高一數(shù)學(xué) 人教版必修3:第四章 線性回歸方程 含解析
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高一數(shù)學(xué) 人教版必修3:第四章 線性回歸方程 含解析
(人教版)精品數(shù)學(xué)教學(xué)資料
重點(diǎn)列表:
重點(diǎn)
名稱
重要指數(shù)
重點(diǎn)1
相關(guān)關(guān)系的判斷
★★★★
重點(diǎn)2
線性回歸方程有關(guān)概念
★★★
重點(diǎn)3
散點(diǎn)圖
★★★★
重點(diǎn)詳解:
1.變量間的相關(guān)關(guān)系
常見的兩變量之間的關(guān)系有兩類:一類是確定性的函數(shù)關(guān)系,另一類是________;與函數(shù)關(guān)系不同,相關(guān)關(guān)系是一種________關(guān)系,帶有隨機(jī)性.
2.兩個(gè)變量的線性相關(guān)
(1)如果散點(diǎn)圖中點(diǎn)的分布從整體上看大致在一條直線附近,我們就稱這兩個(gè)變量之間具有____________,這條直線叫________.
(2)從散點(diǎn)圖上看,如果點(diǎn)分布在從左下角到右上角的區(qū)域內(nèi),那么兩個(gè)變量的這種相關(guān)關(guān)系稱為________;如果點(diǎn)分布在從左上角到右下角的區(qū)域內(nèi),那么兩個(gè)變量的這種相關(guān)關(guān)系稱為________.
※ (3)相關(guān)系數(shù)
r=,當(dāng)r>0時(shí),表示兩個(gè)變量正相關(guān);當(dāng)r<0時(shí),表示兩個(gè)變量負(fù)相關(guān).r的絕對值越接近________,表示兩個(gè)變量的線性相關(guān)性越強(qiáng);r的絕對值越接近________,表示兩個(gè)變量的線性相關(guān)性越弱.通常當(dāng)r的絕對值大于0.75時(shí),認(rèn)為兩個(gè)變量具有很強(qiáng)的線性相關(guān)關(guān)系.
3.回歸直線方程
(1)通過求Q=的最小值而得出回歸直線的方法,即使得樣本數(shù)據(jù)的點(diǎn)到回歸直線的距離的平方和最小的方法叫做____________.該式取最小值時(shí)的α,β的值即分別為,.
(2)兩個(gè)具有線性相關(guān)關(guān)系的變量的一組數(shù)據(jù):(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn),其回歸方程為,則
【答案】
1.相關(guān)關(guān)系 非確定性
2.(1)線性相關(guān)關(guān)系 回歸直線
(2)正相關(guān) 負(fù)相關(guān)
(3)1 0
3.最小二乘法
重點(diǎn)1:相關(guān)關(guān)系的判斷
【要點(diǎn)解讀】
在研究兩個(gè)變量之間是否存在某種關(guān)系時(shí),必須從散點(diǎn)圖入手.對于散點(diǎn)圖,可以做出如下判斷:
(1)如果所有的樣本點(diǎn)都落在某一函數(shù)曲線上,就用該函數(shù)來描述變量之間的關(guān)系,即變量之間具有函數(shù)關(guān)系.
(2)如果所有的樣本點(diǎn)都落在某一函數(shù)曲線附近,變量之間就有相關(guān)關(guān)系.
(3)如果所有的樣本點(diǎn)都落在某一直線附近,變量之間就有線性相關(guān)關(guān)系.
【考向1】確定性關(guān)系與隨機(jī)關(guān)系
【例題】下列變量之間的關(guān)系不是相關(guān)關(guān)系的是( )
A.已知二次函數(shù)y=ax2+bx+c,其中a,c是已知常數(shù),取b為自變量,因變量是這個(gè)函數(shù)的判別式Δ=b2-4ac
B.光照時(shí)間和果樹畝產(chǎn)量
C.降雪量和交通事故發(fā)生率
D.每畝施用肥料量和糧食畝產(chǎn)量
解:由函數(shù)關(guān)系和相關(guān)關(guān)系的定義可知,A中Δ=b2-4ac,因?yàn)閍,c是已知常數(shù),b為自變量,所以給定一個(gè)b的值,就有唯一確定的Δ與之對應(yīng),所以Δ與b之間是一種確定的關(guān)系,是函數(shù)關(guān)系.B,C,D中兩個(gè)變量之間的關(guān)系都是相關(guān)關(guān)系.故選A.
