Mathematik lernen · Klasse 10 bis Studium

Lineare Regression

Eine Gerade soll möglichst gut durch eine Punktwolke passen. Du lernst, wie die Methode der kleinsten Quadrate sie findet, wie du Steigung und Achsenabschnitt ausrechnest, was r und R² aussagen und wo Prognosen gefährlich werden.

Du hast Messwerte zu zwei Größen, zum Beispiel die Höhe einer Pflanze in jeder Woche. Trägst du die Wertepaare in ein Koordinatensystem ein, entsteht eine Punktwolke. Die lineare Regression legt eine Gerade so durch diese Punktwolke, dass sie den Zusammenhang möglichst gut beschreibt. Diese Gerade heißt Regressionsgerade oder Ausgleichsgerade.

Mit der Geraden kannst du Werte vorhersagen, die du nicht gemessen hast. Wie verlässlich das ist, sagen dir zwei Kennzahlen: der Korrelationskoeffizient r und das Bestimmtheitsmaß R². Grundbegriffe wie den Mittelwert findest du auf der Seite Statistik, die Gerade selbst kennst du von den linearen Funktionen.

Von der Punktwolke zur Geraden

Eine Pflanze wird fünf Wochen lang jede Woche gemessen. Die Tabelle zeigt die Wochen x und die Höhe y in Zentimetern:

Messwerte der Pflanze
Woche x12345
Höhe y in cm2,13,96,27,810,1

Die Punkte liegen nicht genau auf einer Geraden, denn jede Messung hat kleine Fehler. Trotzdem ist die Richtung klar: Je mehr Wochen vergehen, desto höher wird die Pflanze. Du suchst eine Gerade y^=ax+b. Dabei ist y^ (gesprochen: „y Dach“) der Wert, den die Gerade bei x vorhersagt, a ist die Steigung und b der Achsenabschnitt.

Welche Gerade ist die beste? Nach Augenmaß würde jeder eine etwas andere zeichnen. Du brauchst ein Kriterium, das eindeutig ist. Dafür misst du, wie weit die Gerade an jedem Punkt danebenliegt.

Der Unterschied zwischen dem gemessenen Wert yi und dem Wert y^i der Geraden heißt Residuum (von lateinisch residuum, „Rest“):

ei=yi−y^i

Ein Residuum misst den Abstand in y-Richtung, also senkrecht. Liegt der Punkt über der Geraden, ist ei positiv, liegt er darunter, ist ei negativ.

Die Methode der kleinsten Quadrate

Zählst du alle Residuen einfach zusammen, heben sich positive und negative auf. Deshalb quadrierst du sie zuerst. Die Summe der Abweichungsquadrate ist

Q=∑i=1nei2=∑i=1n(yi−(axi+b))2

Die beste Gerade ist die, bei der Q am kleinsten ist. Das ist die Methode der kleinsten Quadrate. Das Quadrieren hat zwei Vorteile: Es gibt keine Vorzeichen mehr, und große Abweichungen zählen stärker. Außerdem führt es auf eine feste Formel.

1 2 3 4 1 2 3 4 5 1 2 3 4 1 2 3 4 5 Gerade durch zwei Punkte Quadrat: 1,5² = 2,25 Ausgleichsgerade 0,5² + 1² + 0,5² = 1,5 y = 0,5x + 2,5 y = 0,5x + 3
Die Idee der kleinsten Quadrate: Über jeder Abweichung (türkis) steht ein Quadrat. Die Ausgleichsgerade (rechts) macht die Summe dieser Flächen so klein wie möglich. Die Gerade durch zwei Punkte (links) ist schlechter.

Das Bild zeigt die Idee an drei Punkten, (1|3), (2|5) und (3|4). Die Gerade durch den ersten und den letzten Punkt trifft zwei Punkte genau. Der mittlere Punkt liegt aber um 1,5 darüber, das Quadrat dazu hat den Flächeninhalt 1,52=2,25. Die Ausgleichsgerade y=0,5x+3 trifft keinen Punkt genau. Ihre Residuen sind −0,5, 1 und −0,5, und die drei Quadrate haben zusammen den Flächeninhalt 0,25+1+0,25=1,5. Das ist weniger, und keine andere Gerade schafft das.

