第3节 变量间的相关关系及回归模型 课件-2027届高三数学一轮复习

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第3节 变量间的相关关系及回归模型 课标要求 1.结合实例,了解样本相关系数的统计含义,了解样本相关系数与标准 化数据向量夹角的关系. 2.结合实例,会通过相关系数比较多组成对数据的相关性. 3.结合具体实例,了解一元线性回归模型的含义,了解模型参数的统计 意义,了解最小二乘原理,掌握一元线性回归模型参数的最小二乘估计 方法. 4.针对实际问题,会用一元线性回归模型进行预测. 目录/ CONTENTS 考点一 成对数据的相关性 01 考点二 一元线性回归模型 02 考点三 刻画拟合效果的统计量 03 提能点 非线性回归模型的应用 04 课时跟踪训练 05 01 PART 考点一 成对数据的相关性 目 录 1. 相关关系及分类 (1)相关关系:若两个变量有关系,但又没有确切到可由其中的一个去 精确地决定另一个的程度,这种关系称为相关关系; (2)分类:①从整体上看,当一个变量的值增加时,另一个变量的相应 值也呈现增加的趋势,就称这两个变量 ⁠; ②当一个变量的值增加时,另一个变量的相应值呈现减小的趋势,则称这 两个变量 ⁠. 提醒:注意相关关系与函数关系的区别:函数关系是一种确定的关系,而 相关关系是一种非确定的关系. 正相关  负相关  高中总复习·数学 目 录 2. 线性相关:一般地,如果两个变量的取值呈现正相关或负相关,而且散 点落在 附近,就称这两个变量线性相关. 3. 样本相关系数 一条直线  对于变量x和变量y,设经过随机抽样获得的成对样本数据为(x1,y1), (x2,y2),…,(xn,yn),若x与y存在线性相关关系,可用样本相关 系数r定量分析它们的相关程度的强弱. (1)样本相关系数r= (其中 为x1, x2,…,xn的平均数, 为y1,y2,…,yn的平均数); 高中总复习·数学 目 录 (2)样本相关系数r的性质 ①当r>0时,称成对样本数据 相关;当r<0时,称成对样本数 据 相关;当r=0时,称成对样本数据间没有线性相关关系; ②样本相关系数r的取值范围为 .当|r|越接近1时,成对样 本数据的线性相关程度越 ;当|r|越接近0时,成对样本数据的线 性相关程度越 ⁠. 正  负  [-1,1]  强  弱  高中总复习·数学 目 录 (1)(2026·天津河西模拟)对变量x,y有观测数据(xi,yi)(i =1,2,3,…,10),得散点图1;对变量u,v有观测数据(ui,vi) (i=1,2,3,…,10),得散点图2.由这两个散点图可以判断(  ) A. 变量x与y正相关,u与v正相关 B. 变量x与y正相关,u与v负相关 C. 变量x与y负相关,u与v正相关 D. 变量x与y负相关,u与v负相关 √ 解析:由变量x,y的散点图知,随x增大,y也增大,变量x与y正相关,由变量u,v的散点图知,随u增大,v减小,u与v负相关,故选B. 高中总复习·数学 目 录 (2)近年来,“双11”网购的观念逐渐深入人心,某人统计了近5年某网 站“双11”当天的交易额,统计结果如下表: 年份 2021 2022 2023 2024 2025 年份代码x 1 2 3 4 5 交易额y/百亿元 9 12 17 21 26 请根据表中提供的数据,画出散点图,推断两个变量是否线性相关,并用 样本相关系数r说明y与x的线性相关程度.(结果保留三位小数) 附:r= , ≈21.564. 高中总复习·数学 目 录 解:画出散点图,如图所示,由图可知交易额y与年份代码x线性相关.易 得 = ×(1+2+3+4+5)=3, = ×(9+12+17+21+26)=17, 则 (xi- )(yi- )=(-2)×(-8) +(-1)×(-5)+0+1×4+2×9=43, = × =2 , 高中总复习·数学 目 录 所以r= = ≈ ≈0.997, 所以变量y与x的线性相关程度很强. 高中总复习·数学 目 录 规律方法 1.判定两个变量相关性的方法 (1)散点图法:由成对样本数据作出散点图.若点的分布从左下角到右 上角,则两个变量正相关;若点的分布从左上角到右下角,则两个变量 负相关; (2)样本相关系数法:当r>0时,正相关;当r<0时,负相关;|r| 越接近1,相关性越强. 