【評析】要注意函數(shù)關(guān)系與相關(guān)關(guān)系的區(qū)別:函數(shù)關(guān)系是確定性關(guān)系,而相關(guān)關(guān)系是隨機(jī)的、不確定的.
重點(diǎn)2:線性回歸方程有關(guān)概念
【要點(diǎn)解讀】
樣本中心點(diǎn)一定在回歸直線上
【考向1】樣本中心點(diǎn)
【例題】為了考查兩個(gè)變量x和y之間的線性關(guān)系,甲、乙兩位同學(xué)各自獨(dú)立做了10次和15次試驗(yàn),并且利用線性回歸方法,求得回歸直線分別為l1,l2,已知兩人得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中,變量x的平均值都等于s,變量y的平均值都等于t,那么下列說法正確的是( )
A.直線l1和l2一定有公共點(diǎn)(s,t)
B.直線l1和l2相交,但交點(diǎn)不一定是(s,t)
C.必有直線l1∥l2
D.直線l1和l2必定重合
【評析】回歸方程一定通過樣本點(diǎn)的中心(,);中心相同的樣本點(diǎn)的回歸方程不一定相同.
【考向2】線性回歸直線的理解
【例題】由一組樣本數(shù)據(jù)(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)得到回歸直線方程,那么下面說法錯(cuò)誤的是( )
A.直線必經(jīng)過點(diǎn)(,)
B.直線至少經(jīng)過點(diǎn)(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)中的一個(gè)點(diǎn)
C.直線的斜率=
D.直線和各點(diǎn)(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)的偏差是該坐標(biāo)平面上所有直線與這些點(diǎn)的偏差中最小的
重點(diǎn)3:散點(diǎn)圖
【要點(diǎn)解讀】
根據(jù)散點(diǎn)圖可以直觀判斷正負(fù)相關(guān)以及數(shù)據(jù)所對應(yīng)的函數(shù)模型
【考向1】正相關(guān)與負(fù)相關(guān)
【例題】(1)對變量x,y有觀測數(shù)據(jù)(xi,yi)(i=1,2,…,10),得散點(diǎn)圖1;對變量u,v有觀測數(shù)據(jù)(ui,vi)(i=1,2,…,10),得散點(diǎn)圖2.由這兩個(gè)散點(diǎn)圖可以判斷( )
圖1
圖2
A.變量x與y正相關(guān),u與v正相關(guān)
B.變量x與y正相關(guān),u與v負(fù)相關(guān)
C.變量x與y負(fù)相關(guān),u與v正相關(guān)
D.變量x與y負(fù)相關(guān),u與v負(fù)相關(guān)
解:由這兩個(gè)散點(diǎn)圖可以判斷,變量x與y負(fù)相關(guān),u與v正相關(guān),故選C.
【評析】點(diǎn)分布在從左下角到右上角的區(qū)域時(shí),兩個(gè)變量的相關(guān)關(guān)系為正相關(guān);點(diǎn)分布在從左上角到右下角的區(qū)域時(shí),兩個(gè)變量的相關(guān)關(guān)系為負(fù)相關(guān).
(2)下面是一塊田的水稻產(chǎn)量與施化肥量的一組觀測數(shù)據(jù)(單位:kg):
施化肥量15 20 25 30 35 40 45
水稻產(chǎn)量 320 330 360 410 460 470 480
(Ⅰ)將上述數(shù)據(jù)制成散點(diǎn)圖;
(Ⅱ)你能從散點(diǎn)圖中發(fā)現(xiàn)施化肥量與水稻產(chǎn)量近似成什么關(guān)系嗎?水稻產(chǎn)量會一直隨施化肥量的增加而增長嗎?
