobena změnou X o jednotku b ( x x)( y = 2 ( x x) ) y) α (a) =absolutní íčl člen (průsečík ů s osou y; ntercept) bod dd daný ýk koordnátam ( x, y ) lží leží vždy na přímce, pak pak a = y bx a b

8 Jak blízko je odhadovaná přímka skutečné regresní přímce populace? Odhad b je zatížen chybou (SEb; b; standard error of b): ta má normální rozdělení 1 SE b ; s b ; s ( y y SE = = n 2 2 ( x x ) ( x x ) 2 y ) 2 Jak zlepšt odhad b? 1. snížením rozptylu Y 2. zvýšením n 3. zvýšením rozptylu X (Wonnacot & Wonnacot 1993, str. 406)

9 Celková varablta proměnnéě y je Dělení varablty v regres SS = y y 2 TOTAL ( ) Tuto varabltu lze rozdělt na varabltu vysvětlenou regresním modelem: varablta vysvětlená = 2 SSREG ( yˆ y) reg. modelem a zbytkovou, nevysvětlenou varabltu: SS ERROR = ( y y ˆ ) 2 celková varablta y Yˆ3 Y Yˆ Y ˆ2 rezduum

10 Testovat regres? Proč? Aco? náhodný výběr (n=5) z populace p s β=0β (Lepš 1996)

11 Testování sgnfkance regrese H 0 : b=0 [y = α + ε ] H A :b 0 [y = α + β 1 x + ε ] Máme 2 možnost: ANOVA a t test test porovnáme obě dílčí varablty: čím menší bude SS ERROR, tím těsnější bude vztah mez skutečným hodnotam a přímkou SS DF REG =1 MS = DF ERR =n 2 REG 1 alternatvně: b β t = 0 pak s b REG F = MS MS MS REG MS ERR ERR = SS ERR n 2 je-l t t α(2), n-2... zamítáme H 0 je-l F F α(1), 1, n... zamítáme H 0 (1), 1, n-2

12 Jak úspěšná byla regrese? ese Koefcent determnace (coeffcent of determnaton) udává (rozsah <0;1>, popř. *100 v % <0;100>), jaká část varablty závsle proměnné je vysvětlena regresním modelem 2 r = R = = 2 SS REG SS TOT vysoký R 2 střední R 2 nízký R 2 (Lepš 1996)

13 Lneární regrese - příklad X Y Y X n 6 6 Průměr s Y 6.3 (X,Y) Y= * X X Analyss of Varance Secton Sum of Mean Prob Source DF Squares Square F-Rato Level Slope Error

14 Interpolace, extrapolace Interpolace = stanovení nových hodnot ležících uvntř rozmezí sebraných dat Extrapolace = stanovení nových hodnot ležících mmo rozmezí sebraných dat Lneární modely mohou aproxmovat nelneární závslost v omezeném rozsahu nezávslé proměnné X. nterpolace uvntř těchto lmtů bude akceptovatelná, když mmo ně (extrapolace) nepopsuje p skutečnou závslost Y na X skutečný funkční vztah X a Y lneární model dl nterpoluje dobře uvntř ř sebraných hd dat (Gotell & Ellson 2004, str. 241)

15 Konfdenční a predkční ntervaly Cílem regresní analýzy není pouze predkce hodnoty závsle proměnné na nezávslé proměnné, ale určení přesnost takové predkce! Pro β: b±t α(2),n-2 *SE b Pro střední hodnotu y př daném x : konfdenční nterval (confdence bands) Pro ndvduální (jednotlvé) hodnoty y př daném x : predkční nterval (predcton ntervals)

16 Dagnostcké testy: kdy je použtí lneární regrese chybné? Rezduály y jako funkce jejch příslušného x (graf resduálů = resdual plot) Nutný další regresor* y yˆ y yˆ y Heteroskedalta věk Ulétlé hodnoty y ˆ y věk y ˆ y věk Homoskedalta Regrese Rezduály věk Špatně specfkován reg. model Regrese Rezduály

17 Tak takhle tedy ne... Nepřměřený vlv 1 bodu může zcela změnt závslost y na x, pokud není dodržena podmínka zahrnutí celého (resp. většího) rozmezí proměnné ě x do analýzy... (Gotell & Ellson 2004)

