Одним из показателей, описывающих качество построенной модели в статистике, является коэффициент детерминации (R^2), который ещё называют величиной достоверности аппроксимации. С его помощью можно определить уровень точности прогноза. Давайте узнаем, как можно произвести расчет данного показателя с помощью различных инструментов программы Excel.

В зависимости от уровня коэффициента детерминации, принято разделять модели на три группы:

0,8 – 1 — модель хорошего качества;
0,5 – 0,8 — модель приемлемого качества;
0 – 0,5 — модель плохого качества.

В последнем случае качество модели говорит о невозможности её использования для прогноза.

Выбор способа вычисления указанного значения в Excel зависит от того, является ли регрессия линейной или нет. В первом случае можно использовать функцию КВПИРСОН , а во втором придется воспользоваться специальным инструментом из пакета анализа.

Способ 1: вычисление коэффициента детерминации при линейной функции

Прежде всего, выясним, как найти коэффициент детерминации при линейной функции. В этом случае данный показатель будет равняться квадрату коэффициента корреляции. Произведем его расчет с помощью встроенной функции Excel на примере конкретной таблицы, которая приведена ниже.

Способ 2: вычисление коэффициента детерминации в нелинейных функциях

Но указанный выше вариант расчета искомого значения можно применять только к линейным функциям. Что же делать, чтобы произвести его расчет в нелинейной функции? В Экселе имеется и такая возможность. Её можно осуществить с помощью инструмента «Регрессия» , который является составной частью пакета «Анализ данных» .

Но прежде, чем воспользоваться указанным инструментом, следует активировать сам «Пакет анализа» , который по умолчанию в Экселе отключен. Перемещаемся во вкладку «Файл» , а затем переходим по пункту «Параметры» .

В открывшемся окне производим перемещение в раздел «Надстройки» при помощи навигации по левому вертикальному меню. В нижней части правой области окна располагается поле «Управление» . Из списка доступных там подразделов выбираем наименование «Надстройки Excel…» , а затем щелкаем по кнопке «Перейти…» , расположенной справа от поля.

Производится запуск окна надстроек. В центральной его части расположен список доступных надстроек. Устанавливаем флажок около позиции «Пакет анализа» . Вслед за этим требуется щелкнуть по кнопке «OK» в правой части интерфейса окна.

Пакет инструментов «Анализ данных» в текущем экземпляре Excel будет активирован. Доступ к нему располагается на ленте во вкладке «Данные» . Перемещаемся в указанную вкладку и клацаем по кнопке «Анализ данных» в группе настроек «Анализ» .

Активируется окошко «Анализ данных» со списком профильных инструментов обработки информации. Выделяем из этого перечня пункт «Регрессия» и клацаем по кнопке «OK» .

Затем открывается окно инструмента «Регрессия» . Первый блок настроек – «Входные данные» . Тут в двух полях нужно указать адреса диапазонов, где находятся значения аргумента и функции. Ставим курсор в поле «Входной интервал Y» и выделяем на листе содержимое колонки «Y» . После того, как адрес массива отобразился в окне «Регрессия» , ставим курсор в поле «Входной интервал Y» и точно таким же образом выделяем ячейки столбца «X» .
Около параметров «Метка» и «Константа-ноль» флажки не ставим. Флажок можно установить около параметра «Уровень надежности» и в поле напротив указать желаемую величину соответствующего показателя (по умолчанию 95%).

В группе «Параметры вывода» нужно указать, в какой области будет отображаться результат вычисления. Существует три варианта:
- Область на текущем листе;
- Другой лист;
- Другая книга (новый файл).
Остановим свой выбор на первом варианте, чтобы исходные данные и результат размещались на одном рабочем листе. Ставим переключатель около параметра «Выходной интервал» . В поле напротив данного пункта ставим курсор. Щелкаем левой кнопкой мыши по пустому элементу на листе, который призван стать левой верхней ячейкой таблицы вывода итогов расчета. Адрес данного элемента должен высветиться в поле окна «Регрессия» .

Группы параметров «Остатки» и «Нормальная вероятность» игнорируем, так как для решения поставленной задачи они не важны. После этого клацаем по кнопке «OK» , которая размещена в правом верхнем углу окна «Регрессия» .

Программа производит расчет на основе ранее введенных данных и выводит результат в указанный диапазон. Как видим, данный инструмент выводит на лист довольно большое количество результатов по различным параметрам. Но в контексте текущего урока нас интересует показатель «R-квадрат» . В данном случае он равен 0,947664, что характеризует выбранную модель, как модель хорошего качества.

Способ 3: коэффициент детерминации для линии тренда

Кроме указанных выше вариантов, коэффициент детерминации можно отобразить непосредственно для линии тренда в графике, построенном на листе Excel. Выясним, как это можно сделать на конкретном примере.