解:(Ⅰ)散點(diǎn)圖如下:
(Ⅱ)從圖中可以發(fā)現(xiàn)施化肥量與水稻產(chǎn)量具有線性相關(guān)關(guān)系,當(dāng)施化肥量由小到大變化時(shí),水稻產(chǎn)量由小變大.圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)大致分布在一條直線的附近,因此施化肥量和水稻產(chǎn)量近似成線性相關(guān)關(guān)系,但水稻產(chǎn)量只是在一定范圍內(nèi)隨著化肥施用量的增加而增長,不會一直隨化肥施用量的增加而增長.
【評析】任何一組數(shù)據(jù)(二元數(shù)據(jù))都可以作出散點(diǎn)圖,散點(diǎn)圖可以直觀地觀察兩個(gè)變量間的關(guān)系.
【考向2】散點(diǎn)圖的畫法及相關(guān)關(guān)系識別
【例題】(1)從左至右,觀察下列三個(gè)散點(diǎn)圖,變量x與y的關(guān)系依次為________(正相關(guān)記作①;負(fù)相關(guān)記作②;不相關(guān)記作③).
(2)科研人員為了全面掌握棉花新品種的生產(chǎn)情況,查看了氣象局對該地區(qū)年降雨量與年平均氣溫的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(單位分別是mm,℃),并作了統(tǒng)計(jì):
年平均氣溫
12.51
12.84
12.84
13.69
13.33
12.74
13.05
年降
雨量
748
542
507
813
574
701
432
(Ⅰ)試畫出散點(diǎn)圖;
(Ⅱ)判斷兩個(gè)變量是否具有線性相關(guān)關(guān)系.
解:(Ⅰ)作出散點(diǎn)圖如圖所示.
(Ⅱ)由散點(diǎn)圖可知,各點(diǎn)并不在一條直線附近,所以兩個(gè)變量不具有線性相關(guān)關(guān)系.
難點(diǎn)列表:
難點(diǎn)
名稱
難度指數(shù)
難點(diǎn)1
求回歸方程及用回歸方程進(jìn)行估計(jì)
★★★★
難點(diǎn)2
復(fù)數(shù)的模與共軛復(fù)數(shù)
★★★★★
難點(diǎn)詳解:
求線性回歸直線方程的步驟
(1)用散點(diǎn)圖或進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)判斷兩個(gè)變量是否具有線性相關(guān)關(guān)系;
(2)求系數(shù):公式有兩種形式,==,根據(jù)題目具體情況靈活選用;
(3)求:=-;
(4)寫出回歸直線方程.
說明:當(dāng)數(shù)據(jù)較復(fù)雜時(shí),題目一般會給出部分中間結(jié)果,觀察這些中間結(jié)果可確定選用公式的哪種形式求.
難點(diǎn)1:求回歸方程及用回歸方程進(jìn)行估計(jì)
【要點(diǎn)解讀】
(1)回歸分析是對具有相關(guān)關(guān)系的兩個(gè)變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法,只有在散點(diǎn)圖大致呈線性時(shí),求出的回歸直線方程才有實(shí)際意義,否則無意義.
(2)根據(jù)回歸方程進(jìn)行的估計(jì)僅是一個(gè)預(yù)測值,而不是真實(shí)發(fā)生的值.
(3)用最小二乘法求回歸方程,關(guān)鍵在于正確求出系數(shù),,由于,的計(jì)算量大,計(jì)算時(shí)應(yīng)仔細(xì)小心,分層進(jìn)行(最好列出表格),避免因計(jì)算而產(chǎn)生錯(cuò)誤.
【考向1】求線性回歸方程
【例題】下表提供了某廠節(jié)能降耗技術(shù)改造后生產(chǎn)甲產(chǎn)品過程中記錄的產(chǎn)量x(噸)與相應(yīng)的生產(chǎn)能耗y(噸標(biāo)準(zhǔn)煤)的幾組對照數(shù)據(jù):
x
3
4
5
6
y
2.5
3
4
4.5
(1)請畫出上表數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖;
(2)請根據(jù)上表提供的數(shù)據(jù),用最小二乘法求出y關(guān)于x的線性回歸方程;
(3)已知該廠技術(shù)改造前100噸甲產(chǎn)品能耗為90噸標(biāo)準(zhǔn)煤,試根據(jù)(2)求出的線性回歸方程,預(yù)測生產(chǎn)100噸甲產(chǎn)品的生產(chǎn)能耗比技術(shù)改造前降低多少噸標(biāo)準(zhǔn)煤?
