AP Statistics
regression

Hồi quy (regression) là phương pháp thống kê mô tả quan hệ giữa biến phản hồi và biến giải thích bằng đường khớp sát nhất với dữ liệu.
Khi nhà nghiên cứu muốn biết liệu giá trị của một biến có thể dự đoán giá trị của biến khác hay không, họ dùng hồi quy để xây dựng một mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ đó. Trong chương trình AP Statistics, dạng phổ biến nhất là hồi quy tuyến tính, trong đó mối quan hệ giữa hai biến định lượng được xấp xỉ bằng một đường thẳng. Phương trình của đường hồi quy bình phương tối thiểu (least-squares regression line) có dạng
trong đó là giá trị dự đoán của biến phản hồi, là giá trị của biến giải thích, là hệ số góc và là hệ số chặn. Hệ số góc cho biết trung bình biến phản hồi thay đổi bao nhiêu đơn vị khi biến giải thích tăng thêm một đơn vị, còn là giá trị dự đoán khi .
Phương pháp bình phương tối thiểu tìm đường thẳng sao cho tổng bình phương các phần dư (residual) — tức hiệu giữa giá trị quan sát và giá trị dự đoán — là nhỏ nhất có thể. Nhờ đó, đường hồi quy phản ánh xu hướng chung của dữ liệu (data) một cách tối ưu theo tiêu chí này. Hệ số góc và hệ số chặn được tính từ trung bình, độ lệch chuẩn (standard deviation) của hai biến và hệ số tương quan giữa chúng.
Tuy nhiên, hồi quy không xác lập quan hệ nhân quả; do đó, đường hồi quy chỉ mô tả xu hướng trong dữ liệu mẫu và không nên dùng để suy diễn về bản chất nguyên nhân. Ngược lại, việc dùng đường hồi quy để dự đoán ngoài khoảng giá trị đã quan sát — gọi là ngoại suy — lại tiềm ẩn rủi ro lớn vì mô hình có thể không còn đúng ở vùng đó. Vì vậy, luôn cần kiểm tra đồ thị phần dư trước khi kết luận, bởi các giá trị ngoại lai hoặc điểm có ảnh hưởng lớn có thể kéo lệch đường hồi quy đáng kể.
Trực giác: Hồi quy giống như kẻ một đường thẳng xuyên qua đám mây điểm trên biểu đồ sao cho tổng khoảng cách từ các điểm lên đường là nhỏ nhất — đường đó chính là "lời dự đoán tốt nhất" của bạn.
Dùng để dự đoán giá trị của biến phản hồi (response variable) dựa trên giá trị của biến giải thích (explanatory variable).
Trong đó
cuối thế kỷ 19 (thập niên 1870)Francis Galton (1822–1911)Karl Pearson
Vào thập niên 1870, Galton quan tâm đến việc các đặc điểm được truyền từ cha mẹ sang con cái như thế nào, nên ông thu thập số liệu chiều cao của các thành viên trong cùng gia đình. Kết quả làm ông ngạc nhiên: cha mẹ rất cao thường sinh ra con cao hơn mức trung bình nhưng thấp hơn chính họ, còn cha mẹ rất thấp lại sinh ra con cao hơn họ. Nói cách khác, thế hệ sau bị kéo về phía trung bình của cả quần thể. Từ quan sát này, Galton đặt tên cho hiện tượng ấy, và về sau Karl Pearson tiếp tục kiểm chứng bằng dữ liệu gia đình. Ý tưởng ban đầu mang màu sắc sinh học dần trở thành công cụ tổng quát để mô hình hóa quan hệ giữa các biến.
Hệ số góc không nói giá trị thực tăng bao nhiêu, mà chỉ nói giá trị dự đoán tăng bao nhiêu.
