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
|
64页
|
145人阅读
|
2人下载
普通
内容正文:
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
$