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  • 高中数学教案必修三:2.4 线性回归方程(1)

    2021-02-11 高二上册数学人教版

    
    教学目标:
    1. 通过收集现实问题中两个有关联变量的数据作出散点图,并利用散点图直观认识变量间的相关关系;
    2. 在两个变量具有线性相关关系时,会在散点图中作出线性直线,会用线性回归方程进行预测;
    3. 知道最小二乘法的含义,知道最小二乘法的思想,能根据给出的线性回归方程系数公式建立线性回归方程,了解(线性)相关系数的定义.
    教学重点:
    散点图的画法,回归直线方程的求解方法.
    教学难点:
    回归直线方程的求解方法.
    教学方法:
    引导发现、合作探究.
    教学过程:
    一、创设情景,揭示课题
    客观事物是相互联系的.过去研究的大多数是因果关系,但实际上更多存在的是一种非因果关系.比如说:某某同学的数学成绩与物理成绩,彼此是互相联系的,但不能认为数学是“因”,物理是“果”,或者反过来说 事实上数学和物理成绩都是“果”,而真正的“因”是学生的理科学习能力和努力程度.所以说,函数关系存在着一种确定性关系,但还存在着另一种非确定性关系——相关关系.
    二、学生活动
    提出问题:两个变量之间的常见关系有几种?
    (1)确定性的函数关系,变量之间的关系可以用函数表示;
    (2)相关关系,变量之间有一定的联系,但不能完全用函数来表示.
    说明:不要认为两个变量间除了函数关系,就是相关关系,事实是,两个变量间可能毫无关系.比如地球运行的速度与某个人的行走速度就可认为没有关系.
    某小卖部为了了解热茶销售量与气温之间的关系,随机统计并制作了某6天卖出热茶的杯数与当天气温的对照表:
    气温/C
    26
    18
    13
    10
    4
    杯数
    20
    24
    34
    38
    50
    64
    如果某天的气温是,你能根据这些数据预测这天小卖部卖出热茶的杯数吗?
    从下图可以看出,这些点散布在一条直线的附近,故可用一个线性函数近似地表示热茶销量与气温之间的关系.
    选择怎样的直线近似地表示热茶销量与气温之间的关系?
    我们有多种思考方案:
    (1)选择能反映直线变化的两个点,例如取这两点的直线;
    (2)取一条直线,使得位于该直线一侧和另一侧的点的个数基本相同;
    (3)多取几组点,确定几条直线方程,再分别算出各条直线斜率、截距的平均值,作为所求直线的斜率、截距;
    ……
    怎样的直线最好呢?
    三、建构数学
    1.最小平方法:
    用方程为的直线拟合散点图中的点,应使得该直线
    与散点图中的点最接近.那么,怎样衡量直线与图中六
    个点的接近程度呢?
    我们将表中给出的自变量的六个值带入直线方程,得到相应的六个的值:
    .这六个值与表中相应的实际值应该越
    接近越好.所以,我们用类似于估计平均数时的思想,考虑离差的平方和
    说明: 是直线与各散点在垂直方向(纵轴方向)上的距离的平
    方和,可以用来衡量直线与图中六个点的接近程度,所以,设法取的
    值,使达到最小值.这种方法叫做最小平方法(又称最小二乘法)(method of
    least square).
    先把看作常数,那么是关于的二次函数.易知,当时,
    取得最小值.同理, 把看作常数,那么是关于的二次函数.当
    时, 取得最小值.因此,当时,取的最小值,由此解得
    .所求直线方程为.当
    时,,故当气温为时,热茶销量约为杯.
    2.线性相关关系:
    像这样能用直线方程近似表示的相关关系叫做线性相关关系(liner correlation).
    3.线性回归方程:
    一般地,设有个观察数据如下:



    当使取得最小值时,就
    称为拟合这对数据的线性回归方程(linear regression equation),
    该方程所表示的直线称为回归直线.
    上述式子展开后,是一个关于的二次多项式,应用配方法,可求出使为最小值时的的值.即
    结论:,(*) ,
    说明:公式(*)的推导比较复杂,这里不作要求.
    四、数学运用
    例题 下表为某地近几年机动车辆数与交通事故数的统计资料,请判断机动
    车辆数与交通事故数之间是否有线性相关关系,如果具有线性相关关系,求出线
    性回归方程;如果不具有线性相关关系,说明理由.
    机动车辆数/千台
    95
    110
    112
    120
    129
    135
    150
    180
    交通事故数/千件
    6.2
    7.5
    7.7
    8.5
    8.7
    9.8
    10.2
    13
    1.下面是我国居民生活污水排放量的一组数据(单位:10 t)试分别估计1996年和2004年我国居民生活污水排放量.
    年份
    1995
    1996
    1997
    1998
    1999
    2000
    2001
    2002
    排放量
    151
    189.1
    194.8
    203.8
    220.9
    227.7
    232.3
    2.一个工厂在某年里每月产品的总成本y(单位:万元)与月产量(单位:万件)之间有如下一组数据:
    x
    1.08
    1.12
    1.19
    1.28
    1.36
    1.48
    1.59
    1.68
    1.80
    1.87
    1.98
    2.07
    y
    2.25
    2.37
    2.40
    2.55
    2.64
    2.75
    2.92
    3.03
    3.14
    3.26
    3.36
    3.50
    (1)画出散点图;
    (2)求线性回归方程.
    五、归纳整理,整体认识
    1.对一组数据进行线性回归分析时,应先画出其散点图,看其是否呈直线形,再依系数的计算公式,算出.由于计算量较大,所以在计算时应借助技术手段,认真细致,谨防计算中产生错误.
    2.求线性回归方程的步骤:
    ①计算平均数;②计算的积,求;③计算;④将结果代入公式求;⑤用 求;⑥写出回归方程

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