Đây là lỗi mất điểm phổ biến nhất khi diễn giải hệ số góc (slope) trong ngữ cảnh. Đường hồi quy chỉ mô tả xu hướng trung bình của đám mây điểm, nên khi biến giải thích tăng một đơn vị, cái tăng theo là giá trị mà mô hình dự đoán, chứ không phải giá trị quan sát được của từng cá thể. Chẳng hạn với mô hình dự đoán ERA từ WHIP có hệ số góc , câu trả lời đúng phải là "khi WHIP tăng thêm 1 đơn vị thì ERA được dự đoán tăng thêm khoảng ". Bỏ chữ "dự đoán", hoặc viết chung chung kiểu "y tăng 6,8" mà không nhắc tên hai biến, đều bị trừ điểm dù con số hoàn toàn đúng.
Phần dư luôn là thực tế trừ dự đoán, không bao giờ ngược lại.
Công thức bắt buộc là , trong đó là giá trị quan sát thật và là giá trị do mô hình sinh ra. Với món ăn sáng chứa g chất béo, ta thay vào được , trong khi giá trị thật là , nên phần dư (residual) bằng . Nhiều bạn tính ngược thành rồi kết luận mô hình dự đoán quá cao, và thế là sai luôn cả phần diễn giải. Hãy nhớ quy tắc dấu: phần dư dương nghĩa là điểm dữ liệu nằm trên đường hồi quy, tức mô hình đã dự đoán thấp hơn thực tế.
Đổi chỗ hai biến thì được một đường hồi quy khác hẳn, không phải cùng một đường.
Biến giải thích (explanatory variable) là biến ta dùng để dự đoán, còn biến phản hồi (response variable) là biến được dự đoán; vai trò của chúng không hoán đổi tự do. Trong ví dụ cửa hàng phát quảng cáo trên radio, số lần phát là biến giải thích và số khách mới là biến phản hồi, vì logic thực tế đi theo chiều đó chứ không phải chiều ngược lại. Đề thường gài bằng cách mô tả tình huống theo thứ tự đảo, ví dụ nhắc số khách trước rồi mới nhắc quảng cáo, khiến học sinh vội vàng chọn nhầm. Do đó, trước khi viết bất cứ phương trình nào, hãy tự hỏi: cái gì được dùng để đoán cái gì?
Hồi quy chỉ mô tả liên hệ, không chứng minh nguyên nhân và không được ngoại suy tùy tiện.
Một hệ số góc lớn hay một hệ số xác định cao chỉ cho biết hai biến đi cùng nhau chặt chẽ đến đâu, chứ không cho phép kết luận biến này gây ra biến kia. Kết luận nhân quả chỉ được rút ra từ thí nghiệm có phân nhóm ngẫu nhiên, còn với dữ liệu quan sát thì luôn có thể tồn tại biến gây nhiễu (confounding variable) đứng sau. Ngoài ra, đường hồi quy chỉ đáng tin trong khoảng giá trị mà dữ liệu thực sự bao phủ; thay một giá trị nằm xa ngoài khoảng đó là ngoại suy (extrapolation), và con số thu được có thể vô nghĩa. Vì vậy, khi đề cho lượng phân bón chạy từ 10 đến 50 kg mà hỏi dự đoán tại 200 kg, câu trả lời đúng là cảnh báo chứ không phải một con số.
Quiz câu thật từ ngân hàng đề
Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.
Biên soạn bởi DucklingStudy, bản quyền thuộc DucklingStudy. Xuất bản .
Trong đó
Vì sao mang đúng cái tên này? Trong tiếng Anh, "regression" nghĩa gốc là sự lùi lại, sự quay ngược về trạng thái trước — chẳng liên quan gì đến đường thẳng khớp qua đám điểm dữ liệu mà học sinh gặp trong đề thi. Cái tên nghe vô lý ấy có lý do lịch sử: Galton dùng nó để mô tả việc chiều cao của thế hệ sau bị "lùi" về mức trung bình của quần thể, hiện tượng ngày nay gọi là hồi quy về trung bình (regression toward the mean). Vì vậy chữ "hồi quy" ban đầu chỉ một quy luật di truyền (heredity) cụ thể, chứ không phải một kỹ thuật tính toán. Tuy nhiên, phương pháp toán học mà Galton dựng lên để mô tả quy luật đó — vẽ một đường thẳng thể hiện chiều cao con phụ thuộc chiều cao cha mẹ — lại hữu dụng cho vô số bài toán khác. Do đó cái tên cũ được giữ nguyên và mở rộng thành phân tích hồi quy (regression analysis), tên gọi chung cho mọi mô hình mô tả cách một biến phản hồi thay đổi theo các biến giải thích.