Ist dir der Mittelwert geläufig, kannst du diese Formeln direkt benutzen. Sxx ist auch die Grundlage der Varianz, die du unter Varianz und Standardabweichung kennenlernst. Oft findest du die gleiche Steigung in der Form a=∑xiyi−nx¯y¯∑xi2−nx¯2. Beide Formeln liefern dasselbe Ergebnis.

Schritt für Schritt rechnen

So gehst du bei der Pflanze vor:

  1. Mittelwerte bestimmen: x¯=1+2+3+4+55=3 und y¯=2,1+3,9+6,2+7,8+10,15=30,15=6,02.
  2. Eine Tabelle mit den Abweichungen xi−x¯ und yi−y¯ anlegen und die Produkte bilden.
  3. Die Spalten aufsummieren, das ergibt Sxx und Sxy.
  4. Mit den Formeln a und b berechnen.
Rechentabelle (die letzte Spalte brauchst du erst für den Korrelationskoeffizienten)
xiyixi−x¯yi−y¯(xi−x¯)2(xi−x¯)(yi−y¯)(yi−y¯)2
12,1−2−3,9247,8415,3664
23,9−1−2,1212,124,4944
36,200,18000,0324
47,811,7811,783,1684
510,124,0848,1616,6464
Summe30,1001019,939,708

Als Probe kannst du die Formel mit den Summen prüfen: Es ist ∑xiyi=110,2, nx¯y¯=5·3·6,02=90,3 und ∑xi2=55, nx¯2=45. Dann ist a=110,2−90,355−45=19,910=1,99. Das stimmt.

1 2 3 4 5 6 7 2 4 6 8 10 12 14 S(3 | 6,02) Prognose 11,99 cm y = 1,99x + 0,05 gestrichelt: Extrapolation Woche Höhe in cm
Die Regressionsgerade der Pflanze. Die kleinen türkisen Striche sind die Residuen (nur 0,06 bis 0,21 cm). Die Gerade geht durch den Schwerpunkt S. Gestrichelt: Prognose über den Messbereich hinaus.

Die Gerade geht durch den Schwerpunkt

Aus b=y¯−ax¯ folgt y¯=ax¯+b. Das bedeutet: Der Punkt (x¯|y¯) liegt auf der Regressionsgeraden. Er ist der Schwerpunkt der Punktwolke, der Mittelwert aller Punkte. Bei der Pflanze ist S(3|6,02), und tatsächlich gilt 1,99·3+0,05=6,02.

Daraus ergibt sich ein einfacher Weg zum Zeichnen: Du markierst den Schwerpunkt und gehst mit der Steigung a nach links und rechts.

Noch eine zweite Kontrolle gibt es. Die Residuen einer Regressionsgeraden ergeben zusammen immer null. Bei der Pflanze sind sie 0,06, −0,13, 0,18, −0,21 und 0,10, und es ist 0,06−0,13+0,18−0,21+0,10=0. Die Summe der Quadrate ist Q=0,0036+0,0169+0,0324+0,0441+0,01=0,107. Weicht deine Summe der Residuen davon ab, hast du dich verrechnet.

Prognose, Interpolation und Extrapolation

Mit der Geraden kannst du für jedes x einen Wert vorhersagen. Liegt das x zwischen den gemessenen Werten, nennt man das Interpolation. Liegt es außerhalb, heißt es Extrapolation.

Der Korrelationskoeffizient r

Die Gerade gibt es immer, auch wenn die Punkte wild streuen. Wie gut sie passt, misst der Korrelationskoeffizient r:

r = 0,95 stark positiv r = 0,00 kein Zusammenhang r = −0,88 stark negativ
Drei Punktwolken mit ihren Regressionsgeraden und dem Korrelationskoeffizienten r. Je enger die Punkte an der Geraden liegen, desto näher ist |r| an 1.

