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高考数学专题复习练习:第十一章 11_3两个变量的线性相关
1.两个变量的线性相关 (1)正相关 在散点图中,点散布在从左下角到右上角的区域,对于两个变量的这种相关关系,我们将它 称为正相关. (2)负相关 在散点图中,点散布在从左上角到右下角的区域,两个变量的这种相关关系称为负相关. (3)线性相关关系、回归直线 如果散点图中点的分布从整体上看大致在一条直线附近,就称这两个变量之间具有线性相关 关系,这条直线叫做回归直线. 2.回归方程 (1)最小二乘法 求回归直线,使得样本数据的点到它的距离的平方和最小的方法叫做最小二乘法. (2)回归方程 方程y ^ =b ^ x+a ^ 是两个具有线性相关关系的变量的一组数据(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn) 的回归方程,其中a ^ ,b ^ 是待定参数. b ^ = ∑n i=1 xi- x yi- y ∑n i=1 xi- x 2 = ∑n i=1xiyi-n x y ∑n i=1x2i -n x 2 , a ^ = y -b ^ x . 3.回归分析 (1)定义:对具有相关关系的两个变量进行统计分析的一种常用方法. (2)样本点的中心 对于一组具有线性相关关系的数据(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn),其中( x , y )称为样本 点的中心. (3)相关系数 当 r>0 时,表明两个变量正相关; 当 r<0 时,表明两个变量负相关. r 的绝对值越接近于 1,表明两个变量的线性相关性越强.r 的绝对值越接近于 0,表明两个 变量之间几乎不存在线性相关关系.通常|r|大于 0.75 时,认为两个变量有很强的线性相关性. 4.独立性检验 (1)分类变量:变量的不同“值”表示个体所属的不同类别,像这类变量称为分类变量. (2)列联表:列出两个分类变量的频数表,称为列联表.假设有两个分类变量 X 和 Y,它们的 可能取值分别为{x1,x2}和{y1,y2},其样本频数列联表(称为 2×2 列联表)为 2×2 列联表 y1 y2 总计 x1 a b a+b x2 c d c+d 总计 a+c b+d a+b+c+d 构造一个随机变量 K2= nad-bc2 a+bc+da+cb+d ,其中 n=a+b+c+d 为样本容量. (3)独立性检验 利用随机变量 K2 来判断“两个分类变量有关系”的方法称为独立性检验. 【思考辨析】 判断下列结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”) (1)相关关系与函数关系都是一种确定性的关系,也是一种因果关系.( × ) (2)“名师出高徒”可以解释为教师的教学水平与学生的水平成正相关关系.( √ ) (3)只有两个变量有相关关系,所得到的回归模型才有预测价值.( √ ) (4)某同学研究卖出的热饮杯数 y 与气温 x(℃)之间的关系,得回归方程y ^ =-2.352x+147.767, 则气温为 2℃时,一定可卖出 143 杯热饮.( × ) (5)事件 X,Y 关系越密切,则由观测数据计算得到的 K2 的观测值越大.( √ ) (6)由独立性检验可知,有 99%的把握认为物理成绩优秀与数学成绩有关,某人数学成绩优秀, 则他有 99%的可能物理优秀.( × ) 1.(2015·湖北)已知变量 x 和 y 满足关系y ^ =-0.1x+1,变量 y 与 z 正相关.下列结论中正确 的是( ) A.x 与 y 正相关,x 与 z 负相关 B.x 与 y 正相关,x 与 z 正相关 C.x 与 y 负相关,x 与 z 负相关 D.x 与 y 负相关,x 与 z 正相关 答案 C 解析 因为y ^ =-0.1x+1,-0.1<0,所以 x 与 y 负相关.又 y 与 z 正相关,故可设z ^ =b ^ y +a ^ (b ^ >0),所以z ^ =-0.1b ^ x+b ^ +a ^ ,-0.1b ^ <0,所以 x 与 z 负相关.故选 C. 2.