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LinearModel

線形回帰モデル

説明

LinearModel は、あてはめ済みの線形回帰モデル オブジェクトです。回帰モデルは、応答と予測子の間の関係を説明します。線形回帰モデルにおける線形性は、予測子の係数の線形性を意味します。

あてはめた線形回帰モデルを調べるには、LinearModel オブジェクトのプロパティを使用します。オブジェクト プロパティには、係数推定値、要約統計、近似法および入力データに関する情報が含まれています。オブジェクト関数を使用して、応答の予測と、線形回帰モデルの修正、評価および可視化を行います。

作成

LinearModel オブジェクトの作成には、fitlm または stepwiselm を使用します。

fitlm は、固定されたモデル仕様を使用して、線形回帰モデルをデータにあてはめます。モデルに対して項を追加または削除するには、addTerms、removeTerms または step を使用します。あるいは、stepwiselm でステップワイズ線形回帰を使用してモデルをあてはめます。

プロパティ

係数推定値

CoefficientCovariance — 係数推定値の共分散行列

数値行列

このプロパティは読み取り専用です。

係数推定値の共分散行列。p 行 p 列の数値の行列を指定します。p は、あてはめたモデルの係数の個数です。

詳細については、係数の標準誤差と信頼区間を参照してください。

データ型: single | double

CoefficientNames — 係数の名前

文字ベクトルの cell 配列

このプロパティは読み取り専用です。

係数の名前。対応する項の名前が含まれている文字ベクトルの cell 配列を指定します。

データ型: cell

Coefficients — 係数の値

テーブル

このプロパティは読み取り専用です。

係数の値。table を指定します。Coefficients には、各係数に対応する 1 つずつの行と次の列が格納されます。

• Estimate — 推定される係数値

• SE — 推定の標準誤差

• tStat — 係数が 0 であるかどうかに対する検定の t 統計量

• pValue — t 統計量の p 値

係数に対する他の検定を実行するには、anova (線形回帰モデルの場合のみ) または coefTest を使用します。係数推定値の信頼区間を求めるには、coefCI を使用します。

ベクトルとしてこれらの列のいずれかを取得するには、ドット表記を使ってプロパティにインデックスを付けます。たとえば、モデル mdl 内の推定された係数ベクトルを取得するには、次のようにします。

beta = mdl.Coefficients.Estimate

データ型: table

NumCoefficients — モデルの係数の数

正の整数

このプロパティは読み取り専用です。

モデルの係数の個数。正の整数を指定します。NumCoefficients には、モデルの項がランク落ちとなる場合にゼロに設定される係数が含まれます。

データ型: double

NumEstimatedCoefficients — 推定された係数の数

正の整数

このプロパティは読み取り専用です。

モデル内の推定された係数の個数。正の整数を指定します。NumEstimatedCoefficients には、モデルの項がランク落ちとなる場合にゼロに設定される係数は含まれません。NumEstimatedCoefficients は回帰の自由度です。

データ型: double

要約統計

DFE — 誤差に対する自由度

正の整数

このプロパティは読み取り専用です。

誤差 (残差) の自由度。推定された係数の個数を観測値の個数から減算した値に等しくなります。正の整数を指定します。

データ型: double

Diagnostics — 観測値の診断情報

テーブル

このプロパティは読み取り専用です。

観測値の診断情報。各観測値に対応する 1 つずつの行と次の表で説明されている列がある table を指定します。

列	意味	説明
Leverage	HatMatrix の対角要素	各観測値の Leverage は、観測された予測子の値によってどの程度まであてはめが決定されるかを示します。1 に近い値は、あてはめの大部分がその観測値によって決定され、他の観測値からの寄与は少ないことを示します。0 に近い値は、あてはめの大部分が他の観測値によって決定されることを示します。係数 P と観測 N のあるモデルの場合、Leverage の平均値は P/N です。2*P/N より大きい Leverage の値は、高いてこ比を示します。
CooksDistance	クックの距離	CooksDistance は、近似値におけるスケーリングされた変化の測定です。平均のクックの距離の 3 倍より CooksDistance が大きい観測値は、外れ値である可能性があります。
Dffits	近似値のスケーリングされた Delete-1 差分	Dffits は、各観測値をあてはめから除外することによって生じる近似値の変化をスケーリングした値です。絶対値が 2*sqrt(P/N) より大きい値は、影響力が大きいと考えることができます。
S2_i	1 標本を取り除いたときの分散	S2_i は各観測を順に削除することによって取得した一連の残差分散推定値です。これらの推定値は、MSE プロパティに格納される平均二乗誤差 (MSE) の値と比較できます。
CovRatio	共分散の行列式の Delete-1 比	CovRatio は、各観測値を順番に削除した、完全なモデルの共分散行列の行列式に対する係数の共分散行列の行列式の比率です。1 + 3*P/N より大きい値と 1 – 3*P/N より小さい値は、影響力が大きい点を示します。
Dfbetas	係数推定値のスケーリングされた Delete-1 差分	Dfbetas は、各観測値を順番に除外することによって生じる係数推定値の変化をスケーリングした値が格納されている、N 行 P 列の行列です。絶対値が 3/sqrt(N) より大きい値は、対応する係数に対して観測値が有意な影響を与えることを示します。
HatMatrix	観測された応答から fitted を計算するための射影行列	HatMatrix は、Fitted = HatMatrix*Y となる N 行 N 列の行列です。ここで、Y は応答ベクトル、Fitted は応答の近似値のベクトルです。

