高中数学必修三 第一章 统计 最小二乘估计第一课时教案 [北师大版]

最小二乘估计
教学目标：1、掌握最小二乘法的思想
2、能根据给出的线性回归方程系数公式建立线性回归方程 教学重点：最小二乘法的思想
教学难点：线性回归方程系数公式的应用 教学过程
回顾：上节课我们讨论了人的身高与右手一拃长之间的线性关系，用了很多种方法来刻画这种线性关系，但是这些方法都缺少数学思想依据。

问题1、用什么样的线性关系刻画会更好一些？
想法：保证这条直线与所有点都近（也就是距离最小）。

最小二乘法就是基于这种想法。

问题2、用什么样的方法刻画点与直线的距离会方便有效？
设直线方程为y=a+bx ，样本点A （x i ，y i ） 方法一、点到直线的距离公式 1
2++-=
b a
y bx d i i
方法二、()[]2
i
i
bx a y +-
显然方法二能有效地表示点A 与直线y=a+bx 的距离，而且比方法一更方便计算，所以我们用它来表示二者之间的接近程度。

问题3、怎样刻画多个点与直线的接近程度？
例如有5个样本点，其坐标分别为（x 1，y 1），（x 2，y 2），（x 3，y 3），（x 4，y 4），（x 5，y 5）与直线y=a+bx 的接近程度：
()[]()[]()[]()[]()[]
2
5
5
2
4
4
2
3
3
2
2
2
2
1
1
bx a y bx a y bx a y bx a y bx a y +-++-++-++-++- 从而我们可以推广到n 个样本点：（x 1，y 1），（x 2，y 2），…（x n ，y n ）与直线y=a+bx 的接近程度：
()[]()[]
()[]
2
2
2
2
2
1
1
n n bx a y bx a y bx a y +-+++-++-
使得上式达到最小值的直线y=a+bx 就是我们所要求的直线，这种方法称为最小二乘法 问题4、怎样使()[]()[]
()[]
2
2
2
2
2
1
1
n n bx a y bx a y bx a y +-+++-++- 达到最
小值？
先来讨论3个样本点的情况
设有3个点（x 1，y 1），（x 2，y 2），（x 3，y 3），则由最小二乘法可知直线y=a+bx 与这3个点的接近程度由下面表达式刻画：
()[]()[]()[]2
3
3
2
2
2
2
1
1
bx a y bx a y bx a y +-++-++-…………………①
整理成为关于a 的一元二次函数)a (f ，如下所示：
()()()[]()()()2
332
222
11332211223bx y bx y bx y bx y bx y bx y a a )a (f -+-+-+-+-+--=
()[]
()()()
2
332
222
11223bx y bx y bx y x b y a a -+-+-+--=
利用配方法可得
()[]()()()()
2
2
332
222
11
2
33x b y bx y bx y bx y
x
b y a )a (f ---+-+-+--=
从而当x b y a -=时，使得函数)a (f 达到最小值。

将x b y a
-=代入①式，整理成为关于b 的一元二次函数()b g ，
(
)()()[]--+-+-=22
32
22
1b x x x x x x )b (g
()()()()()()[]
+--+--+--y y x x y y x x y y x x b 33
21
2
1
1
2
()()()[]2
3
2221y y y y y y -+-+-
同样使用配方法可以得到，当
()()()()()()()()()
2
3
2
2
2
1
3
3
2
2
1
1
x x x x x x y
y x x y y x x y y x x b -+-+---+--+--=
2
2
32
22
133221133x
x x x xy y x y x y x -++-++=
时，使得函数()b g
达到最小值。

从而得到直线y=a+bx 的系数a ，b ，且称直线y=a+bx 为这3个样本点的线性回归方程。

用同样的方法我们可以推导出n 个点的线性回归方程的系数：
2
2
2
22
12211x
n x x x xy n y x y x y x b n n n -+++-+++=
∑∑==--=
n
i i
n
i i
i
x
n x xy
n y x 1
2
2
1
x b y a -=
其中n
y y y y ,n x x x x n
n +++=
+++= 2121 由x b y a
-=我们知道线性回归直线y=a+bx 一定过()y
,x 。

例题与练习
例1 在上一节练习中，从散点图可以看出，某小卖部6天卖出热茶的杯数（y ）与当天气温（x ）之间是线性相关的。

数据如下表
(1)试用最小二乘法求出线性回归方程。

(2)如果某天的气温是－3 o
C ，请预测可能会卖出热茶多少杯。

解：（1）先画出其散点图
可以求得 557576481.a ,.b
≈-≈
则线性回归方程为
y =57.557－1.648x
（2）当某天的气温是－3 o
C 时，卖出热茶的杯数估计为：
()63501623648155757≈=-⨯-...
练习1 已知x ，y 之间的一组数据如下表，则y 与x 的线性回归方程y=a+bx 必经过点
( D )
（A ）（2，2） （B ）（1.5，0） （C ）（1，2） （D ）（1.5，4）
练习2 某连锁经营公司所属5个零售店某月的销售额和利润额资料如下表：
（１） 画出销售额和利润额的散点图；
（２） 若销售额和利润额具有相关关系，计算利润额y 对销售额x 的回归直线方程。

解：（1）
2
2
22
1x
n x x x n -+++ ∑=-i i
x
n x 1
2
2
x b y a -=
作业：P60 习题1－8 第1题。