(教材改编)下面是 2×2 列联表:则表中 a,b 的值分别为( ) y1 y2 合计 x1 a 21 73 x2 22 25 47 合计 b 46 120 A.94,72 B.52,50 C.52,74 D.74,52 答案 C 解析 ∵a+21=73,∴a=52.又 a+22=b,∴b=74. 3.(2016·河南八市质检)为了研究某大型超市当天销售额与开业天数的关系,随机抽取了 5 天,其当天销售额与开业天数的数据如下表所示: 开业天数 x 10 20 30 40 50 当天销售额 y/万元 62 75 81 89 根据上表提供的数据,求得 y 关于 x 的线性回归方程为y ^ =0.67x+54.9,由于表中有一个数据 模糊看不清,请你推断出该数据的值为( ) A.67 B.68 C.68.3 D.71 答案 B 解析 设表中模糊看不清的数据为 m,因为 x =10+20+30+40+50 5 =30, 又样本中心点( x , y )在回归直线y ^ =0.67x+54.9 上, 所以 y =m+307 5 =0.67×30+54.9,得 m=68,故选 B. 4.(2017·湖南三校联考)某产品在某零售摊位的零售价 x(单位:元)与每天的销售量 y(单位: 个)的统计资料如下表所示: x 16 17 18 19 y 50 34 41 31 由上表可得线性回归方程y ^ =b ^ x+a ^ 中的b ^ =-4,据此模型预测零售价为 15 元时,每天的销售 量为( ) A.51 个 B.50 个 C.49 个 D.48 个 答案 C 解析 由题意知 x =17.5, y =39,代入线性回归方程得 a ^ =109,109-15×4=49,故选 C. 5.(2016·玉溪一中月考)利用独立性检验来判断两个分类变量 X 和 Y 是否有关系,通过查阅 下表来确定“X 和 Y 有关系”的可信度.为了调查用电脑时间与视力下降是否有关系,现从 某地网民中抽取 100 位居民进行调查.经过计算得 K2≈3.855,那么就有________%的把握认 为用电脑时间与视力下降有关系. P(K2≥k0) 0.05 0.025 0.010 0.005 0.001 k0 3.841 5.024 6.635 7.879 10.828 答案 95 解析 根据表格发现 3.855>3.841,3.841 对应的是 0.05,所以根据独立性检验原理可知有 95% 的把握认为用电脑时间与视力下降有关系. 题型一 相关关系的判断 例 1 (1)四名同学根据各自的样本数据研究变量 x,y 之间的相关关系,并求得线性回归方程, 分别得到以下四个结论: ①y 与 x 负相关且y ^ =2.347x-6.423; ②y 与 x 负相关且y ^ =-3.476x+5.648; ③y 与 x 正相关且y ^ =5.437x+8.493; ④y 与 x 正相关且y ^ =-4.326x-4.578. 其中一定不正确的结论的序号是( ) A.①② B.②③ C.③④ D.①④ (2)x 和 y 的散点图如图所示,则下列说法中所有正确命题的序号为________. ①x,y 是负相关关系; ②在该相关关系中,若用 y=c1 拟合时的相关系数的平方为 r21,用y ^ =b ^ x+a ^ 拟合时的相关 系数的平方为 r22,则 r21>r22; ③x、y 之间不能建立线性回归方程. 答案 (1)D (2)①② 解析 (1)由线性回归方程y ^ =b ^ x+a ^ 知当b ^ >0 时,y 与 x 正相关,当b ^ <0 时,y 与 x 负相关,∴①④ 一定错误. (2)①显然正确;由散点图知,用 y=c1 拟合的效果比用y ^ =b ^ x+a ^ 拟合的效果要好,故 ②正确;x,y 之间能建立线性回归方程,只不过预报精度不高,故③不正确. 思维升华 判定两个变量正、负相关性的方法 (1)画散点图:点的分布从左下角到右上角,两个变量正相关;点的分布从左上角到右下角, 两个变量负相关. (2)相关系数:r>0 时,正相关;r<0 时,负相关. (3)线性回归方程中:b ^ >0 时,正相关;b ^ <0 时,负相关. (1)在一组样本数据(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)(n≥2,x1,x2,…,xn 不全相 等)的散点图中,若所有样本点(xi,yi)(i=1,2,…,n)都在直线 y=1 2x+1 上,则这组样本数据 的样本相关系数为( ) A.