(參考值32.5+43+54+64.5=66.5)
解:(1)散點(diǎn)圖如下:
(2)由系數(shù)公式可知,=4.5,=3.5,
==0.7,
=3.5-0.74.5=0.35,
所以線性回歸方程為=0.7x+0.35.
(3)x=100時(shí),=0.7x+0.35=70.35,所以預(yù)測生產(chǎn)100噸甲產(chǎn)品的生產(chǎn)能耗比技術(shù)改造前降低19.65噸標(biāo)準(zhǔn)煤.
【評析】牢記求線性回歸方程的步驟:(1)列表;(2)計(jì)算,,,;(3)代入公式求,再利用求,(4)寫出回歸方程.
【考向2】利用線性回歸方程進(jìn)行預(yù)測
【例題】從某居民區(qū)隨機(jī)抽取10個(gè)家庭,獲得第i個(gè)家庭的月收入xi(單位:千元)與月儲蓄yi(單位:千元)的數(shù)據(jù)資料,算得=80, =20,=184,=720.
(1)求家庭的月儲蓄y對月收入x的線性回歸方程y=bx+a;
(2)判斷變量x與y之間是正相關(guān)還是負(fù)相關(guān);
(3)若該居民區(qū)某家庭月收入為7千元,預(yù)測該家庭的月儲蓄.
附:線性回歸方程y=bx+a中,
b=,,
其中,為樣本平均值,線性回歸方程也可寫為=x+.
解:(1)由題意知n=10,===8,
===2,又- n2 =720 -1082=80,
-n=184-1082=24,
由此得b==0.3,
a=-b=2-0.38=-0.4,
故所求回歸方程為y=0.3x-0.4.
(2)由于變量y的值隨x的值增加而增加(b=0.3>0),故x與y之間是正相關(guān).
(3)將x=7代入回歸方程可以預(yù)測該家庭的月儲蓄為y=0.37-0.4=1.7(千元).
難點(diǎn)2:非線性相關(guān)轉(zhuǎn)化為線性相關(guān)
【要點(diǎn)解讀】
通過觀察散點(diǎn)圖,分析其函數(shù)模型,然后轉(zhuǎn)化成線性相關(guān)
【考向1】非線性相關(guān)轉(zhuǎn)化為線性相關(guān)
【例題】某公司為確定下一年度投入某種產(chǎn)品的宣傳費(fèi),需了解年宣傳費(fèi)x(單位:千元)對年銷售量y(單位:t)和年利潤z(單位:千元)的影響.對近8年的年宣傳費(fèi)xi和年銷售量yi(i=1,2,…,8)數(shù)據(jù)作了初步處理,得到下面的散點(diǎn)圖及一些統(tǒng)計(jì)量的值.
(1)根據(jù)散點(diǎn)圖判斷,y=a+bx與y=c+d哪一個(gè)適宜作為年銷售量y關(guān)于年宣傳費(fèi)x的回歸方程類型?(給出判斷即可,不必說明理由)
(2)根據(jù)(1)的判斷結(jié)果及表中數(shù)據(jù),建立y關(guān)于x的回歸方程.
(3)已知這種產(chǎn)品的年利潤z與x,y的關(guān)系為z=0.2y-x.根據(jù)(2)的結(jié)果回答下列問題:
①年宣傳費(fèi)x=49時(shí),年銷售量及年利潤的預(yù)報(bào)值是多少?
②年宣傳費(fèi)x為何值時(shí),年利潤的預(yù)報(bào)值最大?
附:對于一組數(shù)據(jù)(u1,v1),(u2,v2),…,(un,vn),其回歸直線v=α+β u的斜率和截距的最小二乘估計(jì)分別為=
解題指導(dǎo)] 切入點(diǎn):回歸分析中對散點(diǎn)圖的理解,回歸方程的求法和應(yīng)用;關(guān)鍵點(diǎn):通過換元把非線性回歸方程轉(zhuǎn)化為線性回歸方程求解.