18 Ty ulétlé hodnoty...

19 Role X a Y: záleží které je které? Model I regrese: : jsou mnmalzovány vertkální odchylky jný ýp pohled: ftovaná přímka popsuje p vztah mez naměřeným hodnotam X a očekávaným hodnotam Y výsledný vztah je podmíněný použtým souborem hodnot X Model II regrese: : uvažujeme exstenc chyby jak pro X, tak pro Y. lze využít pouze tehdy,, když zároveň (a) jednou příčnou odchylek naměřených hodnot od přímky je chyba měření (measurement error) (b) tuto chybu lze přesně rozdělt mez X a Y proměnnou objem=-87,1+1,54*výška výška=69,0+0,232*objem (Grafen a Hals 2002, str. 43)

20 Jné typy regresní analýzy I. Robustní regrese (robust regresson): rezduály se počítají ne pomocí čtverce (rozdíl 2 ), ale jako např. absolutní odchylky, ale exstuje řada jných typů (např. M estmators, least trmmed trmmed,...) méně náchylná na vlv ulétlých hodnot (zvl. jsou l skutečné) nelze použít klasckého postupu, nutno užít terační procedury pro nalezení parametrů přímky Kvantlová regrese (quantle regresson): mnmalzuje odchylky dhlk od ftované regresní přímky, ale mnmalzující funkce je asymetrcká poztvní a negatvní odchylky dhlk jsou váženy rozdílně ě

21 Jné typy regresní analýzy II. Logstcká regrese (logstc regresson): specální forma regrese, kde proměnná y je kategorální (nejčastěj 2 kategore, méně ěč často více) závslost je vyjádřena tzv. S křvkou, tedy logstckou křvkou, která stoupá od jsté mnmální íh hodnoty (0 a vyšší) do maxmální asymptoty t (max.=1) výpočet parametrů je prováděn tzv. maxmum lkelhood approach (prncp maxmální věrohodnost) p e β0 + β1x = β + β x 1+ e β 0 = pravděpodobnost úspěchu (y=1), když je x=0 β 1 = určuje, jak rychle bude křvka stoupat k hodnotě p = 1 0 1

22 Jné typy regresní analýzy III. Nelneární regrese (Non lnear regresson) - jde o typ regrese, kde regresní funkce není lneární v parametrech ( (α, β, ε), ε tj. není-l jejch lneární kombnací y = ab y = x b x ab a y = 1+ bc x exponencální růstů ů t Výpočet č parametrů ů exponencální pokles logstcký růst regresní rovnce je složtý a provádí se tzv. terační procedurou (teraton)

23 Mnohonásobná lneární regrese (Multple l lnear regresson) studuje závslost jedné závslé proměnné na 2 a více nezávslých proměnných y j =α+β 1 x 1j + β 2 x 2j + β 3 x 3j +...+ε+ +ε j parcální regresní koefcenty (partal testuje se obecná hypotéza F-testem: H 0: β 1 = β 2 =...= β m = 0 partal regresson coeffcents) v případě zamítnutí H 0 se testují dílčí parcální koefcenty t-testem: testem: H 0 : β = 0 Příklad rovna: 2 nezávslé proměnné

24 Jak vypadá výstup mnohonásobné regrese z PC? Závslá proměnná (Dependent v.): počet pacbulek česneku domácího Regresson Equaton Secton IndependentRegresson Standard T-Value Prob Decson Power Varable Coeffcent Error (Ho: B=0) Level (5%) (5%) Intercept Accept Ho výška rost Reject Ho počet lstů Reject Ho R-Squared Analyss of Varance Secton Sum of Mean Prob Power Source DF Squares Square F-Rato Level (5%) Intercept Model testování parcálních koefcentů t testemtestem Error Total ANOVA (F test) R-Squared Adj R-Squared

25 Polynomcká regrese (Polynomal regresson) jedná se o zvláštní typ mnohonásobnéregrese pouze jedna proměnná X,, ale v rovnc se vyskytují její 1 n mocnny y=a+b 1 x +b 2 x b +...+b m x m +ε ι 1 2 m ι Kolk členů použít? Testujeme postupně ě b m stále vyšších mocnn na H 0 : b m =0 a podle výsledku určujeme počet členů rovnce (nejužívanější je kvadratcká regrese)

26 Polynomcká regrese- příklad: Polynom 1. st. Polynom 2. st. Který je nejvhodnější? Polynom 3. st. Polynom 4. st. Polynom 5. st. (Lepš 1996)