-1 B.0 C.1 2 D.1 (2)变量 X 与 Y 相对应的一组数据为(10,1),(11.3,2),(11.8,3),(12.5,4),(13,5);变量 U 与 V 相对应的一组数据为(10,5),(11.3,4),(11.8,3),(12.5,2),(13,1).r1 表示变量 Y 与 X 之间的线 性相关系数,r2 表示变量 V 与 U 之间的线性相关系数,则( ) A.r2<r1<0 B.0<r2<r1 C.r2<0<r1 D.r2=r1 答案 (1)D (2)C 解析 (1)所有点均在直线上,则样本相关系数最大,即为 1,故选 D. (2)对于变量 Y 与 X 而言,Y 随 X 的增大而增大,故 Y 与 X 正相关,即 r1>0;对于变量 V 与 U 而言,V 随 U 的增大而减小,故 V 与 U 负相关,即 r2<0,故选 C. 题型二 线性回归分析 2ec x 2ec x 例 2 (2016·全国丙卷)下图是我国 2008 年至 2014 年生活垃圾无害化处理量(单位:亿吨)的折 线图. 注:年份代码 17 分别对应年份 2008-2014. (1)由折线图看出,可用线性回归模型拟合 y 与 t 的关系,请用相关系数加以说明; (2)建立 y 关于 t 的回归方程(系数精确到 0.01),预测 2016 年我国生活垃圾无害化处理量. 附注: 参考数据:错误!i=9.32,错误!iyi=40.17,错误!=0.55, 7≈2.646. 参考公式:相关系数 r=错误!, 回归方程y ^ =a ^ +b ^ t 中斜率和截距的最小二乘估计公式分别为: b ^ =错误!,a ^ = y -b ^ t . 解 (1)由折线图中数据和附注中参考数据得 t =4,错误!(ti- t )2=28, 错误!=0.55. 错误!(ti- t )(yi- y )=错误!iyi- t 错误!i=40.17-4×9.32=2.89, 所以 r≈ 2.89 0.55×2×2.646 ≈0.99. 因为 y 与 t 的相关系数近似为 0.99,说明 y 与 t 的线性相关程度相当高,从而可以用线性回归 模型拟合 y 与 t 的关系. (2)由 y =9.32 7 ≈1.331 及(1)得b ^ =错误!=2.89 28 ≈0.103, a ^ = y -b ^ t ≈1.331-0.103×4≈0.92. 所以 y 关于 t 的回归方程为y ^ =0.92+0.10t. 将 2016 年对应的 t=9 代入回归方程得y ^ =0.92+0.10×9=1.82. 所以预测 2016 年我国生活垃圾无害化处理量将约为 1.82 亿吨. 思维升华 线性回归分析问题的类型及解题方法 (1)求线性回归方程 ①利用公式,求出回归系数b ^ ,a ^ .②待定系数法:利用回归直线过样本点的中心求系数. (2)利用回归方程进行预测,把线性回归方程看作一次函数,求函数值. (3)利用回归直线判断正、负相关;决定正相关还是负相关的是系数b ^ . (4)回归方程的拟合效果,可以利用相关系数判断,当|r|越趋近于 1 时,两变量的线性相关性 越强. (2015·课标全国Ⅰ)某公司为确定下一年度投入某种产品的宣传费,需了解年宣 传费 x(单位:千元)对年销售量 y(单位:t)和年利润 z(单位:千元)的影响,对近 8 年的年宣传 费 xi 和年销售量 yi(i=1,2,…,8)数据作了初步处理,得到下面的散点图及一些统计量的值. x y w 错误!(xi- x )2 错误!(wi- w )2 错误!(xi- x )·(yi- y ) 错误!(wi- w )·(yi- y ) 46.6 563 6.8 289.8 1.6 1 469 108.8 表中 wi= xi, w =1 8 错误!i. (1)根据散点图判断,y=a+bx 与 y=c+d x哪一个适宜作为年销售量 y 关于年宣传费 x 的回 归方程类型?(给出判断即可,不必说明理由) (2)根据(1)的判断结果及表中数据,建立 y 关于 x 的回归方程; (3)已知这种产品的年利润 z 与 x,y 的关系为 z=0.2y-x.根据(2)的结果回答下列问题: ①年宣传费 x=49 时,年销售量及年利润的预报值是多少? ②年宣传费 x 为何值时,年利润的预报值最大? 