Diagnostics には、外れ値と影響力が大きい観測値を特定するために役立つ情報が格納されます。Delete-1 診断は、各観測値を順番にあてはめから除外することによって生じる変化を取得します。詳細については、ハット行列とてこ比、クックの距離および1 標本を取り除いたときの統計を参照してください。

観測値の診断情報をプロットするには、plotDiagnostics を使用します。

欠損値 (ObservationInfo.Missing 内) または除外された値 (ObservationInfo.Excluded 内) が原因であてはめに使用されなかった行では、CooksDistance、Dffits、S2_i および CovRatio 列に NaN 値が、Leverage、Dfbetas、および HatMatrix 列にゼロが格納されます。

これらの列のいずれかを配列として取得するには、ドット表記を使用してプロパティのインデックスを指定します。たとえば、モデル mdl 内の Delete-1 分散ベクトルを取得するには、次のようにします。

S2i = mdl.Diagnostics.S2_i;

データ型: table

Fitted — 入力データを基にあてはめを行った応答値

数値ベクトル

このプロパティは読み取り専用です。

入力データに基づいてあてはめた (予測した) 応答値。n 行 1 列の数値ベクトルを指定します。n は入力データ内の観測値の個数です。predict を使用して、他の予測値の予測を計算するか、Fitted で信頼限界を計算します。

データ型: single | double

LogLikelihood — 対数尤度

数値

このプロパティは読み取り専用です。

応答値の対数尤度。数値を指定します。各応答値が正規分布に従うという仮定に基づきます。正規分布の平均はあてはめた (予測した) 応答値、分散は MSE です。

データ型: single | double

ModelCriterion — モデルの比較基準

構造体

このプロパティは読み取り専用です。

モデルの比較基準。次のフィールドがある構造体を指定します。

• AIC — 赤池情報量基準。AIC = –2*logL + 2*m であり、ここで logL は対数尤度、m は推定パラメーターの数です。

• AICc — 標本サイズについて修正された赤池情報量基準。AICc = AIC + (2*m*(m + 1))/(n – m – 1) であり、ここで n は観測値の数です。

• BIC — ベイズ情報量基準。BIC = –2*logL + m*log(n) です。

• CAIC — 一貫した赤池情報量基準。CAIC = –2*logL + m*(log(n) + 1) です。

情報量基準は、同じデータにあてはめた複数のモデルを比較するために使用できるモデル選択ツールです。これらの基準は、尤度に基づくモデル近似の尺度であり、複雑度 (特にパラメーター数) に対するペナルティが含まれています。情報量基準が異なるとペナルティの形式が異なります。

複数のモデルを比較した場合に、情報量基準の値が最も小さいモデルが最良近似モデルです。最良近似モデルは、モデルの比較に使用する基準によって変化する可能性があります。

これらの基準値のいずれかをスカラーとして取得するには、ドット表記を使用してプロパティのインデックスを指定します。たとえば、モデル mdl の AIC 値 aic を取得するには、次のようにします。

aic = mdl.ModelCriterion.AIC

データ型: struct

MSE — 平均二乗誤差

数値

このプロパティは読み取り専用です。

平均二乗誤差 (残差)。数値を指定します。

MSE = SSE / DFE,

MSE は平均二乗誤差、SSE は残差平方和、DFE は自由度です。

データ型: single | double

Residuals — あてはめたモデルの残差

テーブル

このプロパティは読み取り専用です。

あてはめたモデルの残差。各観測値に対する 1 つずつの行と次の表に記載されている列が含まれている table を指定します。

列	説明
Raw	観測した値から近似した値を減算した値
Pearson	生の残差を平方根平均二乗誤差 (RMSE) で除算した値
Standardized	推定標準偏差で除算した生の残差
Studentized	生の残差を残差標準偏差の独立した推定値で除算した値。観測値 i の残差が、観測値 i を除くすべての観測値に基づく誤差標準偏差の推定値によって除算されます。

残差のプロットを作成するには、plotResiduals を使用します。詳細については、残差を参照してください。

欠損値 (ObservationInfo.Missing 内) または除外された値 (ObservationInfo.Excluded 内) が原因であてはめに使用されなかった行には、NaN 値が格納されます。

