2019-2020年高中數(shù)學(xué)第2章統(tǒng)計(jì)2.4線(xiàn)性回歸方程名師導(dǎo)航學(xué)案蘇教版必修3.doc

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2019-2020年高中數(shù)學(xué)第2章統(tǒng)計(jì)2.4線(xiàn)性回歸方程名師導(dǎo)航學(xué)案蘇教版必修3 三點(diǎn)剖析 一、變量之間的關(guān)系 在實(shí)際問(wèn)題中，變量之間的關(guān)系有兩類(lèi): 一類(lèi)是確定性關(guān)系，變量之間的關(guān)系可以用函數(shù)表示.例如，正方形的面積S與邊長(zhǎng)a之間就是確定性關(guān)系，可以用函數(shù)S=a2表示. 在實(shí)際問(wèn)題中，變量之間的關(guān)系除了確定性的函數(shù)關(guān)系之外，還有一種非確定性的關(guān)系.例如:商品銷(xiāo)售收入與廣告支出經(jīng)費(fèi)之間的關(guān)系.我們不可否認(rèn)商品銷(xiāo)售收入與廣告支出經(jīng)費(fèi)之間有著密切的聯(lián)系，但商品銷(xiāo)售收入不僅與廣告支出多少有關(guān)，還與商品的質(zhì)量、居民的經(jīng)濟(jì)狀況等因素有關(guān).再如:糧食產(chǎn)量與施肥量之間的關(guān)系.在一定范圍內(nèi)，施肥量越大，糧食的產(chǎn)量就越高.但是，施肥量并不是決定糧食產(chǎn)量的唯一因素，因?yàn)榧Z食產(chǎn)量還要受到土壤質(zhì)量、降雨量、田間管理水平等因素的影響.又如人的身高和體重之間的關(guān)系、人的年齡和血壓之間的關(guān)系等，這些變量之間存在著密切的關(guān)系，但它不能由一個(gè)變量的數(shù)值精確地確定另一個(gè)變量的數(shù)值.像這種自變量取一定值時(shí)，因變量的取值帶有一定隨機(jī)性,這樣的兩個(gè)變量之間的關(guān)系，我們稱(chēng)之為相關(guān)關(guān)系.從某種意義上講,函數(shù)關(guān)系可以看作是一種理想的關(guān)系模型，而相關(guān)關(guān)系則是一種非常普遍的關(guān)系.研究和學(xué)習(xí)相關(guān)關(guān)系不僅可以使我們能夠處理更為廣泛的數(shù)學(xué)問(wèn)題，還可以使我們對(duì)函數(shù)關(guān)系的認(rèn)識(shí)上升到一個(gè)新的高度.在現(xiàn)實(shí)生活中,存在大量的相關(guān)關(guān)系，所以,尋找變量之間的相關(guān)關(guān)系很有必要.在此,統(tǒng)計(jì)在其中發(fā)揮著非常重要的作用.在相關(guān)關(guān)系中，變量的關(guān)系不是完全確定的，而是帶有不確定性.這就需要通過(guò)收集大量的數(shù)據(jù)(有時(shí)通過(guò)調(diào)查，有時(shí)通過(guò)試驗(yàn))，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律，才能對(duì)它們之間的關(guān)系作出判斷. 二、散點(diǎn)圖 在考慮相關(guān)關(guān)系中的兩個(gè)量的關(guān)系時(shí)，為了對(duì)變量之間的關(guān)系有一個(gè)大致的了解，我們通常將變量所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)描出來(lái)，這些點(diǎn)就組成了具有相關(guān)關(guān)系的變量之間的一組數(shù)據(jù)的圖形，通常稱(chēng)這種圖為變量之間的散點(diǎn)圖. 通過(guò)具有相關(guān)關(guān)系的兩個(gè)量的散點(diǎn)圖我們可以對(duì)這兩個(gè)變量間的關(guān)系有一個(gè)大致的了解. 例如:在7塊并排、形狀大小相同的試驗(yàn)田上進(jìn)行施化肥量對(duì)水稻產(chǎn)量影響的試驗(yàn)，得到如下表所示的一組數(shù)據(jù)(單位:kg). 施化肥量x 15 20 25 30 35 40 45 水稻產(chǎn)量y 330 345 365 405 445 450 455 將表中的各對(duì)數(shù)據(jù)在平面直角坐標(biāo)系中描點(diǎn)，即可得到該組數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖,如圖6-12所示: 圖6-12 由圖可發(fā)現(xiàn)，圖中的各點(diǎn)大致分布在一條直線(xiàn)的附近. 三、最小二乘法、線(xiàn)性回歸方程 1．最小二乘法 由施化肥量對(duì)水稻產(chǎn)量影響的試驗(yàn)所得到的散點(diǎn)圖可發(fā)現(xiàn)，圖中的各點(diǎn)，大致分布在一條直線(xiàn)y=a+bx的附近.