27 Analýza kovarance (ANCOVA) hybrd regrese a ANOVy užívá se v případě, kdy v analýze pomocí ANOVA zohledňuj dodatečnou kvanttatvní proměnnou (kovaráta)) měřenou pro každé opakování hypotéza je, že také kovaráta přspívá k varabltě závsle proměnné Model:* j- Yj = μ + A + β(xj x ) + εj Pokud má kovaráta vlv, pak rezduály budou výrazně menší a test rozdílů mez zásahy bude výrazně slnější *nejkomplexnější model, kdy každá hladna faktoru A má vlastní regresní přímku Možné výsledky expermentů s ANCOVA desgnem (Gotell et Ellson 2004, str. 334)

28 ANCOVA - příklad Př.: Lší se počet květů v květenství česneku domácího mez cytotypy (4x, 5x) s odstraněním vlvu počtu pacbulek (kovaráta)? Analyss of Varance Table Source Term DF Sum of Squares Mean Square F-Rato Prob Level X(pocet_pacbulek) * A: Plode * S Total (Adjusted) Total 285 * Term sgnfcant at alpha = 0.05 KVET TU_CELKEM KVETU_CELKEM vs pocet_pacbulek Plode pocet_pacbulek

29 Kovarance (covarance) jedním číslem vyjadřuje vztah mez dvěma (kvanttatvním) proměnným její hodnoty závsí na jednotkách, ve kterých jsou měřeny proměnné (vz čtatel vzorce) teoretcky se pohybuje od do + COV ( x x )( y = n 1 y ) Varance covarance covarance matrx: matce n x n proměnných (čtverec), kde na úhlopříčce leží varance jednotlvých proměnných, a nad a pod dagonálou leží kovarance párů proměnných ných x a x j

30 r = Parametrcká korelace (correlaton) měří stupeň nebol těsnost lneární závslost dvou kvanttatvních proměnných Pearsonův korelační koefcent (correlaton coeffcent) ( x n x)( y y) 1 x x y y = 2 2 ( x = x) ( y n s y) 1 1 x sy standardzovaná kovarance nelze rozlšt závslou a nezávslou proměnnou (obě jsou zatíženy chybou) parametrcký výběrový korelační koefcent + je odhadem parametru r je bezrozměrný, nabývá hodnot < 1;+1> Předpoklad užtí: dvourozměrná normální populace (!!!)

31 Dvourozměrné normální rozdělení Dvourozměrné normální rozdělení pro dvě proměnné Y 1 a Y 2, které jsou slabě korelované. (Qunn & Keough 2002, str. 73) Dvourozměrné normální rozdělení pro dvě proměnné Y 1 a Y 2 které jsouslně slně poztvně korelované.

32 Jaký význam má korelační koefcent? (A) r>0 0...poztvní ík korelace stoupá X,, stoupá Y (obráceně ě je to zcela totožné) t ((B)(B) r=1... úplná poztvní (determnstcká) korelace) (C) r< negatvní korelace stoupá X,, klesá Y (= stoupá Y, klesá X) ((D)(D) r= úplná negatvní (determnstcká) korelace) (E) r= nulová korelace (proměnné jsou nekorelované) není lneární vztah mez proměnným A C E r=0.60 B r=1.00 r= 0.80 r= 1.00 r=0.00 D E ALE POZOR!!! r=0.00

33 r je odhadem: je nutno ho testovat! H 0 : r=0 H A : r 0 t = r 1 r kde s = s r n 2 r = standardní chyba korelačního koefcentu 2 je-l t t α(2),n... zamítáme H (2),n-2 0

34 r s A co když nemám splněnu podmínku pro užtí param. korelace? Spearmanův pořadový koefcent korelace = 1 n 6 d 2 6 n = 1 3 n (Spearman rank correlaton coeffcent) kde d 2 = rozdíl pořadí mez x a y pracujeme s pořadím nevyžaduje dvourozměrné normální rozdělení nterpretace jako u parametrckého r testování se provádí porovnáním s krtckým hodnotam na zvolené hladně významnost př příslušné velkost souboru (v tabulkách)

35 Parcální korelace (Parcal correlaton) vyjadřujetěsnost závslost dvouproměnnýchza předpokladu, že další proměnná (proměnné) se nemění umožňuje odfltrovat nterakce mají úzkou souvslost s parcálním regresním koefcenty