ベクトルとしてこれらの列のいずれかを取得するには、ドット表記を使ってプロパティにインデックスを付けます。たとえば、モデル mdl 内の生の残差のベクトル r を取得するには、次のようにします。

r = mdl.Residuals.Raw

データ型: table

RMSE — 平方根平均二乗誤差

数値

このプロパティは読み取り専用です。

平方根平均二乗誤差 (残差)。数値を指定します。

RMSE = sqrt(MSE),

RMSE は平方根平均二乗誤差、MSE は平均二乗誤差です。

データ型: single | double

Rsquared — モデルの決定係数の値

構造体

このプロパティは読み取り専用です。

モデルの決定係数の値。2 つのフィールドがある構造体を指定します。

• Ordinary — 通常の (自由度未調整) 決定係数

• Adjusted — 係数の数に対する自由度調整済み決定係数

決定係数の値は、モデルによって説明される二乗総和の比率です。通常の決定係数の値は、SSR プロパティおよび SST プロパティに関連します。

Rsquared = SSR/SST,

ここで、SST は二乗総和、SSR は回帰二乗和です。

詳細については、決定係数 (R-squared)を参照してください。

これらの値のいずれかをスカラーとして取得するには、ドット表記を使用してプロパティのインデックスを指定します。たとえば、モデル mdl の自由度調整済み決定係数の値を取得するには、次のようにします。

r2 = mdl.Rsquared.Adjusted

データ型: struct

SSE — 誤差の二乗和

数値

このプロパティは読み取り専用です。

誤差 (残差) の二乗和。数値を指定します。

ピタゴラスの定理により、次のようになります。

SST = SSE + SSR,

SST は二乗総和、SSE は残差平方和、SSR は回帰二乗和です。

データ型: single | double

SSR — 回帰二乗和

数値

このプロパティは読み取り専用です。

回帰二乗和。数値を指定します。回帰二乗和は、近似値の平均に対する近似値の偏差二乗和に等しい値です。

ピタゴラスの定理により、次のようになります。

SST = SSE + SSR,

SST は二乗総和、SSE は残差平方和、SSR は回帰二乗和です。

データ型: single | double

SST — 二乗の総和

数値

このプロパティは読み取り専用です。

二乗総和。数値を指定します。二乗総和は、mean(y) に対する応答ベクトル y の偏差二乗和に等しい値です。

ピタゴラスの定理により、次のようになります。

SST = SSE + SSR,

SST は二乗総和、SSE は残差平方和、SSR は回帰二乗和です。

データ型: single | double

近似法

Robust — ロバスト近似の情報

構造体

このプロパティは読み取り専用です。

ロバスト近似の情報。次の表で説明されているフィールドをもつ構造体を指定します。

フィールド	説明
WgtFun	'bisquare' などのロバストな重み付け関数 ('RobustOpts' を参照)
Tune	調整定数。WgtFun が 'ols' である場合、または、WgtFun が、既定の調整定数が 1 であるカスタム重み関数の関数ハンドルである場合、このフィールドは空 ([]) です。
Weights	ロバスト近似の最後の反復で使用された重みのベクトル。CompactLinearModel オブジェクトの場合、このフィールドは空です。

ロバスト回帰を使用してモデルをあてはめた場合を除き、この構造体は空です。

データ型: struct

Steps — ステップワイズ近似の情報

構造体

このプロパティは読み取り専用です。

ステップワイズ近似の情報。次の表で説明されているフィールドをもつ構造体を指定します。

フィールド	説明
Start	開始モデルを表す式
Lower	下限モデルを表す式。Lower 内の項は必ずモデルに残ります。
Upper	上限モデルを表す式。Upper より多い項をモデルに含めることはできません。
Criterion	'sse' などのステップワイズ アルゴリズムに使用された基準
PEnter	Criterion が項を追加するためのしきい値
PRemove	Criterion が項を削除するためのしきい値
History	近似で実行されたステップを表すテーブル

table History には、初期のあてはめを含む各ステップに対応する 1 つずつの行と、次の表で説明されている列が含まれています。

列	説明
Action	そのステップで行われたアクション 'Start' — 最初のステップ 'Add' — 項が 1 つ追加されます 'Remove' — 項が 1 つ削除されます
TermName	Action が 'Start' である場合、TermName は開始モデル仕様を指定します。 Action が 'Add' または 'Remove' である場合、TermName はそのステップで追加または削除した項を指定します。
Terms	項の行列内のモデル仕様
DF	そのステップの後の回帰自由度
delDF	前のステップに対する回帰自由度の変化 (項を削除するステップの場合は負)
Deviance	(一般化線形回帰モデルの場合のみ) そのステップにおける逸脱度 (残差二乗和)
FStat	そのステップに導いた F 統計量
PValue	F 統計量の p 値