高中总复习·数学 目 录 2.样本相关系数r的计算 若成对样本数据(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn),则其样本相 关系数r= = . 高中总复习·数学 目 录 练1 对四组数据进行统计,获得如图所示的散点图,关于其样本相关系数 的比较,正确的是(  ) A. r2<r4<0<r3<r1 B. r4<r2<0<r1<r3 C. r4<r2<0<r3<r1 D. r2<r4<0<r1<r3 √ 高中总复习·数学 目 录 解析: 由散点图知图1与图3是正相关,故r1>0,r3>0,图2与图4是负 相关,故r2<0,r4<0,且图1与图2的样本点集中在一条直线附近,因此 r2<r4<0<r3<r1. 高中总复习·数学 目 录 02 PART 考点二 一元线性回归模型 目 录 1. 经验回归直线:从散点图上看,如果这些点从整体上看大致分布在通过 散点图中心的一条直线附近,这条直线叫做经验回归直线. 2. 经验回归直线对应的方程称为经验回归方程,即 = x+ ,其中 = = , = - ;其中 >0表明线性正相关, <0表明线性负相关. 高中总复习·数学 目 录 3. 通过求Q= (yi-bxi-a)2的最小值而得到经验回归直线的方法, 即使得样本数据的点到回归直线的距离的平方和最小,这一方法叫做最小 二乘法. 结论:经验回归直线经过样本中心点( , ). 高中总复习·数学 目 录 某企业近年来的广告费用x(单位:百万元)与所获得的利润y(单 位:千万元)的数据如表所示,已知y与x之间具有线性相关关系. 年份 2021 2022 2023 2024 2025 广告费用x/百万元 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 利润y/千万元 1.6 2 2.4 2.5 3 (1)求y关于x的经验回归方程; 高中总复习·数学 目 录 解: = =1.7, = =2.3, =1.52+1.62+1.72+1.82+1.92=14.55, xiyi=1.5×1.6+1.6×2+1.7×2.4+1.8×2.5+1.9×3=19.88, = = =3.3, = - =2.3-3.3×1.7=-3.31. 故所求的经验回归方程为 =3.3x-3.31. 高中总复习·数学 目 录 (2)若该企业从2021年开始,广告费用连续每一年都比上一年增加10万 元,根据(1)中所得的经验回归方程,预测2028年该企业所获得的利润. 参考公式: = = , = - . 解:由题可知,到2028年时广告费用为2.2百万元, 故可预测该公司所获得的利润约为3.3×2.2-3.31=3.95(千万元). 高中总复习·数学 目 录 规律方法 回归方程的求解四部曲 高中总复习·数学 目 录 练2 (2025·河南焦作模拟)小李准备在某商场租一间商铺开服装店,为 了解市场行情,在该商场调查了20家服装店,统计得到了它们的面积x (单位:m2)和日均客流量y(单位:百人)的数据(xi,yi)(i=1, 2,…,20),并计算得 xi=2 400, yi=210, (xi- )2=42 000, (xi- )(yi- )=6 300. (1)求y关于x的经验回归方程; 高中总复习·数学 目 录 解:由已知可得 = xi=120, = yi=10.5, = = =0.15, = - =10.5-0.15×120=-7.5, 所以经验回归方程为 =0.15x-7.5. 高中总复习·数学 目 录 (2)已知服装店每天的经济效益W=k +mx(k>0,m>0),该商 场现有60~150 m2的商铺出租,根据(1)的结果进行预测,要使单位面积 的经济效益Z最高,小李应该租多大面积的商铺? 附:回归直线 = x+ 的斜率和截距的最小二乘估计分别为: = , = - . 高中总复习·数学 目 录 解:根据题意得Z= = +m,60≤x≤150. 设f(x)= = - ,令t= , ≤t≤ , 则g(t)=0.15t-7.5t2=-7.5×(t-0.01)2+0.000 75, 当t=0.01,即x=100时,f(x)取最大值, 又因为k,m>0,所以此时Z也取最大值, 因此,小李应该租100 m2的商铺. 