故可用一個(gè)線(xiàn)性函數(shù)近似表示施化肥量和水稻產(chǎn)量之間的關(guān)系.這種線(xiàn)性關(guān)系可以用多種方法來(lái)進(jìn)行刻畫(huà)，那么用什么樣的線(xiàn)性關(guān)系刻畫(huà)會(huì)更好一些呢？ 有一個(gè)非常直觀的想法，一個(gè)好的線(xiàn)性關(guān)系要保證這條直線(xiàn)與所有點(diǎn)都近. 如果有n個(gè)點(diǎn):(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)，可以用下面的表達(dá)式來(lái)刻畫(huà)這些點(diǎn)與直線(xiàn)y=a+bx的接近程度:［y1-(a+bx1)］2+［y2-(a+bx2)］2+…+［yn-(a+bxn)］2． 使得上式達(dá)到最小值的直線(xiàn)y=a+bx就是我們所要求的直線(xiàn)，這種方法稱(chēng)為最小二乘法. 2．線(xiàn)性回歸方程 通過(guò)收集現(xiàn)實(shí)生活中兩個(gè)有關(guān)聯(lián)的變量的數(shù)據(jù)作出散點(diǎn)圖，如果所有的散點(diǎn)分布成或近似成一條直線(xiàn)，我們說(shuō)這兩個(gè)變量有線(xiàn)性關(guān)系(否則就說(shuō)兩個(gè)變量不具有線(xiàn)性關(guān)系)，然后運(yùn)用最小二乘法的思想，用一條直線(xiàn)來(lái)擬合兩個(gè)變量之間的關(guān)系:y=a+bx.要求所有點(diǎn)相對(duì)于該直線(xiàn)的偏差的平方和盡可能達(dá)到最小.我們把y=a+bx稱(chēng)作線(xiàn)性回歸方程，其中 求線(xiàn)性回歸方程的一般步驟: (1)根據(jù)兩組數(shù)據(jù)計(jì)算 (2)代入(*)計(jì)算求a、b的值； (3)代入y=a+bx. 一般情況下，求線(xiàn)性回歸方程可借助計(jì)算器和計(jì)算機(jī)來(lái)完成. 問(wèn)題探究 問(wèn)題1:在一次對(duì)人體脂肪含量和年齡關(guān)系的研究中，研究人員獲得了一組樣本數(shù)據(jù): 人體的脂肪含量與年齡之間的關(guān)系 年　齡 23 27 39 41 45 49 50 脂　肪 9.5 17.8 21.2 25.9 27.5 26.3 28.2 年　齡 53 54 56 57 58 60 61 脂　肪 29.6 30.2 31.4 30.8 33.5 35.2 34.6 根據(jù)上述數(shù)據(jù)，人體的脂肪含量與年齡之間有怎樣的關(guān)系？ 探究:觀察表中數(shù)據(jù)，大體上來(lái)看，隨著年齡的增加，人體中脂肪的百分比也在增加.為了確定這一關(guān)系的細(xì)節(jié)，我們需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.我們假設(shè)人的年齡影響體內(nèi)脂肪含量，于是，按照習(xí)慣，以x軸表示年齡，以y軸表示脂肪含量，得到相應(yīng)的散點(diǎn)圖(如圖6-13所示). 圖6-13 從散點(diǎn)圖我們可以看出，年齡越大，體內(nèi)脂肪含量越高，圖中點(diǎn)的趨勢(shì)表明兩個(gè)變量之間確實(shí)存在一定的關(guān)系，這個(gè)圖支持了我們從數(shù)據(jù)表中得出的結(jié)論. 經(jīng)計(jì)算可得到回歸直線(xiàn)的回歸方程為=0.577x-0.448． 問(wèn)題2:一般地，(x,y)的n組觀察數(shù)據(jù): x x1 x2 x3 … xn y y1 y2 y3 … yn 的回歸直線(xiàn)的方程為y=a+bx，則直線(xiàn)y=a+bx恒過(guò)的定點(diǎn)是什么？ 探究:由線(xiàn)性回歸方程的推導(dǎo)，可知方程的系數(shù)a、b滿(mǎn)足條件:.由此不難發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)(，)的坐標(biāo)滿(mǎn)足直線(xiàn)y=a+bx的方程.所以,由點(diǎn)與直線(xiàn)的位置關(guān)系可得點(diǎn)(，)在直線(xiàn)y=a+bx上,即直線(xiàn)y=a+bx恒過(guò)點(diǎn)(，).這里=，=. 精題精講 例1．有一個(gè)同學(xué)家開(kāi)了一個(gè)小賣(mài)部，他為了研究氣溫對(duì)熱飲銷(xiāo)售的影響，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，得到一個(gè)賣(mài)出的熱飲杯數(shù)與當(dāng)天氣溫的對(duì)比表: 攝氏溫度/℃ -5 0 4 7 12 15 19 23 27 31 36 熱飲杯數(shù) 156 150 132 128 130 116 104 89 93 76 54 (1)畫(huà)出散點(diǎn)圖； (2)從散點(diǎn)圖中發(fā)現(xiàn)的氣溫與熱飲銷(xiāo)售杯數(shù)之間的關(guān)系的一般規(guī)律； (3)求回歸方程； (4)如果某天的氣溫是2℃，預(yù)測(cè)這天賣(mài)出的熱飲杯數(shù). 