ステップワイズ回帰を使用してモデルをあてはめた場合を除き、この構造体は空です。

データ型: struct

入力データ

Formula — モデルの情報

LinearFormula オブジェクト

このプロパティは読み取り専用です。

モデルの情報。LinearFormula オブジェクトを指定します。

ドット表記を使用して、あてはめたモデル mdl の式を表示します。

mdl.Formula

NumObservations — 観測値の数

正の整数

このプロパティは読み取り専用です。

近似関数があてはめで使用した観測値の個数。正の整数を指定します。NumObservations は、元の table、データセットまたは行列で指定された観測値の個数から、除外する行数 (名前と値のペアの引数 'Exclude' で設定) または欠損値が含まれている行数を減算した値です。

データ型: double

NumPredictors — 予測子変数の数

正の整数

このプロパティは読み取り専用です。

モデルのあてはめに使用した予測子変数の個数。正の整数を指定します。

データ型: double

NumVariables — 変数の数

正の整数

このプロパティは読み取り専用です。

入力データに含まれている変数の個数。正の整数を指定します。NumVariables は、元の table またはデータセットに含まれている変数の個数、または予測子行列と応答ベクトルの列の総数です。

NumVariables には、予測子または応答としてモデルのあてはめに使用される変数ではないものも含まれます。

データ型: double

ObservationInfo — 観測値の情報

テーブル

このプロパティは読み取り専用です。

観測値の情報。n 行 4 列の table として指定します。n は入力データの行数に等しくなります。ObservationInfo には、次の表で説明されている列が含まれます。

列	説明
Weights	観測値の重み。数値として指定します。既定値は 1 です。
Excluded	除外する観測値のインジケーター。logical 値として指定します。名前と値のペアの引数 'Exclude' を使用して観測値をあてはめから除外した場合、値は true です。
Missing	欠損観測値のインジケーター。logical 値として指定します。観測値が欠損値である場合、値は true です。
Subset	近似関数が観測値を使用するかどうかのインジケーター。logical 値として指定します。観測値が除外されず、欠損値でもない場合、つまり、近似関数が観測値を使用する場合、値は true です。

ベクトルとしてこれらの列のいずれかを取得するには、ドット表記を使ってプロパティにインデックスを付けます。たとえば、モデル mdl の重みベクトル w を取得するには、次のようにします。

w = mdl.ObservationInfo.Weights

データ型: table

ObservationNames — 観測値の名前

文字ベクトルの cell 配列

このプロパティは読み取り専用です。

観測値の名前。あてはめで使用した観測値の名前が含まれている文字ベクトルの cell 配列を指定します。

• 近似が観測名を含むテーブルまたはデータセットに基づいている場合、ObservationNames はそれらの名前を使用します。

• それ以外の場合、ObservationNames は空の cell 配列になります。

データ型: cell

PredictorNames — モデルのあてはめに使用した予測子の名前

文字ベクトルの cell 配列

このプロパティは読み取り専用です。

モデルのあてはめに使用した予測子の名前。文字ベクトルの cell 配列を指定します。

データ型: cell

ResponseName — 応答変数名

文字ベクトル

このプロパティは読み取り専用です。

応答変数名。文字ベクトルを指定します。

データ型: char

VariableInfo — 変数に関する情報

テーブル

このプロパティは読み取り専用です。

Variables に格納されている入力変数に関する情報。各変数に対応する 1 つずつの行と次の表で説明されている列がある table を指定します。

列	説明
Class	変数のクラス。'double' や 'categorical' などの文字ベクトルによる cell 配列を指定します。
Range	変数の範囲。ベクトルの cell 配列を指定します。 連続変数 — 2 因子ベクトル [min,max]、最小値と最大値 カテゴリカル変数 — 異なる変数値のベクトル
InModel	あてはめたモデルにどの変数が含まれているかを示すインジケーター。logical ベクトルを指定します。モデルに変数が含まれている場合、値は true です。
IsCategorical	カテゴリカル変数のインジケーター。logical ベクトルを指定します。変数がカテゴリカルである場合、値は true です。

VariableInfo には、予測子または応答としてモデルのあてはめに使用される変数ではないものも含まれます。

データ型: table

VariableNames — 変数の名前

文字ベクトルの cell 配列

このプロパティは読み取り専用です。

変数の名前。文字ベクトルの cell 配列を指定します。

• あてはめが table またはデータセットに基づいている場合、このプロパティはその table またはデータセット内の変数の名前を与えます。

• あてはめが予測行列と応答ベクトルに基づいている場合、近似メソッドの名前と値のペアの引数 'VarNames' によって指定された値が VariableNames に格納されます。'VarNames' の既定値は {'x1','x2',...,'xn','y'} です。