高中总复习·数学 目 录 03 PART 考点三 刻画拟合效果的统计量 目 录 刻画拟合效果的统计量: (1)残差:ei=yi- ; (2)残差平方和: (yi- )2; (3)决定系数:R2=1- (其中yi为观测值, 为预测值, 为观测值的平均数). 高中总复习·数学 目 录 假定小麦基本苗数x与成熟期有效穗y之间存在相关关系,今测得5组 数据如下: x 15.0 25.8 30.0 36.6 44.4 y 39.4 42.9 42.9 43.1 49.2 若由最小二乘法计算得经验回归方程为 =0.29x+34.7. (1)计算各组残差,并计算残差平方和; 高中总复习·数学 目 录 解:由 =0.29xi+34.7, 可以算得 =yi- 分别为 =0.35, =0.718, =-0.5, =- 2.214, =1.624, 所以残差平方和为 ( )2≈8.43. 高中总复习·数学 目 录 (2)求R2,并说明回归模型拟合效果的好坏. 参考数据: (yi- )2=50.18. 解: (yi- )2=50.18, 故R2=1- ≈1- ≈0.832. 所以回归模型的拟合效果较好. 高中总复习·数学 目 录 规律方法 刻画拟合效果的三种方法 (1)残差图法:残差点比较均匀地落在水平的带状区域内说明选用的模 型比较合适; (2)残差平方和法:残差平方和越小,模型的拟合效果越好; (3)决定系数法:R2越接近1,表明模型的拟合效果越好. 高中总复习·数学 目 录 练3 在一元线性回归模型Y=bx+a+e 中,下列说法正确的是(  ) A. Y=bx+a+e 是一次函数 B. 响应变量Y是由解释变量x唯一确定的 C. 响应变量Y除了受解释变量x的影响外,可能还受到其他因素的影响, 这些因素会导致随机误差e的产生 D. 随机误差e是由于计算不准确造成的,可通过精确计算避免随机误差e 的产生 √ 高中总复习·数学 目 录 解析: 对于A,一元线性回归模型Y=bx+a+e 中,方程表示的不是 确定性关系,因此不是一次函数,所以A错误;对于B,响应变量Y不是由 解释变量x唯一确定的,所以B错误;对于C,响应变量Y除了受解释变量 x的影响外,可能还受到其他因素的影响,这些因素会导致随机误差e的产 生,所以C正确;对于D,随机误差是不能避免的,只能将误差缩小,所以 D错误. 高中总复习·数学 目 录 04 PART 提能点 非线性回归模型的应用 目 录 (1)若一函数模型为y= sin 2α+2 sin α+1,为将y转化为t的线性经 验回归方程,则需作变换t等于( B ) A. sin 2α B. ( sin α+1)2 C. ( sin α+ )2 D. 以上都不对 解析:因为y是关于t的经验回归方程,实际上y是关于t的一次函数,又y =( sin α+1)2,令t=( sin α+1)2,可得y与t的函数关系式为y=t, 此时变量y与变量t是线性相关关系.故选B. B 高中总复习·数学 目 录 (2)用模型y=c·ekx拟合一组数据时,为了求出非线性回归方程,设z =ln y,其变换后得到线性回归方程为 =0.5x+1,则c=( B ) A. 0.5 B. e C. 2 D. e2 解析:由回归模型y=cekx,可得ln y=ln(c·ekx)=kx+ln c,即z=kx +ln c,因为变换后得到线性回归方程为 =0.5x+1,可得k=0.5,ln c =1,所以c=e,故选B. B 高中总复习·数学 目 录 规律方法   有些非线性回归分析问题并不给出经验公式,这时我们可以画出已 知数据的散点图,把它与学过的各种函数(幂函数、指数函数、对数函 数、三角函数等)的图象进行比较,挑选一种跟这些散点拟合得最好的 函数,用适当的变量进行变换,如通过换元或取对数等方法,把问题化 为线性回归分析问题,使之得到解决. 高中总复习·数学 目 录 练4 “绿水青山就是金山银山”的理念推动了新能源汽车产业的迅速发展. 以下表格和散点图反映了近几年某新能源汽车的年销售量情况. 年份 2021 2022 2023 2024 2025 年份代码x 1 2 3 4 5 某新能源汽车年销售量y/万辆 1.5 5.9 17.7 32.9 55.6 (1)请根据散点图判断,y=bx+a与y=cx2+d中哪一个更适宜作为年销售量y关于年份代码x的回归方程类型;(给出判断即可,不必说明理由) 解:根据散点图可知,y=cx2+d更适宜作为年销售量y关于年份代码x的 回归方程类型. 