R语言怎么实现一元线性回归

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⑴简单线性回归

首先可以考虑最简单的情况，也即只有一个自变量和一个因变量。我们使用 R 自带的数据集 women 为例进行分析， women 数据集中包含了 15 个年龄 30~39 岁的女性身高和体重信息，如下所示：

R语言怎么实现一元线性回归

现实生活中身高是更容易观测的一个量，现在我们基于这些数据建模，通过身高来预测体重，如下所示：

fit=lm(weight~height, data=women)summary(fit)

R语言怎么实现一元线性回归

在上面summary的结果中，Residuals为响应变量的残差情况；Coefficients为系数也即模型参数及其检验结果，其中Intercept为截距；最后一部分为复相关系数的平方也即R²的值及其检验结果。

接下来我们可以分别列出因变量观察值、拟合值、残差：

R语言怎么实现一元线性回归

对于回归模型我们可以进行作图展示：

library(ggplot2)ggplot(women, mapping=aes(x=height, y=weight)) +  geom_point(size=2) +  geom_smooth(method=lm, se=TRUE, fullrange=TRUE, level=0.95) +  theme(axis.title=element_text(size=15, color="black", face="bold", vjust=0.5, hjust=0.5))

作图结果如下所示：

R语言怎么实现一元线性回归

回归模型构建后，必须要做模型诊断，来对其中的基础假设（正态性、独立性、线性、同方差性）进行检验，从而增强对其预测未知数据的信心。回归诊断最简单的一个方法就是将模型各种情况进行可视化，如下所示：

par(mfrow=c(2,2))plot(fit)

如下图所示：第一幅图是残差随拟合值的变化情况，可以检验线性假设，理论上来说如果线性模型十分吻合，残差应该是均匀分布的（也即残差与拟合值是无关的，红线近似水平），而图中的情况暗示很可能存在更高次项的相关。第二幅图是检验残差正态性假设的 Q-Q 图，根据正态性假设，当预测变量值固定时，因变量围绕拟合值（预测值）呈正态分布，那么残差应该服从均值为 0 的正态分布（即图中的点尽可能落在虚线上）。第三幅图是标准化残差绝对值的平方根随拟合值的变化情况，用来检验同方差性假设，如果满足假设，也即不同自变量水平下因变量方差是一样的，那么图中数据点应该是均匀分布的（红线近似水平）。第四幅图用来筛选离群点（包括因变量和自变量），一个点代表一个样品（对象），纵轴为标准化的残差，绝对值越大说明其因变量值与拟合值差别越大，横轴为杠杆值，杠杆值越大说明在自变量中是一个离群点。

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⑵多项式回归

虽然各种检验结果均是显著的，但是上面的结果并不是很完美，因为我们从数据点的分布很明显看出weight关于height不完全是线性关系，这时候我们可以添加一个二次项来进行多项式回归：

fit2=lm(weight~height+I(height^2), data=women)summary(fit2)

R语言怎么实现一元线性回归

这时的回归方程为weight=0.083*height²-7.35*height+261.88。同样我们可以作图展示：

ggplot(women, aes(x=height, y=weight)) +  geom_point(size=2) +  geom_smooth(method=lm, se=TRUE, formula=y~x+I(x^2)) +  theme(axis.title=element_text(size=15, color="black", face="bold", vjust=0.5, hjust=0.5))

R语言怎么实现一元线性回归

可以看出，在 ggplot2 里面通过 geom_smooth() 函数可以很方便的添加数据的回归线。在构造的多项式里， x 与 x^2 并不一定是独立的，这有可能会产生附加问题，另一种方法是使用 poly() 函数产生正交多项式，如下所示：

library(ggplot2)N=300x=1:N+rnorm(N, 10, 60)y=1:N+rnorm(N, 10, 60)colour=sample(c('red','blue'), N, replace=TRUE)df=data.frame(x=x, y=y, colour=colour)ggplot(df, aes(x=x,y=y, colour=colour)) +   geom_smooth( method='lm', formula=y~poly(x,3), level=0.95) +   geom_point(alpha=0.9)ggplot(df, aes(x=x,y=y, colour=colour)) +   geom_smooth( method='lm', formula=y~x+I(x^2)+I(x^3), level=0.95) +   geom_point(alpha=0.9)

一般情况下，上面两种作图方法是等价的，最终作图结果如下所示：

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