解] (1)由散點(diǎn)圖可以判斷,y=c+d適宜作為年銷售量y關(guān)于年宣傳費(fèi)x的回歸方程類型.
(2)令w=,先建立y關(guān)于w的線性回歸方程.
=y(tǒng)- w=563-686.8=100.6,
所以y關(guān)于w的線性回歸方程為=100.6+68w,
因此y關(guān)于x的回歸方程為=100.6+68.
(3)①由(2)知,當(dāng)x=49時(shí),
年銷售量y的預(yù)報(bào)值=100.6+68=576.6,
年利潤z的預(yù)報(bào)值=576.60.2-49=66.32.
②根據(jù)(2)的結(jié)果知,年利潤z的預(yù)報(bào)值
=0.2(100.6+68)-x=-x+13.6+20.12.
所以當(dāng)==6.8,即x=46.24時(shí),取得最大值.
故年宣傳費(fèi)為46.24千元時(shí),年利潤的預(yù)報(bào)值最大.
【趁熱打鐵】
1.兩個(gè)變量成負(fù)相關(guān)關(guān)系時(shí),散點(diǎn)圖的特征是( )
A.點(diǎn)分布在從左下角到右上角的區(qū)域
B.散點(diǎn)圖在某方形區(qū)域內(nèi)
C.散點(diǎn)圖在某圓形區(qū)域內(nèi)
D.點(diǎn)分布在從左上角到右下角的區(qū)域
2.對于給定的兩個(gè)變量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),下列說法正確的是( )
A.都可以分析出兩個(gè)變量的關(guān)系
B.都可以用一條直線通過近似表示兩者關(guān)系來估計(jì)總體的均值
C.都可以作出散點(diǎn)圖
D.都可以用確定的表達(dá)式表示兩者的關(guān)系
3.下列命題:
①任何兩個(gè)變量都具有相關(guān)關(guān)系;
②圓的周長與該圓的半徑具有相關(guān)關(guān)系;
③某商品的需求與該商品的價(jià)格是一種非確定性關(guān)系;
④根據(jù)散點(diǎn)圖求得的回歸直線方程可能是沒有意義的;
⑤兩個(gè)變量間的相關(guān)關(guān)系可以通過回歸直線把非確定性問題轉(zhuǎn)化為確定性問題進(jìn)行研究.
其中正確的命題為( )
A.①③④ B.②④⑤ C.③④⑤ D.②③⑤
4.對四組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),獲得以下散點(diǎn)圖,關(guān)于其相關(guān)系數(shù)比較,正確的是( )
A.r2<r4<0<r3<r1 B.r4<r2<0<r1<r3
C.r4<r2<0<r3<r1 D.r2<r4<0<r1<r3
5.某車間為了規(guī)定工時(shí)定額,需要確定加工零件所花費(fèi)的時(shí)間,為此進(jìn)行了5次試驗(yàn),根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)(如下表),由最小二乘法求得回歸方程=0.67x+54.9.
零件數(shù)x
10
20
30
40
50
加工時(shí)間y(min)
62
&
75
81
89
現(xiàn)發(fā)現(xiàn)表中有一個(gè)數(shù)據(jù)模糊看不清,請你推斷出該數(shù)據(jù)的值為( )
A.67 B.68 C.69 D.70
6.變量X與Y相對應(yīng)的一組數(shù)據(jù)為(10,1),(11.3,2),(11.8,3),(12.5,4),(13,5);變量U與V相對應(yīng)的一組數(shù)據(jù)為(10,5),(11.3,4),(11.8,3),(12.5,2),(13,1).r1表示變量Y與X之間的線性相關(guān)系數(shù),r2表示變量V與U之間的線性相關(guān)系數(shù),則( )
A.r2<r1<0 B.0<r2<r1
C.r2<0<r1 D.r2=r1
7.某市物價(jià)部門對本市的5家商場的某商品的一天銷售量及其價(jià)格進(jìn)行調(diào)查,得到售價(jià)x(元)和銷售量y(件)之間的一組數(shù)據(jù)如下表:
價(jià)格x
9
9.5
10
10.5
11
銷售量y
11
10
8
6
5
由散點(diǎn)圖可知,銷售量y與價(jià)格x之間有較好的線性相關(guān)關(guān)系,其線性回歸直線方程是:=-3.2x+a,則a=______.