思路解析 根據(jù)所給數(shù)據(jù)，作出散點(diǎn)圖，判斷散點(diǎn)是否在一條直線(xiàn)附近；如果散點(diǎn)在一條直線(xiàn)附近，用公式(*)求出a、b，寫(xiě)出線(xiàn)性回歸方程. 答案:(1)散點(diǎn)圖如圖6-14所示: 圖6-14 (2)從圖中看到，各點(diǎn)散布在從左上角到右下角的區(qū)域里，因此，氣溫與熱飲銷(xiāo)售杯數(shù)之間成負(fù)相關(guān)，即氣溫越高，賣(mài)出去的熱飲杯數(shù)越少. (3)從散點(diǎn)圖可以看出，這些點(diǎn)大致分布在一條直線(xiàn)的附近，因此，可用公式(*)求出回歸方程的系數(shù). 利用計(jì)算器容易求得回歸方程=-2．352x+147．767． (4)當(dāng)x=2時(shí)，=143．063．因此，某天的氣溫為2℃時(shí)，這天大約可以賣(mài)出143杯熱飲. 例2．為研究某市家庭年平均收入與年平均生活支出的關(guān)系，該市統(tǒng)計(jì)調(diào)查隊(duì)隨機(jī)調(diào)查了10個(gè)家庭，得數(shù)據(jù)如下: i(家庭編號(hào)) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 xi(收入)(千元) 0.8 1.1 1.3 1.5 1.5 1.8 2.0 2.2 2.4 2.8 yi(支出)(千元) 0.7 1.0 1.2 1.0 1.3 1.5 1.3 1.7 2.0 2.5 求回歸直線(xiàn)方程. 思路解析 利用公式(*)求出a、b，寫(xiě)出線(xiàn)性回歸方程. 答案:列表. i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 xi 0.8 1.1 1.3 1.5 1.5 1.8 2 2 2.4 2.8 yi 0.7 1.0 1.2 1.0 1.3 1.5 1.3 1.7 2.0 2.5 xiyi 0.56 1.10 1.56 1．50 1．95 2.70 2．60 3．40 4.80 7.00 xi2 0.64 1.21 1.69 2.25 2.25 3.24 4.00 4.00 5.76 7.84 yi2 0.49 1.0 1.44 1.00 1.69 2.25 1.69 2.89 4.0 6.25 故可求得 ∴b=0.833，a=－0.013． ∴回歸直線(xiàn)方程為y=0.833x－0.013． 例3．隨機(jī)調(diào)查了某地區(qū)10個(gè)商店的建筑面積x(km2)與年銷(xiāo)售額y(百萬(wàn)元)的樣本如下: x(面積) 4.0 60 6 7.2 40 9 20 7 8 8.4 y(銷(xiāo)售額) 3.5 25 4.8 3.5 30 5 12 4.5 5 6 (1)求y關(guān)于x的線(xiàn)性回歸方程； (2)若線(xiàn)性關(guān)系存在，那么對(duì)于一個(gè)擁有10 000m2的商店來(lái)說(shuō)，它的年銷(xiāo)售額為多少？ 思路解析 利用公式(*)求出a、b，寫(xiě)出線(xiàn)性回歸方程. 答案:(1)列表. i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 xi 4 60 6 7.2 40 9 20 7 8 8.4 yi 3.5 25 4.8 3.5 30 5 12 4.5 5 6 xiyi 14 1 500 28.8 25.2 1 200 45 240 31.5 40 50.4 xi2 16 3 600 36 51.84 1 600 81 400 49 64 70.56 yi2 12.25 625 23.04 12.25 900 25 144 20.25 25 36 ∴=169.6=16.96，= 99.3=9.93． ∴=3 174.9，=5 968.4，=1 822.79． ∴ ∴y=0.48x+1.75． (2)當(dāng)x=10時(shí)，y=6.55． ∴年銷(xiāo)售額約為655萬(wàn)元. 綠色通道 本題反映了生活中普遍存在的商店的面積與年銷(xiāo)售額之間的聯(lián)系，并根據(jù)已有的數(shù)據(jù)得出線(xiàn)性回歸方程. 這是一類(lèi)日常生活中經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題.商店的面積與年銷(xiāo)售額之間存在著線(xiàn)性相關(guān)的關(guān)系,根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)我們求出它們之間線(xiàn)性回歸方程.利用該方程得出的年銷(xiāo)售額也只是一種估計(jì).