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回归系列（三）| 谈谈线性回归的残差和预测值
2020-09-02
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作者：丁点helper 

来源：丁点帮你

前面两篇文章，我们聚焦于线性回归的回归系数，理清了样本与总体回归方程的区别、回归系数的最小二乘法估计等问题，今天我们重点来看看线性回归的残差和预测值。

回归分析的残差

前面我们谈到过样本回归方程有两种写法：

这里，残差的头上也有一个“^”(hat)，意味着残差也有总体与样本之分。由上面残差的计算公式也可推知这一点，因为预测值有样本与总体之分，所以残差也自然也是有的。

我们做线性回归的时候一般需满足：

1）线性（L）：因变量与自变量之间呈线性关系；

2）独立（I）：各观测值相互独立；

3）正态（N）：自变量（X）固定时所对应的因变量（Y）服从正态分布；

4）方差齐（E）：不同自变量取值下因变量的方差相等。

以上四个条件即俗称的LINE条件。这些条件虽然是针对因变量而言的，但我们却可以通过对残差进行分析达到检验的目的。一般而言，如果残差满足以上四个条件，则称线性回归的假设条件得到满足。

（有关回归诊断的问题，后面我们会专门详细介绍。）

回归分析的预测值

看完残差，我们再来看看预测值。这里要指出回归方程的第三种写法（一般对于总体回归）：

看到 μ第一反应应该是均数，而且是总体均数（非样本均数），所以 μγ在相关教材上被称作“X取某个特定数值时，Y的条件总体均数”。

这里的“条件总体均数”估计会看晕不少人。所谓“条件”，意味着Y的取值是依据X的取值而定的，“X的取值”是确定Y的前提条件。

由此，严格来说， Ý应该是 μγ 的预测值。

这意味着给定X的取值，我们通过回归获得的是Y的一个平均值。比如前面文章中谈到的教育程度（X）和收入（Y）的回归方程：

当X=15时，可以计算得出 Ý=5000，严格来讲，这里算出的5000并非是某个人的具体收入，而是一群接受了15年教育的人，其收入的平均数。

因为即便是大家都接受了15年教育，但收入也并不完全相同，有的可能一两万，而有的也可能一两千。而我们通过回归获得是收入（Y）在教育程度为15年（X=15）的一个平均数。

理解了这一层，再看下面这图应该会比较轻松。

回归线与竖线的交点，即是回归预测值，也是这个正态曲线的均值。均值对应着正态分布的波峰，意味着即使这一群人的实际收入有差距，但大部分人仍然会围绕5000上下小幅波动（当X=15时）。

这里的正态分布之所以有四个，是因为在不同X的取值水平下，Y的取值会发生（系统性）的变化，即Y的均值会随着X的变化而变化。

这一点其实描述了回归最本质的意义，试想，如果Y的正态分布不随X变化，那意味就X不会对Y产生影响，则两者可能就不存在线性相关。


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