Kéo một điểm ở rìa — nhìn cả đường hồi quy bị bẻ theo
Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.
Câu diễn giải hệ số góc phải đủ bốn thành phần, thiếu một là mất điểm.
Bốn thành phần đó là: chữ "dự đoán", độ lớn kèm đơn vị, cụm "khi x tăng một đơn vị", và tên cụ thể của hai biến trong bối cảnh bài toán. Một mẫu câu an toàn để học thuộc: "Cứ mỗi khi [biến giải thích] tăng thêm 1 [đơn vị], [biến phản hồi] được dự đoán tăng thêm khoảng [số] [đơn vị]." Với hệ số chặn cũng vậy, phải nói rõ đó là giá trị dự đoán của biến phản hồi khi biến giải thích bằng , và nên thêm một câu nhận xét nếu giá trị không có ý nghĩa thực tế.
Trong bảng kết quả máy tính, hệ số góc nằm ở dòng mang tên biến giải thích.
Bảng thường có các cột DF, Estimate (hoặc Coef), SE, T và P-value; dòng "Constant" hay "Intercept" cho hệ số chặn, còn dòng ghi tên biến (chẳng hạn WHIP) mới cho hệ số góc. Nhiều bạn quen nhìn con số đầu tiên rồi lấy luôn, kết quả là viết phương trình ngược. Cũng cần phân biệt hai đại lượng hay bị lẫn ở cuối bảng: là độ lệch chuẩn của phần dư, còn R-sq là tỉ lệ phần trăm biến thiên của biến phản hồi được mô hình giải thích. Khi đề yêu cầu kiểm định về hệ số góc, giá trị trên dòng biến giải thích chính là giá trị cần dùng, và nó ứng với giả thuyết đối hai phía.
Khi nói về phần dư, phải viết rõ mô hình dự đoán cao hơn hay thấp hơn thực tế.
Chỉ đưa con số rồi dừng lại là chưa trả lời hết câu hỏi; giám khảo cần thấy bạn hiểu ý nghĩa của dấu. Hãy viết một câu như: "Phần dư dương nên giá trị thực tế cao hơn giá trị dự đoán, tức mô hình đã dự đoán thiếu." Ngoài ra, nếu đề đưa biểu đồ phần dư và hỏi mô hình tuyến tính có phù hợp không, câu trả lời phải mô tả hình dạng: các điểm phân tán ngẫu nhiên quanh đường thì mô hình phù hợp, còn thấy dạng cong hoặc hình phễu thì không.
Đường hồi quy là : mỗi khi WHIP tăng đơn vị, ERA dự đoán tăng khoảng . Cầu thủ có được dự đoán nhưng thực tế đạt , nên phần dư bằng và anh ta ném tốt hơn dự đoán của mô hình. Cuối cùng, và khoảng biến thiên của ERA trong nhóm cầu thủ này được giải thích bởi quan hệ tuyến tính với WHIP.
Biến giải thích là số lần phát quảng cáo, biến phản hồi là số khách mới, với đường hồi quy . Mỗi lần phát quảng cáo tăng thêm ứng với mức tăng dự đoán khoảng khách mới, và một tuần phát lần được dự đoán có khoảng khách mới. Ngược lại, không thể dùng mô hình này cho mức lần vì đó là ngoại suy, cũng không thể khẳng định quảng cáo gây ra lượng khách tăng vì dữ liệu chỉ là quan sát.