VariableNames には、予測子または応答としてモデルのあてはめに使用される変数ではないものも含まれます。

データ型: cell

Variables — 入力データ

テーブル

このプロパティは読み取り専用です。

入力データ。table を指定します。Variables には予測子と応答の両方の値が格納されます。あてはめが table またはデータセット配列に基づいている場合、Variables にはその table またはデータセット配列のデータがすべて格納されます。それ以外の場合、Variables は入力データ行列 X と応答ベクトル y から作成された table です。

Variables には、予測子または応答としてモデルのあてはめに使用される変数ではないものも含まれます。

データ型: table

オブジェクト関数

CompactLinearModel の作成

compact

コンパクトな線形回帰モデル

線形モデルの項の追加または削除

addTerms	線形回帰モデルに項を追加
removeTerms	線形回帰モデルから項を削除
step	項の追加または削除による線形回帰モデルの改良

応答予測

feval	各予測子について 1 つずつ入力を使用して線形回帰モデルの応答を予測
predict	線形回帰モデルの応答を予測
random	ランダム ノイズがある応答を線形回帰モデルに対してシミュレート

線形モデルの評価

anova	線形回帰モデルの分散分析
coefCI	線形回帰モデルの係数推定値の信頼区間
coefTest	線形回帰モデルの係数に対する線形仮説検定
dwtest	線形回帰モデル オブジェクトによるダービン・ワトソン検定

線形モデルと要約統計の可視化

plot	線形回帰モデルの散布図または追加変数プロット
plotAdded	線形回帰モデルの追加変数プロット
plotAdjustedResponse	線形回帰モデルの調整応答プロット
plotDiagnostics	線形回帰モデルの観測値の診断情報をプロット
plotEffects	線形回帰モデルの予測子の主効果をプロット
plotInteraction	線形回帰モデルの 2 つの予測子の交互作用効果のプロット
plotPartialDependence	部分従属プロット (PDP) および個別条件付き期待値 (ICE) プロットの作成
plotResiduals	線形回帰モデルの残差プロット
plotSlice	近似線形回帰面を通るスライスのプロット

例

行列内のデータを使用した線形回帰のあてはめ

行列入力データセットを使用して線形回帰モデルをあてはめます。

行列入力データセットである carsmall データセットを読み込みます。

load carsmall
X = [Weight,Horsepower,Acceleration];

fitlm を使用して、線形回帰モデルをあてはめます。

mdl = fitlm(X,MPG)

mdl = 
Linear regression model:
    y ~ 1 + x1 + x2 + x3

Estimated Coefficients:
                    Estimate        SE          tStat        pValue  
                   __________    _________    _________    __________

    (Intercept)        47.977       3.8785        12.37    4.8957e-21
    x1             -0.0065416    0.0011274      -5.8023    9.8742e-08
    x2              -0.042943     0.024313      -1.7663       0.08078
    x3              -0.011583      0.19333    -0.059913       0.95236


Number of observations: 93, Error degrees of freedom: 89
Root Mean Squared Error: 4.09
R-squared: 0.752,  Adjusted R-Squared: 0.744
F-statistic vs. constant model: 90, p-value = 7.38e-27

モデルの表示には、モデル式、推定された係数、およびモデルの要約統計が含まれています。

この表示のモデル式 y ~ 1 + x1 + x2 + x3 は、$\mathit{y}={\beta }_0+{\beta }_1{\mathit{X}}_1+{\beta }_2{\mathit{X}}_2+{\beta }_3{\mathit{X}}_3+ϵ$ に対応します。

モデルの表示には、Coefficients プロパティに格納されている、推定された係数の情報も示されています。Coefficients プロパティを表示します。

mdl.Coefficients

ans=4×4 table
                    Estimate        SE          tStat        pValue  
                   __________    _________    _________    __________

    (Intercept)        47.977       3.8785        12.37    4.8957e-21
    x1             -0.0065416    0.0011274      -5.8023    9.8742e-08
    x2              -0.042943     0.024313      -1.7663       0.08078
    x3              -0.011583      0.19333    -0.059913       0.95236

Coefficient プロパティには、以下の列が含まれています。

• Estimate — モデル内の対応する各項の係数推定値。たとえば、定数項 (intercept) の推定値は 47.977 です。

• SE — 係数の標準誤差。

• tStat — 各係数の t 統計量。モデル内の他の予測子が与えられた場合に、対応する係数が 0 ではないという対立仮説に対して係数が 0 であるという帰無仮説を検定するために使用します。tStat = Estimate/SE であることに注意してください。たとえば、切片の t 統計量は 47.977/3.8785 = 12.37 です。

• pValue — 対応する係数が 0 であるかどうかについての仮説検定の t 統計量に対する p 値。たとえば、x2 の t 統計量の p 値は 0.05 より大きいので、この項はモデル内の他の項に対して 5% の有意水準では有意ではありません。