高中总复习·数学 目 录 (2)根据(1)的判断结果及表中数据,建立y关于x的经验回归方程,并 预测2026年该新能源汽车的年销售量.(精确到0.1) 参考数据: =22.72, (wi- )2=374, (wi- )(yi- ) =851.2(其中wi= ). 高中总复习·数学 目 录 解:令w=x2,则 = w+ . 易知 =11, = = ≈2.28, = - ≈22.72-2.28×11=-2.36, 所以 =2.28w-2.36, 所以y关于x的经验回归方程为 =2.28x2-2.36. 令x=6,得 =79.72≈79.7. 故预测2026年该新能源汽车的年销售量为79.7万辆. 高中总复习·数学 目 录 05 PART 课时跟踪检测 (时间:60分钟,满分:71分)  [备注:单选、填空题5分,多选题6分] 目 录 1. (2024·天津高考3题)下列图中,线性相关系数最大的是(  ) 解析: 选项A中的散点有明显的从左下角到右上角沿直线分布的趋势, 且散点集中在一条直线的附近,故选项A中的线性相关系数最大.故选A. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 高中总复习·数学 目 录 2. 已知线性回归方程 = x+0.6相应于点(2,5.5)的残差为-0.1, 则 的值为(  ) A. -2.4 B. -2.5 C. 2.4 D. 2.5 解析:因为相应于点(2,5.5)的残差为-0.1,所以5.5- =-0.1,即5.5+0.1=2 +0.6, =2.5. √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 高中总复习·数学 目 录 3. 根据如表样本数据:得到的经验回归方程为 = x+ ,则(  ) x 2 3 4 5 6 y 4 2.5 -0.5 -2 -3 A. >0, >0 B. >0, <0 C. <0, >0 D. <0, <0 解析: 由表中的数据可得,变量y随着x的增大而减小,则 <0, = ×(2+3+4+5+6)=4, = ×(4+2.5-0.5-2-3)=0.2,又经 验回归方程 = x+ 经过样本点中心(4,0.2),可得 >0. √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 高中总复习·数学 目 录 4. 〔多选〕(2026·河北唐山模拟)为研究光照时长x(小时)和种子发 芽数量y(颗)之间的关系,某课题研究小组采集了10组数据,绘制散点 图如图所示,并进行线性回归分析,若去掉点P后,下列说法正确的是 (  ) A. 样本相关系数r变小 B. 回归直线的斜率变大 C. 残差平方和变小 D. 决定系数R2变小 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 高中总复习·数学 目 录 解析:由图可知,P较其他的点偏离直线最大,所以去掉点P后,回归效果更好.对于A,样本相关系数|r|越接近于1,线性相关性越强,因为散点图是递增的趋势,所以去掉点P后,样本相关系数r变大,故A错误;对于B,由经验回归方程的实际意义,要使残差平方和最小,去掉点P后,回归直线靠近y轴位置需要向下移动,但靠近最右侧两个点的位置变化不大,回归直线的斜率变大,故B正确;对于C,残差平方和越大,拟合效果越差,所以去掉点P后,残差平方和变小,故C正确;对于D,决定系数R2越接近于1,拟合效果越好,所以去掉点P后,决定系数R2变大,故D错误.故选B、C. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 高中总复习·数学 目 录 5. 下表是关于某设备的使用年限x(单位:年)和所支出的维修费用y (单位:万元)的统计表. x 2 3 4 5 6 y 3.4 4.2 5.1 5.5 6.8 由表可得经验回归方程为 =0.81x+ ,若规定:维修费用y不超过10万 元,一旦大于10万元时,该设备必须报废.据此模型预测,该设备使用年 限的最大值约为 ⁠. 