So liest du r:

  • r nahe 1: Die Punkte liegen eng um eine steigende Gerade. Große x-Werte gehören zu großen y-Werten.
  • r nahe −1: Die Punkte liegen eng um eine fallende Gerade.
  • r nahe 0: Es gibt keinen linearen Zusammenhang.
  • r=1 oder r=−1: Alle Punkte liegen genau auf einer Geraden.

Als grobe Faustregel gilt: Ab |r|>0,7 spricht man oft von einem starken Zusammenhang, unter 0,3 von einem schwachen. Feste Grenzen gibt es nicht.

Wichtig ist das Wort linear. Die Punkte (−2|4), (−1|1), (0|0), (1|1) und (2|4) liegen genau auf der Parabel y=x2. Trotzdem ist r=0, denn die Regressionsgerade ist waagerecht: a=0 und b=2. Ein Wert nahe null schließt also einen gekrümmten Zusammenhang nicht aus. Und selbst ein Wert nahe 1 beweist keine Ursache. Warum, steht unter Korrelation ist nicht Kausalität.

Das Bestimmtheitsmaß R²

Das Bestimmtheitsmaß R2 sagt, welcher Anteil der Streuung der y-Werte durch die Gerade erklärt wird. Bei der einfachen linearen Regression ist es das Quadrat des Korrelationskoeffizienten:

R2=r2=1−QSyy

Dabei ist Syy die gesamte Streuung der y-Werte um ihren Mittelwert und Q der Rest, den die Gerade nicht erklärt (die Summe der Abweichungsquadrate von oben).

R2 liegt immer zwischen 0 und 1. Bei 1 liegen alle Punkte auf der Geraden, bei 0 hilft die Gerade nicht besser als der Mittelwert y¯. „Erklärt“ meint hier nur statistisch: Es heißt nicht, dass x die Ursache von y ist.

Residuen ansehen

Ein hohes R2 allein garantiert nicht, dass eine Gerade das richtige Modell ist. Deshalb schaust du dir die Residuen an. Dazu zeichnest du sie gegen x auf, in einem Residuenplot.

Als Beispiel dient eine Zellkultur, die stündlich gezählt wird (Beispieldaten). Die Zellzahl y in Tausend nach x Stunden war 100, 152, 224, 340 und 505. Die Regressionsgerade ist y^=99,8x+64,6 mit R2≈0,95. Das sieht gut aus. Der Residuenplot zeigt aber etwas anderes.

1 2 3 4 100 200 300 400 500 Daten und Gerade R² = 0,95 −40 40 1 2 3 4 Residuen ein Bogen, kein Zufall x x
Links: Die Punkte wachsen schneller als linear. Rechts: Die Residuen der Geraden bilden einen Bogen. Ein solches Muster zeigt, dass eine Gerade nicht das richtige Modell ist, obwohl R² = 0,95 hoch aussieht.

Die Residuen sind 35,4, −12,4, −40,2, −24,0 und 41,2. Sie bilden einen Bogen: erst positiv, dann negativ, dann wieder positiv. Ein solches Muster ist ein Warnzeichen.

  • Zufällige Streuung um die Nulllinie, ohne erkennbares Muster: Die Gerade passt.
  • Bogen oder U-Form: Der Zusammenhang ist gekrümmt, eine Gerade ist nicht das richtige Modell.

Nichtlineare Zusammenhänge: Logarithmieren

Die Zellkultur wächst nicht linear, sondern exponentiell, jede Stunde um etwa denselben Faktor (die Verhältnisse 152 : 100, 224 : 152, 340 : 224 und 505 : 340 liegen alle um 1,5). Ein solches Wachstum hat die Form y=c·qx, wie du es von der Exponentialfunktion kennst.