附:对于一组数据(u1,v1),(u2,v2),…,(un,vn),其回归直线v ^ =α ^ +β ^ u 的斜率和截距的最 小二乘估计分别为 β ^ =错误!,α ^ = v -β ^ u . 解 (1)由散点图可以判断,y=c+d x适宜作为年销售量 y 关于年宣传费 x 的回归方程类型. (2)令 w= x,先建立 y 关于 w 的线性回归方程,由于 d ^ =错误!=108.8 1.6 =68, c ^ = y -d ^ w =563-68×6.8=100.6, 所以y关于w的线性回归方程为y ^ =100.6+68w,因此y关于x的回归方程为y ^ =100.6+68 x. (3)①由(2)知,当 x=49 时, 年销售量 y 的预报值y ^ =100.6+68 49=576.6, 年利润 z 的预报值z ^ =576.6×0.2-49=66.32. ②根据(2)的结果知,年利润 z 的预报值 z ^ =0.2(100.6+68 x)-x=-x+13.6 x+20.12. 所以当 x=13.6 2 =6.8,即 x=46.24 时,z ^ 取得最大值. 故年宣传费为 46.24 千元时,年利润的预报值最大. 题型三 独立性检验 例 3 (2016·福建厦门三中模拟)某大型企业人力资源部为了研究企业员工工作积极性和对待 企业改革的关系,随机抽取了 100 名员工进行调查,其中支持企业改革的调查者中,工作积 极的有 46 人,工作一般的有 35 人,而不太赞成企业改革的调查者中,工作积极的有 4 人, 工作一般的有 15 人. (1)根据以上数据建立一个 2×2 列联表; (2)对于人力资源部的研究项目,根据以上数据是否可以认为企业的全体员工对待企业改革的 态度与其工作积极性有关系? 参考公式:K2= nad-bc2 a+bc+da+cb+d(其中 n=a+b+c+d) P(K2≥k0) 0.50 0.40 0.25 0.15 0.10 0.05 0.025 0.010 0.005 0.001 k0 0.455 0.708 1.323 2.072 2.706 3.841 5.024 6.635 7.879 10.82 8 解 (1)根据题设条件,得 2×2 列联表如下: 支持企业改革 不太赞成企业改革 总计 工作积极 46 4 50 工作一般 35 15 50 总计 81 19 100 (2)提出假设:企业的全体员工对待企业改革的态度与其工作积极性无关. 根据(1)中的数据,可以求得 K2=100×15×46-35×42 50×50×19×81 ≈7.862>6.635,所以有 99%的把握认为抽样员工对待企业改革的 态度与工作积极性有关,从而认为企业的全体员工对待企业改革的态度与其工作积极性有关. 思维升华 (1)比较几个分类变量有关联的可能性大小的方法 ①通过计算 K2 的大小判断:K2 越大,两变量有关联的可能性越大. ②通过计算|ad-bc|的大小判断:|ad-bc|越大,两变量有关联的可能性越大. (2)独立性检验的一般步骤 ①根据样本数据制成 2×2 列联表. ②根据公式 K2= nad-bc2 a+ba+cb+dc+d 计算 K2 的观测值 k. ③比较 k 与临界值的大小关系,作统计推断. (2017·衡阳联考)2016 年 9 月 20 日是第 28 个全国爱牙日,为了迎接此节日,某 地区卫生部门成立了调查小组,调查“常吃零食与患龋齿的关系”,对该地区小学六年级 800 名学生进行检查,按患龋齿和不患龋齿分类,并汇总数据:不常吃零食且不患龋齿的学生有 60 名,常吃零食但不患龋齿的学生有 100 名,不常吃零食但患龋齿的学生有 140 名. (1)能否在犯错误的概率不超过 0.001 的前提下,认为该地区学生常吃零食与患龋齿有关系? (2)4 名卫生部门的工作人员随机分成两组,每组 2 人,一组负责数据收集,另一组负责数据 处理,求工作人员甲分到收集数据组,工作人员乙分到处理数据组的概率. 附:K2= nad-bc2 a+bc+da+cb+d P(K2≥k0) 0.010 0.005 0.001 k0 6.635 7.879 10.828 解 (1)由题意可得 2×2 列联表如下: 不常吃零食 常吃零食 总计 不患龋齿 60 100 160 患龋齿 140 500 640 总计 200 600 800 根据 2×2 列联表中数据,得 K2 的观测值为 k=800×60×500-100×1402 160×640×200×600 ≈16.667>10.828. ∴能在犯错误的概率不超过 0.001 的前提下,认为该地区学生常吃零食与患龋齿有关系. (2)设其他工作人员为丙和丁,4 人分组的所有情况如下表. 