モデルの要約統計は以下のとおりです。

• Number of observations — NaN 値が含まれていない行の数。この例では、X と MPG の行数が 100 であり、異なる観測値についてデータ ベクトル MPG には 6 つの NaN 値、データ ベクトル Horsepower には 1 つの NaN 値があるので、Number of observations は 93 です。

• Error degrees of freedom — n – p。ここで、n は観測値の個数、p はモデル内の係数の個数 (切片を含む) です。たとえば、モデルには 4 つの予測子があるため、Error degrees of freedom は 93 – 4 = 89 となります。

• Root mean squared error — 平均二乗誤差の平方根。誤差分布の標準偏差の推定に使用します。

• R-squared および Adjusted R-squared — それぞれ決定係数および調整後の決定係数。たとえば、R-squared 値からは、応答変数 MPG のばらつきの約 75% をこのモデルで説明できることがわかります。

• F-statistic vs. constant model — 回帰モデルに対する F 検定の検定統計量。この検定では、定数項のみから構成される縮退したモデルより回帰モデルの方が有意に優れているかどうかを検定します。

• p-value — モデルに対する F 検定の p 値。たとえば、p 値が 7.3816e-27 なので、このモデルは有意です。

これらの統計量はモデルのプロパティ (NumObservations、DFE、RMSE および Rsquared) に含まれており、関数 anova を使用して取得できます。

anova(mdl,'summary')

ans=3×5 table
                SumSq     DF    MeanSq      F         pValue  
                ______    __    ______    ______    __________

    Total       6004.8    92    65.269                        
    Model         4516     3    1505.3    89.987    7.3816e-27
    Residual    1488.8    89    16.728                        

カテゴリカル予測子がある線形回帰

カテゴリカル予測子が含まれている線形回帰モデルをあてはめます。モデルの基準レベルを制御するため、カテゴリカル予測子のカテゴリの順序を並べ替えます。次に、anovaを使用してカテゴリカル変数の有意性を検定します。

カテゴリカル予測子をもつモデル

carsmall データセットを読み込み、Model_Year の関数として MPG の線形回帰モデルを作成します。数値ベクトル Model_Year をカテゴリカル変数として扱うため、名前と値のペアの引数 'CategoricalVars' を使用して予測子を指定します。

load carsmall
mdl = fitlm(Model_Year,MPG,'CategoricalVars',1,'VarNames',{'Model_Year','MPG'})

mdl = 
Linear regression model:
    MPG ~ 1 + Model_Year

Estimated Coefficients:
                     Estimate      SE      tStat       pValue  
                     ________    ______    ______    __________

    (Intercept)        17.69     1.0328    17.127    3.2371e-30
    Model_Year_76     3.8839     1.4059    2.7625     0.0069402
    Model_Year_82      14.02     1.4369    9.7571    8.2164e-16


Number of observations: 94, Error degrees of freedom: 91
Root Mean Squared Error: 5.56
R-squared: 0.531,  Adjusted R-Squared: 0.521
F-statistic vs. constant model: 51.6, p-value = 1.07e-15

この表示のモデル式 MPG ~ 1 + Model_Year は、次の式に対応します。

$\mathrm{MPG}={\beta }_0+{\beta }_1{{\rm I}}_{\mathrm{Year}=76}+{\beta }_2{{\rm I}}_{\mathrm{Year}=82}+ϵ$,

${{\rm I}}_{\mathrm{Year}=76}$ と ${{\rm I}}_{\mathrm{Year}=82}$ は指標変数であり、それぞれ Model_Year の値が 76 および 82 である場合に値が 1 になります。変数 Model_Year には 3 種類の値が格納されます。これは、関数 unique を使用してチェックできます。

unique(Model_Year)

ans = 3×1

    70
    76
    82

fitlm は、基準レベルとして Model_Year の最小値 ('70') を選択し、2 つの指標変数 ${{\rm I}}_{\mathrm{Year}=76}$ および ${{\rm I}}_{\mathrm{Year}=82}$ を作成します。3 つの指標変数 (各レベルについて 1 つ) と切片項をモデルに含めると計画行列がランク落ちとなるので、このモデルには 2 つの指標変数のみが含まれています。

すべての指標変数をもつモデル

mdl のモデル式は、3 つの指標変数があり切片項はない次のようなモデルとして解釈できます。

$\mathit{y}={\beta }_0{{\rm I}}_{{\mathit{x}}_1=70}+\left({\beta }_0+{\beta }_1\right){{\rm I}}_{{\mathit{x}}_1=76}+\left({{\beta }_0+\beta }_2\right){{\rm I}}_{{\mathit{x}}_2=82}+ϵ$.