Мы имеем график, построенный на основе таблицы аргументов и значений функции, которая была использована для предыдущего примера. Произведем построение к нему линии тренда. Кликаем по любому месту области построения, на которой размещен график, левой кнопкой мыши. При этом на ленте появляется дополнительный набор вкладок – «Работа с диаграммами» . Переходим во вкладку «Макет» . Клацаем по кнопке «Линия тренда» , которая размещена в блоке инструментов «Анализ» . Появляется меню с выбором типа линии тренда. Останавливаем выбор на том типе, который соответствует конкретной задаче. Давайте для нашего примера выберем вариант «Экспоненциальное приближение» .

Эксель строит прямо на плоскости построения графика линию тренда в виде дополнительной черной кривой.

Теперь нашей задачей является отобразить собственно коэффициент детерминации. Кликаем правой кнопкой мыши по линии тренда. Активируется контекстное меню. Останавливаем выбор в нем на пункте «Формат линии тренда…» .

Для выполнения перехода в окно формата линии тренда можно выполнить альтернативное действие. Выделяем линию тренда кликом по ней левой кнопки мыши. Перемещаемся во вкладку «Макет» . Клацаем по кнопке «Линия тренда» в блоке «Анализ» . В открывшемся списке клацаем по самому последнему пункту перечня действий – «Дополнительные параметры линии тренда…» .

После любого из двух вышеуказанных действий запускается окошко формата, в котором можно произвести дополнительные настройки. В частности, для выполнения нашей задачи необходимо установить флажок напротив пункта «Поместить на диаграмму величину достоверности аппроксимации (R^2)» . Он размещен в самом низу окна. То есть, таким образом мы включаем отображение коэффициента детерминации на области построения. Затем не забываем нажать на кнопку «Закрыть» внизу текущего окна.

Значение достоверности аппроксимации, то есть, величина коэффициента детерминации, будет отображено на листе в области построения. В данном случае эта величина, как видим, равна 0,9242, что характеризует аппроксимацию, как модель хорошего качества.

Абсолютно точно таким образом можно устанавливать показ коэффициента детерминации для любого другого типа линии тренда. Можно менять тип линии тренда, произведя переход через кнопку на ленте или контекстное меню в окно её параметров, как было показано выше. Затем уже в самом окне в группе «Построение линии тренда» можно переключиться на другой тип. Не забываем при этом контролировать, чтобы около пункта «Поместить на диаграмму величину достоверности аппроксимации» был установлен флажок. Завершив вышеуказанные действия, щелкаем по кнопке «Закрыть» в нижнем правом углу окна.

При линейном типе линия тренда уже имеет значение достоверности аппроксимации равное 0,9477, что характеризует эту модель, как ещё более достоверную, чем рассматриваемую нами ранее линию тренда экспоненциального типа.

Таким образом, переключаясь между разными типами линии тренда и сравнивая их значения достоверности аппроксимации (коэффициент детерминации), можно найти тот вариант, модель которого наиболее точно описывает представленный график. Вариант с самым высоким показателем коэффициента детерминации будет наиболее достоверным. На его основе можно строить самый точный прогноз.
Например, для нашего случая опытным путем удалось установить, что самый высокий уровень достоверности имеет полиномиальный тип линии тренда второй степени. Коэффициент детерминации в данном случае равен 1. Это говорит о том, что указанная модель абсолютно достоверная, что означает полное исключение погрешностей.

Но, в то же время, это совсем не значит, что для другого графика тоже наиболее достоверным окажется именно этот тип линии тренда. Оптимальный выбор типа линии тренда зависит от типа функции, на основании которой был построен график. Если пользователь не обладает достаточным объемом знаний, чтобы «на глаз» прикинуть наиболее качественный вариант, то единственным выходом определения лучшего прогноза является как раз сравнение коэффициентов детерминации, как было показано на примере выше.

Коэффициент детерминации ( - R-квадрат ) - это доля дисперсии зависимой переменной, объясняемая рассматриваемой моделью. Более точно - это единица минус доля необъяснённой дисперсии (дисперсии случайной ошибки модели, или условной по признакам дисперсии зависимой переменной) в дисперсии зависимой переменной. В случае линейной зависимости является квадратом так называемого множественного коэффициента корреляции между зависимой переменной и объясняющими переменными. В частности, для модели линейной регрессии с одним признаком коэффициент детерминации равен квадрату обычного коэффициента корреляции между и .

Определение и формула

Истинный коэффициент детерминации модели зависимости случайной величины от признаков определяется следующим образом:

где - условная (по признакам ) дисперсия зависимой переменной (дисперсия случайной ошибки модели).

В данном определении используются истинные параметры, характеризующие распределение случайных величин. Если использовать выборочную оценку значений соответствующих дисперсий, то получим формулу для выборочного коэффициента детерминации (который обычно и подразумевается под коэффициентом детерминации):

- сумма квадратов регрессионных остатков, - общая дисперсия, - соответственно, фактические и расчетные значения объясняемой переменной, - выборочное вреднее.

