1 Frage zu Linearealgebra

Die mathematischen Grundlagen der Regression basieren auf der Modellierung von Zusammenhängen zwischen Variablen. Im einfachsten Fall, der linearen Regression, wird angenommen, dass zwischen einer abhängigen Variable \( y \) und einer oder mehreren unabhängigen Variablen \( x \) ein linearer Zusammenhang besteht. **1. Lineares Regressionsmodell:** Das Grundmodell lautet: \[ y = \beta_0 + \beta_1 x_1 + \beta_2 x_2 + \ldots + \beta_p x_p + \varepsilon \] - \( y \): abhängige Variable (Zielgröße) - \( x_1, x_2, \ldots, x_p \): unabhängige Variablen (Prädiktoren) - \( \beta_0, \beta_1, \ldots, \beta_p \): Regressionskoeffizienten - \( \varepsilon \): Fehlerterm (Residuum) **2. Ziel der Regression:** Die Regressionsanalyse sucht die Werte für die Koeffizienten \( \beta \), sodass die Vorhersage \( \hat{y} \) möglichst gut zu den beobachteten Werten \( y \) passt. **3. Methode der kleinsten Quadrate (Least Squares):** Die am häufigsten verwendete Methode ist die Methode der kleinsten Quadrate. Sie minimiert die Summe der quadrierten Abweichungen (Residuen) zwischen den beobachteten und den vorhergesagten Werten: \[ \text{Minimiere} \quad S = \sum_{i=1}^n (y_i - \hat{y}_i)^2 \] **4. Matrixdarstellung:** Für mehrere Variablen kann das Modell in Matrixform geschrieben werden: \[ \mathbf{y} = \mathbf{X}\boldsymbol{\beta} + \boldsymbol{\varepsilon} \] - \( \mathbf{y} \): Vektor der Zielgrößen - \( \mathbf{X} \): Matrix der Prädiktoren (mit einer Spalte für den Achsenabschnitt) - \( \boldsymbol{\beta} \): Vektor der Regressionskoeffizienten - \( \boldsymbol{\varepsilon} \): Fehlervektor Die Lösung für die Koeffizienten ist: \[ \hat{\boldsymbol{\beta}} = (\mathbf{X}^T\mathbf{X})^{-1}\mathbf{X}^T\mathbf{y} \] **5. Annahmen der linearen Regression:** - Linearität: Der Zusammenhang zwischen \( x \) und \( y \) ist linear. - Unabhängigkeit: Die Fehler sind unabhängig. - Homoskedastizität: Die Fehler haben konstante Varianz. - Normalverteilung der Fehler (für Inferenz). **6. Erweiterungen:** - Nichtlineare Regression: Modelliert nichtlineare Zusammenhänge. - Multiple Regression: Mehrere Prädiktoren. - Regularisierte Regression (z.B. Ridge, Lasso): Fügt Strafterme hinzu, um Überanpassung zu vermeiden. **Zusammenfassung:** Die mathematischen Grundlagen der Regression bestehen aus der Annahme eines funktionalen Zusammenhangs, der Schätzung der Modellparameter (meist mit der Methode der kleinsten Quadrate) und bestimmten Annahmen über die Fehlerstruktur.