または、手動で指標変数を作成しモデル式を指定することにより、3 つの指標変数があり切片項はないモデルを作成できます。

temp_Year = dummyvar(categorical(Model_Year));
Model_Year_70 = temp_Year(:,1);
Model_Year_76 = temp_Year(:,2);
Model_Year_82 = temp_Year(:,3);
tbl = table(Model_Year_70,Model_Year_76,Model_Year_82,MPG);
mdl = fitlm(tbl,'MPG ~ Model_Year_70 + Model_Year_76 + Model_Year_82 - 1')

mdl = 
Linear regression model:
    MPG ~ Model_Year_70 + Model_Year_76 + Model_Year_82

Estimated Coefficients:
                     Estimate      SE       tStat       pValue  
                     ________    _______    ______    __________

    Model_Year_70      17.69      1.0328    17.127    3.2371e-30
    Model_Year_76     21.574     0.95387    22.617    4.0156e-39
    Model_Year_82      31.71     0.99896    31.743    5.2234e-51


Number of observations: 94, Error degrees of freedom: 91
Root Mean Squared Error: 5.56

モデルの基準レベルの選択

カテゴリカル変数のカテゴリの順序を変更することにより、基準レベルを選択できます。まず、カテゴリカル変数 Year を作成します。

Year = categorical(Model_Year);

関数categoriesを使用して、カテゴリの順序をチェックします。

categories(Year)

ans = 3x1 cell
    {'70'}
    {'76'}
    {'82'}

Year を予測子変数として使用する場合、fitlm は 1 番目のカテゴリ '70' を基準レベルとして選択します。関数reordercatsを使用して Year を並べ替えます。

Year_reordered = reordercats(Year,{'76','70','82'});
categories(Year_reordered)

ans = 3x1 cell
    {'76'}
    {'70'}
    {'82'}

Year_reordered の 1 番目のカテゴリは '76' です。Year_reordered の関数として MPG の線形回帰モデルを作成します。

mdl2 = fitlm(Year_reordered,MPG,'VarNames',{'Model_Year','MPG'})

mdl2 = 
Linear regression model:
    MPG ~ 1 + Model_Year

Estimated Coefficients:
                     Estimate      SE        tStat       pValue  
                     ________    _______    _______    __________

    (Intercept)       21.574     0.95387     22.617    4.0156e-39
    Model_Year_70    -3.8839      1.4059    -2.7625     0.0069402
    Model_Year_82     10.136      1.3812     7.3385    8.7634e-11


Number of observations: 94, Error degrees of freedom: 91
Root Mean Squared Error: 5.56
R-squared: 0.531,  Adjusted R-Squared: 0.521
F-statistic vs. constant model: 51.6, p-value = 1.07e-15

mdl2 は、'76' を基準レベルとして使用し、2 つの指標変数 ${{\rm I}}_{\mathrm{Year}=70}$ および ${{\rm I}}_{\mathrm{Year}=82}$ を含めます。

カテゴリカル予測子の評価

mdl2 のモデル表示には、対応する係数がゼロに等しいかどうかを検定するための p 値が各項について含まれています。各 p 値は各指標変数を検定します。カテゴリカル変数 Model_Year を指標変数のグループとして調べるには、anovaを使用します。定数項を除くモデル内の各変数の ANOVA 統計が含まれている成分 ANOVA 表を返すため、'components' (既定の設定) オプションを使用します。

anova(mdl2,'components')

ans=2×5 table
                  SumSq     DF    MeanSq      F        pValue  
                  ______    __    ______    _____    __________

    Model_Year    3190.1     2    1595.1    51.56    1.0694e-15
    Error         2815.2    91    30.936                       

成分 ANOVA 表には変数 Model_Year の p 値が含まれており、指標変数の p 値より小さくなっています。

ロバスト線形回帰モデルのあてはめ

hald データセットを読み込みます。これは、セメントの硬化熱に対してセメントの組成が与える影響を測定したデータです。

load hald

このデータセットには、変数 ingredients および heat が含まれています。行列 ingredients には、セメントに含まれている 4 種類の化学物質の組成率が格納されています。ベクトル heat には、各セメント標本に対する 180 日後の硬化熱の値が格納されています。

ロバスト線形回帰モデルをデータにあてはめます。

mdl = fitlm(ingredients,heat,'RobustOpts','on')

mdl = 
Linear regression model (robust fit):
    y ~ 1 + x1 + x2 + x3 + x4

Estimated Coefficients:
                   Estimate      SE        tStat       pValue 
                   ________    _______    ________    ________

    (Intercept)       60.09     75.818     0.79256      0.4509
    x1               1.5753    0.80585      1.9548    0.086346
    x2               0.5322    0.78315     0.67957     0.51596
    x3              0.13346     0.8166     0.16343     0.87424
    x4             -0.12052     0.7672    -0.15709     0.87906