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 高中总复习·数学 目 录 解析:由表格,得 = ×(2+3+4+5+6)=4, = ×(3.4+4.2+ 5.1+5.5+6.8)=5,因为经验回归直线恒过点( , ),所以5= 0.81×4+ ,解得 =1.76,所以经验回归方程为 =0.81x+1.76,由 y≤10,得0.81x+1.76≤10,解得x≤ ≈10.17,由于x∈N*,所以据此 模型预测,该设备使用年限的最大值约为10. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 高中总复习·数学 目 录 6. 用模型y=a·ekx拟合一组数据,令z=ln y,将模型转化为经验回归方 程z=0.1x+3,则a·k= ⁠. 解析:因为y=a·ekx,两边取自然对数可得ln y=ln(a·ekx)=kx+ln a,令z=ln y,可得z=kx+ln a,又z=0.1x+3,所以k=0.1,ln a= 3,所以a=e3,所以a·k=0.1e3. 0.1e3  1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 高中总复习·数学 目 录 7. (15分)(2026·河南郑州质检)按照《中华人民共和国环境保护法》 的规定,每年生态环境部都会会同国家发展改革委等部门共同编制《中国 生态环境状况公报》,并向社会公开发布.下表是2020~2024年五年《中 国生态环境状况公报》中酸雨区面积约占国土面积的百分比(yi%): 年份 2020年 2021年 2022年 2023年 2024年 年份代码xi 1 2 3 4 5 yi 6.4 5.5 5.0 4.8 3.8 (1)求2020~2024年年份代码xi与yi的样本相关系数(精确到0.01); 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 高中总复习·数学 目 录 解:由已知可得, = =3, = =5.1, 由题可列下表: xi- -2 -1 0 1 2 yi- 1.3 0.4 -0.1 -0.3 -1.3 (xi- )(yi- )=-5.9, = , 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 高中总复习·数学 目 录 = , r= = ≈ ≈-0.98. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 高中总复习·数学 目 录 (2)请用样本相关系数说明该组数据中y与x之间的关系可用一元线性回 归模型进行描述,并求出y关于x的经验回归方程; 解:由(1)知,y与x的样本相关系数r≈-0.98,|r|接近1,所 以y与x之间具有极强的线性相关关系,可用线性回归模型进行描述. = = =-0.59, = - =5.1-(-0.59)×3=6.87, 所求经验回归方程为 =-0.59x+6.87. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 高中总复习·数学 目 录 (3)预测2028年的酸雨区面积占国土面积的百分比. 附:回归直线的斜率和截距的最小二乘法估计公式分别为: = , = - . 样本相关系数r= , ≈6. 解:令x=9,则 =-0.59×9+6.87=1.56,预测2028年的酸雨区面积占国土面积的百分比为1.56%. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 高中总复习·数学 目 录 8. (2025·湖北荆州模拟)根据变量Y和x的成对样本数据,由一元线性 回归模型 得到经验回归模型 = x+ ,求得 如图所示的残差图.则模型误差(  ) A. 满足一元线性回归模型的所有假设 B. 不满足一元线性回归模型的E(e)=0的假设 C. 不满足一元线性回归模型的D(e)=σ2假设 D. 