8.某數(shù)學(xué)老師身高176 cm,他爺爺、父親和兒子的身高分別是173 cm、170 cm和182 cm.因兒子的身高與父親的身高有關(guān),該老師用線性回歸分析的方法預(yù)測他孫子的身高為________cm.
9.假設(shè)關(guān)于某種設(shè)備的使用年限x(年)與所支出的維修費(fèi)用y(萬元)有如下統(tǒng)計(jì)資料:
x
2
3
4
5
6
y
2.2
3.8
5.5
6.5
7.0
已知=90,=112.3.
(1)求,;
(2)如果x與y具有線性相關(guān)關(guān)系,求出線性回歸方程;
(3)估計(jì)使用年限為10年時(shí),維修費(fèi)用約是多少?
10.某班主任為了對本班學(xué)生的月考成績進(jìn)行分析,決定從全班25名女同學(xué),15名男同學(xué)中隨機(jī)抽取一個(gè)容量為8的樣本進(jìn)行分析.
(1)如果按性別比例分層抽樣,應(yīng)選男女生各多少人;
(2)隨機(jī)抽取8位同學(xué)的數(shù)學(xué)、物理分?jǐn)?shù)對應(yīng)如表:
學(xué)生編號
1
2
3
4
5
6
7
8
數(shù)學(xué)分?jǐn)?shù)x
60
65
70
75
80
85
90
95
物理分?jǐn)?shù)y
72
77
80
84
88
90
93
95
根據(jù)上表數(shù)據(jù)用散點(diǎn)圖說明物理成績y與數(shù)學(xué)成績x之間是否具有線性相關(guān)性?如果具有線性相關(guān)性,求出線性回歸方程(系數(shù)精確到0.01);如果不具有線性相關(guān)性,請說明理由.
第四章
1解:正確的只有D選項(xiàng).故選D.
2解:任兩個(gè)變量均可作出散點(diǎn)圖,從散點(diǎn)圖上看有相關(guān)關(guān)系的才具有分析的價(jià)值,無相關(guān)關(guān)系的則作不出什么結(jié)論.故選C.
4解:由相關(guān)系數(shù)定義及散點(diǎn)圖所表達(dá)含義可知r2<r4<0<r3<r1,故選A.
5解:=(10+20+30+40+50)=30,由于=0.67x+54.9必過點(diǎn)(,),∴=0.6730+54.9=75,因此圖表中的模糊數(shù)據(jù)為755-(62+75+81+89)=68.故選B.
6解:對于變量Y與X而言,Y隨X的增大而增大,故Y與X正相關(guān);對于變量V與U而言,V隨U的增大而減小,故V與U負(fù)相關(guān),故r2<0<r1.故選C.
7解:價(jià)格的平均數(shù)==10,銷售量的平均數(shù)==8,由=-3.2x+a知b=-3.2,所以a=-b=8+3.210=40.故填40.
8解:根據(jù)題中所提供的信息,可知父親與兒子的身高的對應(yīng)數(shù)據(jù)可列表如下:
父親的身高(x)
173
170
176
兒子的身高(y)
170
176
182
=173,=176,∴===1,=-=176-173=3.
∴回歸直線方程為=x+3,從而可預(yù)測他孫子的身高為182+3=185(cm).故填185.
10解:(1)按性別比例分層抽樣,應(yīng)選男生15=3(人),選女生25=5(人).
(2)以數(shù)學(xué)成績x為橫坐標(biāo),物理成績y為縱坐標(biāo)作散點(diǎn)圖如圖所示.
從散點(diǎn)圖可以看出這些點(diǎn)大致分布在一條直線附近,并且在逐步上升,故物理與數(shù)學(xué)成績線性正相關(guān).
設(shè)y與x的線性回歸方程是=bx+a,根據(jù)所給的數(shù)據(jù),可以計(jì)算出≈0.65,≈34.5,
所以y與x的回歸方程是=0.65x+34.5.