小组 1 2 3 4 5 6 收集数据 甲乙 甲丙 甲丁 乙丙 乙丁 丙丁 处理数据 丙丁 乙丁 乙丙 甲丁 甲丙 甲乙 由表可知,分组的情况共有 6 种,工作人员甲负责收集数据且工作人员乙负责处理数据的有 2 种,故工作人员甲分到收集数据组,工作人员乙分到处理数据组的概率为 P=2 6 =1 3. 24.求线性回归方程的方法技巧 典例 (12 分)某地最近十年粮食需求量逐年上升,下表是部分统计数据: 年份 2006 2008 2010 2012 2014 需求量/万吨 236 246 257 276 286 (1)利用所给数据求年需求量与年份之间的线性回归方程y ^ =b ^ x+a ^ ; (2)利用(1)中所求出的线性回归方程预测该地 2016 年的粮食需求量. 思想方法指导 回归分析是处理变量相关关系的一种数学方法.主要解决:(1)确定特定量之 间是否有相关关系,如果有就找出它们之间贴近的数学表达式;(2)根据一组观测值,预测变 量的取值及判断变量取值的变化趋势;(3)求出线性回归方程. 规范解答 解 (1)由所给数据看出,年需求量与年份之间近似直线上升,下面来求线性回归方程,先将 数据处理如下表. 年份-2010 -4 -2 0 2 4 需求-257 -21 -11 0 19 29 对处理的数据,容易算得 x =0, y =3.2,[4 分] b ^ =-4×-21+-2×-11+2×19+4×29-5×0×3.2 -42+-22+22+42-5×02 =260 40 =6.5, a ^ = y -b ^ x =3.2.[6 分] 由上述计算结果,知所求线性回归方程为 y ^ -257=6.5(x-2010)+3.2, 即y ^ =6.5(x-2010)+260.2.[8 分] (2)利用所求得的线性回归方程,可预测 2016 年的粮食需求量大约为 6.5×(2016-2010)+ 260.2=6.5×6+260.2=299.2(万吨).[12 分] 1.(2016·衡水质检)具有线性相关关系的变量 x,y 满足一组数据如下表所示.若 y 与 x 的线 性回归方程为y ^ =3x-3 2 ,则 m 的值是( ) x 0 1 2 3 y -1 1 m 8 A.4 B.9 2 C.5 D.6 答案 A 解析 由已知得 x =3 2 , y =m 4 +2, 又因为点( x , y )在直线y ^ =3x-3 2 上, 所以m 4 +2=3×3 2 -3 2 ,得 m=4. 2.(2017·武汉质检)根据如下样本数据 x 3 4 5 6 7 8 y 4.0 2.5 -0.5 0.5 -2.0 -3.0 得到的回归方程为y ^ =b ^ x+a ^ ,则( ) A.a ^ >0,b ^ >0 B.a ^ >0,b ^ <0 C.a ^ <0,b ^ >0 D.a ^ <0,b ^ <0 答案 B 解析 作出散点图如下: 观察图象可知,回归直线y ^ =b ^ x+a ^ 的斜率b ^ <0, 当 x=0 时,y ^ =a ^ >0.故a ^ >0,b ^ <0. 3.(2017·泰安月考)为了普及环保知识,增强环保意识,某大学从理工类专业的 A 班和文史 类专业的 B 班各抽取 20 名同学参加环保知识测试.统计得到成绩与专业的列联表: 优秀 非优秀 总计 A 班 14 6 20 B 班 7 13 20 总计 21 19 40 附:参考公式及数据: (1)统计量:K2= nad-bc2 a+bc+da+cb+d(n=a+b+c+d). (2)独立性检验的临界值表: P(K2≥k0) 0.050 0.010 k0 3.841 6.635 则下列说法正确的是( ) A.有 99%的把握认为环保知识测试成绩与专业有关 B.有 99%的把握认为环保知识测试成绩与专业无关 C.有 95%的把握认为环保知识测试成绩与专业有关 D.有 95%的把握认为环保知识测试成绩与专业无关 答案 C 解析 因为 K2=40×14×13-7×62 20×20×21×19 ≈4.912, 3.841查看更多