Number of observations: 13, Error degrees of freedom: 8
Root Mean Squared Error: 2.65
R-squared: 0.979,  Adjusted R-Squared: 0.969
F-statistic vs. constant model: 94.6, p-value = 9.03e-07

詳細については、ロバスト近似と標準的な最小二乗近似の結果を比較しているロバスト回帰 — 外れ値の影響の低減のトピックを参照してください。

ステップワイズ回帰の使用による線形モデルのあてはめ

hald データセットを読み込みます。これは、セメントの硬化熱に対してセメントの組成が与える影響を測定したデータです。

load hald

このデータセットには、変数 ingredients および heat が含まれています。行列 ingredients には、セメントに含まれている 4 種類の化学物質の組成率が格納されています。ベクトル heat には、各セメント標本に対する 180 日後の硬化熱の値が格納されています。

ステップワイズ線形回帰モデルをデータにあてはめます。モデルに項を追加する基準のしきい値として 0.06 を指定します。

 mdl = stepwiselm(ingredients,heat,'PEnter',0.06)

1. Adding x4, FStat = 22.7985, pValue = 0.000576232
2. Adding x1, FStat = 108.2239, pValue = 1.105281e-06
3. Adding x2, FStat = 5.0259, pValue = 0.051687
4. Removing x4, FStat = 1.8633, pValue = 0.2054

mdl = 
Linear regression model:
    y ~ 1 + x1 + x2

Estimated Coefficients:
                   Estimate       SE       tStat       pValue  
                   ________    ________    ______    __________

    (Intercept)     52.577       2.2862    22.998    5.4566e-10
    x1              1.4683       0.1213    12.105    2.6922e-07
    x2             0.66225     0.045855    14.442     5.029e-08


Number of observations: 13, Error degrees of freedom: 10
Root Mean Squared Error: 2.41
R-squared: 0.979,  Adjusted R-Squared: 0.974
F-statistic vs. constant model: 230, p-value = 4.41e-09

既定では、開始モデルは定数モデルです。stepwiselm は前方選択を実行し、x4、x1 および x2 の各項を (この順番で) 追加します。これは対応する p 値が PEnter の値 0.06 より小さいためです。その後、stepwiselm は後退消去を使用して x4 をモデルから削除します。これは、x2 がモデル内にあると、PRemove の既定値である 0.1 より x4 の p 値が大きくなるためです。

詳細

項の行列

項行列 T は、モデル内の項を指定する t 行 (p + 1) 列の行列です。t は項の数、p は予測子変数の数であり、+1 は応答変数に相当します。T(i,j) の値は、項 i の変数 j の指数です。

たとえば、3つの予測子変数 A、B、C と応答変数 Y が A、B、C、Y という順序で入力に含まれていると仮定します。T の各行は 1 つの項を表します。

• [0 0 0 0] — 定数項 (切片)

• [0 1 0 0] — B (A^0 * B^1 * C^0 と等価)

• [1 0 1 0] — A*C

• [2 0 0 0] — A^2

• [0 1 2 0] — B*(C^2)

各項の最後の 0 は、応答変数を表します。一般に、項行列内のゼロの列ベクトルは、応答変数の位置を表します。行列と列ベクトルに予測子と応答変数がある場合、各行の最後の列に応答変数を示す 0 を含めなければなりません。

代替機能

• 高次元データセットに対する計算時間を短縮するには、関数 fitrlinear を使用して線形回帰モデルをあてはめます。

• 回帰を正則化するには、fitrlinear、lasso、ridge または plsregress を使用します。

  • fitrlinear は、LASSO またはリッジ回帰を使用して、高次元データの回帰を正則化します。

  • lasso は、LASSO または Elastic Net を使用して、線形回帰の冗長な予測子を削除します。

  • ridge は、リッジ回帰を使用して、相関する項がある回帰を正則化します。

  • plsregress は、部分最小二乗を使用して、相関する項がある回帰を正則化します。

拡張機能

C/C++ コード生成

MATLAB® Coder™ を使用して C および C++ コードを生成します。

使用上の注意事項および制限事項:

• 関数 predict および random はコード生成をサポートします。

• fitlm または stepwiselm を使用してモデルをあてはめる場合、logical ベクトル、文字配列、categorical 配列、string 配列、または文字ベクトルの cell 配列が格納されている table 内の学習データは指定できません。また、名前と値のペアの引数 'CategoricalVars' は使用できません。コード生成ではカテゴリカル予測子がサポートされません。カテゴリカル予測子をモデルに含めるには、モデルをあてはめる前に dummyvar を使用してカテゴリカル予測子を前処理します。

詳細は、コード生成の紹介を参照してください。

参考

CompactLinearModel | fitlm | stepwiselm

トピック

• 線形回帰
• 線形回帰モデルとは

R2012a で導入

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