Mit einem Trick kannst du trotzdem die lineare Regression benutzen. Wenn du den Logarithmus bildest, wird aus dem Produkt eine Summe:

lny=lnc+x·lnq

Das ist eine Gerade in x, mit dem Achsenabschnitt lnc und der Steigung lnq. Du rechnest also die Regression mit den Werten lny statt y.

Dasselbe Prinzip gilt für Potenzfunktionen y=c·xk: Hier logarithmierst du beide Größen, denn lny=lnc+k·lnx ist eine Gerade in lnx. Mehr zu diesen Funktionen steht unter Potenzfunktionen.

Typische Fehler

Übungen

Mehr Aufgaben findest du unter Lineare Regression: Aufgaben. Zum Nachrechnen helfen der Regressionsrechner und der Statistik-Rechner.

Geschichte: von Legendre über Gauß zu Galton

Das Problem entstand in der Astronomie und der Landvermessung: Aus vielen ungenauen Messungen sollte die beste Lösung gefunden werden. Adrien-Marie Legendre veröffentlichte 1805 erstmals die Methode der kleinsten Quadrate (Legendre). Vier Jahre später schrieb Carl Friedrich Gauß in seiner Theoria motus von 1809, er benutze sie schon seit 1795. Gauß begründete sie außerdem mit der Normalverteilung der Messfehler. Berühmt wurde er durch die Bahnberechnung der Ceres im Jahr 1801 (Gauß und die Ceres). Wer die Methode zuerst hatte, wurde zum Prioritätsstreit.

Den Namen Regression verdankt die Methode Francis Galton. Er verglich in den 1880er-Jahren die Körpergrößen von Eltern und ihren erwachsenen Kindern (Veröffentlichung 1886). Kinder sehr großer Eltern waren im Mittel größer als der Durchschnitt, aber kleiner als ihre Eltern. Bei sehr kleinen Eltern war es umgekehrt. Galton sprach von „regression towards mediocrity“, dem Zurückgehen zur Mitte. Der Name blieb, auch wenn die Regression heute viel mehr beschreibt, nämlich jede Anpassung einer Kurve an Daten. Karl Pearson, ein Mitarbeiter Galtons, entwickelte die Korrelationsrechnung weiter. Deshalb heißt der Korrelationskoeffizient auch Bravais-Pearson-Korrelationskoeffizient, nach ihm und nach Auguste Bravais, der schon vorher ähnliche Formeln aufgestellt hatte.

Häufige Fragen

Was ist der Unterschied zwischen Korrelation und Regression?

Die Korrelation misst mit r, wie stark ein linearer Zusammenhang ist. Sie behandelt x und y gleich. Die Regression liefert die Geradengleichung, mit der du aus x ein y vorhersagst. Dort sind die beiden Größen nicht austauschbar.

Warum werden die Abstände quadriert und nicht einfach der Betrag genommen?

Das Quadrieren macht die Rechnung glatt und führt auf eine feste Formel für a und b. Außerdem zählen große Abweichungen stärker. Mit Beträgen geht es auch, aber dann gibt es keine einfache Formel mehr.

Kann ich die Gleichung nach x umstellen, um x zu bestimmen?

Rechnerisch ja, aber nur ungefähr. Genau genommen gehört zu der Frage „Welches x passt zu diesem y?“ die Regression von x auf y. Bei einem |r| nahe 1 liegen beide Geraden dicht beieinander. Bei kleinem |r| weichen sie stark ab.

Wie viele Punkte brauche ich?

Zwei Punkte mit verschiedenen x-Werten legen eine Gerade fest, dann ist R2 immer 1 und sagt nichts aus. Für eine sinnvolle Aussage brauchst du deutlich mehr Punkte, am besten zehn oder mehr.

Wie rechne ich das in einer Tabellenkalkulation?

In Excel und LibreOffice Calc gibt es dafür die Funktionen STEIGUNG, ACHSENABSCHNITT, KORREL und BESTIMMTHEITSMASS. Du gibst jeweils zuerst die y-Werte und dann die x-Werte an.

Quellen und weiterführende Literatur