不满足一元线性回归模型的E(e)=0和D(e)=σ2的假设 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 高中总复习·数学 目 录 解析: 用一元线性回归模型 得到经验 回归模型 = x+ ,根据对应的残差图,残差的均值E(e)=0不可 能成立,且残差图中的点分布在一条拋物线形状的弯曲带状区域上, 说明残差与坐标轴变量有二次关系,D(e)=σ2不满足一元线性回归 模型,故选D. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 高中总复习·数学 目 录 9. (2026·陕西汉中模拟)为了满足群众健身需求,某健身房近几年陆续 购买了几台A型跑步机,该型号跑步机已投入使用的时间x(单位:年)与 当年所需要支出的维修费用y(单位:千元)有如下统计资料: x 2 3 4 5 6 y 2.2 3.8 5.5 6.5 7 根据表中的数据可得到经验回归方程为 =1.23x+ ,则(  ) A. y与x的样本相关系数r<0 B. =0.08 C. 表中维修费用的第60百分位数为6.5 D. 该型跑步机已投入使用的时间为10年时,当年所需要支出的维修费用 一定是12.38万元 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 高中总复习·数学 目 录 解析: 对于A,由 =1.23x+ ,得y与x成正相关,样本相关系数r >0,A错误;对于B, = =4, = =5,则 =5-1.23×4=0.08,B正确;对于C,5×60%=3,因此第60百分位数 为 =6,C错误;对于D,由选项B知, =1.23x+0.08,当x=10 时, =12.38,则当年所需要支出的维修费用约为12.38万元,D错误.故 选B. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 高中总复习·数学 目 录 10. (15分)(2026·浙江温州模拟)红旗淀粉厂2025年之前只生产食品 淀粉,下表为年投入资金x(万元)与年收益y(万元)的8组数据: x 10 20 30 40 50 60 70 80 y 12.8 16.5 19 20.9 21.5 21.9 23 25.4 (1)用y=bln x+a模拟生产食品淀粉年收益y与年投入资金x的关系, 求出回归方程; 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 高中总复习·数学 目 录 解: = , = , = = =5, ∴ = - = -5× =2, ∴ =5ln x+2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 高中总复习·数学 目 录 (2)为响应国家“加快调整产业结构”的号召,该企业又自主研发出一 种药用淀粉,预计其收益为投入的10%.2025年该企业计划投入200万元用 于生产两种淀粉,求年收益的最大值.(精确到0.1万元) 附:①经验回归直线 = v+ 中斜率和截距的最小二乘估计分别为: = , = - · ; 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 高中总复习·数学 目 录 ② yi ln xi (ln xi)2 yiln xi 161 29 20 400 109 603 ③ln 2≈0.7,ln 5≈1.6. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 高中总复习·数学 目 录 解:设投入食品淀粉的资金为x万元,投入药用淀粉的资金为(200-x)万元,年收益为f(x), ∴f(x)=5ln x+2+ (200-x)=5ln x- x+22, f'(x)= - =0⇒x=50, 当0<x<50时,f'(x)>0,f(x)单调递增;当50<x<200时,f' (x)<0,f(x)单调递减. ∴f(x)max=f(50)=5ln 50-5+22=5(2ln 5+ln 2)+17≈36.5. ∴年收益的最大值约为36.5万元. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 高中总复习·数学 目 录 $

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