В случае линейной регрессии с константой , где - объяснённая сумма квадратов, поэтому получаем более простое определение в этом случае. Коэффициент детерминации - это доля объяснённой дисперсии в общей :

Необходимо подчеркнуть, что эта формула справедлива только для модели с константой, в общем случае необходимо использовать предыдущую формулу.

Интерпретация

Недостатки и альтернативные показатели

Основная проблема применения (выборочного) заключается в том, что его значение увеличивается (не уменьшается) от добавления в модель новых переменных, даже если эти переменные никакого отношения к объясняемой переменной не имеют. Поэтому сравнение моделей с разным количеством признаков с помощью коэффициента детерминации, вообще говоря, некорректно. Для этих целей можно использовать альтернативные показатели.

Скорректированный (adjusted)

Для того, чтобы была возможность сравнивать модели с разным числом признаков так, чтобы число регрессоров (признаков) не влияло на статистику обычно используется скорректированный коэффициент детерминации , в котором используются несмещённые оценки дисперсий:

который даёт штраф за дополнительно включённые признаки, где - количество наблюдений, а - количество параметров.

Данный показатель всегда меньше единицы, но теоретически может быть и меньше нуля (только при очень маленьком значении обычного коэффициента детерминации и большом количестве признаков), поэтому интерпретировать его как долю объясняемой дисперсии уже нельзя. Тем не менее, применение показателя в сравнении вполне обоснованно.

Для моделей с одинаковой зависимой переменной и одинаковым объемом выборки сравнение моделей с помощью скорректированного коэффициента детерминации эквивалентно их сравнению с помощью остаточной дисперсии или стандартной ошибки модели .

Обобщённый (extended)

В случае отсутствия в линейной множественной МНК регрессии константы свойства коэффициента детерминации могут нарушаться для конкретной реализации . Поэтому модели регрессии со свободным членом и без него нельзя сравнивать по критерию . Эта проблема решается с помощью построения обобщённого коэффициента детерминации , который совпадает с исходным для случая МНК регрессии со свободным членом. Суть этого метода заключается рассмотрении проекции единичного вектора на плоскость объясняющих переменных.

Таким образом можно выделить следующие свойства коэффициента детерминации:

1. ; в силу определения

2. =0;в этом случае RSS = 0, т. е. наша регрессия не объясняет, ничего не дает по сравнению с тривиальным прогнозом. Данные позволяют сделать вывод о независимости y и x, изменение в переменной x никак не влияет на изменение среднего значения переменной y. То есть увеличивается разброс точек на корреляционном поле относительно построенной линии регрессии(или статистическая зависимость очень слабая, или уравнение регрессии подобрано неверно).

3. =1; в этом случае все точки () лежат на одной прямой (ESS = 0). Тогда на основании имеющихся данных можно сделать вывод о наличии функциональной, а именно, линейной, зависимости между переменными y и x. Изменение переменной y полностью объясняется изменением переменной x.Для парной линей регрессии коэффициент детерминации точно равен квадрату коэффициента корреляции:

Вообще говоря, значение коэффициента детерминации не говорит о том, есть ли между факторами зависимость и насколько она тесная. Оно говорит только о качестве того уравнения, которое мы построили.

Удобно сравнивать коэффициенты детерминации для нескольких разных уравнений регрессии построенных по одним и тем же данным наблюдений. Из нескольких уравнений лучше то, у которого больше коэффициент детерминации.

3. Скорректированный коэффициент детерминации

Одним из свойств коэффициента детерминации является то, что это не убывающая функция от числа факторов, входящих в модель. Это следует из определения детерминации. Действительно в равенстве

Числитель не зависит, а знаменатель зависит от числа факторов модели. Следовательно, с увеличением числа независимых переменных в модели, коэффициент детерминации никогда не уменьшается. Тогда, если сравнить две регрессионные модели с одной и тоже зависимой переменной, но разным числом факторов, то более высокий коэффициент детерминации будет получен в модели с большим числом факторов. Поэтому необходимо скорректировать коэффициент детерминации с учетом количества факторов, входящих в модель.

Скорректированный (исправленный или оцененный) коэффициент детерминации определяют следующим образом:

Свойства скорректированного коэффициента детерминации:

1. Несложно заметить что при >1 исправленный коэффициент детерминации меньше коэффициента детерминации ().

2. , но может принимать отрицательные значения. При этом, если скорректированный принимает отрицательное значение, то принимает значение близкое к нулю ().

Таким образом скорректированный коэффициент детерминации является попыткой устранить эффект, связанный с ростом R 2 при увеличении числа регрессоров. - "штраф" за увеличение числа независимых переменных.