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变量间的相关关系1.通过收集现实问题中两个有关联变量的数据认识变量间的相关关系. 2.明确事物间的相互联系.认识现实生活中变量间除了存在确定的关系外,仍存在大量的非确定性的相关关系,并利用散点图直观体会这种相关关系. 3.经历用不同估算方法描述两个变量线性相关的过程.知道最小二乘法的思想,能根据给出

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2.3.1 变量之间的相关关系优秀教案设计

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2.3.1 变量之间的相关关系优秀教案设计

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关键词:2.3.1 变量之间的相…优秀教案设计

正文

变量间的相关关系

1.通过收集现实问题中两个有关联变量的数据认识变量间的相关关系. 2.明确事物间的相互联系.认识现实生活中变量间除了存在确定的关系外,仍存在大量的非确定性的相关关系,并利用散点图直观体会这种相关关系. 3.经历用不同估算方法描述两个变量线性相关的过程.知道最小二乘法的思想,能根据给出的线性回归方程的系数公式建立线性回归方程.

1.相关关系

(1)定义:如果两个变量中一个变量的取值一定时,另一个变量的取值带有一定的________性,那么这两个变量之间的关系,叫做相关关系.

(2)两类特殊的相关关系:如果散点图中点的分布是从________角到________角的区域,那么这两个变量的相关关系称为正相关,如果散点图中点的分布是从________角到________角的区域,那么这两个变量的相关关系称为负相关.

随机 左下 右上 左上 右下

两个变量间的关系分为三类:一类是确定性的函数关系,如正方形的边长与面积的关系;另一类是变量间确实存在关系,但又不具备函数关系所要求的确定性,它们的关系是带有随机性的,这种关系就是相关关系,例如,某位同学的“物理成绩”与“数学成绩”之间的关系,我们称它们为相关关系;再一类是不相关,即两个变量间没有任何关系.

2.线性相关

(1)定义:如果两个变量散点图中点的分布从整体上看大致在一条________附近,我们就称这两个变量之间具有线性相关关系,这条直线叫做_________.

^^^(2)最小二乘法:求线性回归直线方程y=bx+a时,使得样本数据的点到它的________________最小的方法叫做最小二乘法,其中a,b的值由以下公式给出:

直线 回归直线 距离的平方和

^其中,b是回归方程的________,a是回归方程在y轴上的________.

^ˆ 斜率 截距

y-bx1

线性回归分析涉及大量的计算,形成操作上的一个难点,可以利用计算机非常方便地作散点图、回归直线,并能求出回归直线方程.因此在学习过程中,要重视信息技术的应用.

类型一

变量之间的相关关系的判断

例1:(1)下列变量之间的关系不是相关关系的是(

) A.二次函数y=ax2+bx+c中,a,c是已知常数,取b为自变量,因变量是判别式Δ=b2-4ac

B.光照时间和果树亩产量

C.降雪量和交通事故发生率

D.每亩田施肥量和粮食亩产量

(2)现随机抽取某校10名学生在入学考试中的数学成绩x与入学后的第一次数学成绩y,数据如下:

学号

x

y

1 120 84 2 108 64 3 117 84 4 104 68 5 103 69 6 110 68 7 104 69 8 105 46 9 99 57 10 108 71 请利用散点图判断这10名学生的两次数学考试成绩是否具有相关关系.

[解析]

(1)在A中,若b确定,则a,b,c都是常数,Δ=b2-4ac也就唯一确这了,因此,这两者之间是确定性的函数关系;一般来说,光照时间越长,果树亩产量越高;降雪量越大,交通事故发生率越高;施肥量越多,粮食亩产量越高,所以B,C,D是相关关系.故选A. (2)两次数学考试成绩散点图如图所示,

由散点图可以看出两个变量的对应点集中在一条直线的周围,具有正相关关系.因此,这10名学生的两次数学考试成绩具有相关关系.

练习1:对变量x,y有观测数据(xi,yi)(i=1,2,…,10),得散点图(1);对变量u,v有观测数据(ui,vi)(i=1,2,…,10),得散点图(2).由这两个散点图可以判断(

)

2

A.变量x与y正相关,u与v正相关

B.变量x与y正相关,u与v负相关

C.变量x与y负相关,u与v正相关

D.变量x与y负相关,u与v负相关

[答案]

C 类型二

回归直线方程

例2:随着人们经济收入的不断增长,个人购买家庭轿车已不再是一种时尚.车的使用费用,尤其是随着使用年限的增多,所支出的费用到底会增长多少,一直是购车一族非常关心的问题.某汽车销售公司作了一次抽样调查,并统计得出某款车的使用年限x与所支出的总费用y(万元)有如下的数据资料:

使用年限x

总费用y

2 2.2 3 3.8 4 5.5 5 6.5 6 7.0 若由资料,知y对x呈线性相关关系.试求:

^^^^^(1)线性回归方程y=bx+a的回归系数a、b;

(2)估计使用年限为10年时,车的使用总费用是多少?

[解析]

第一步,列表xi,yi,xiyi;

--n2n2n第二步,计算x,y,xi,yi,xiyi;

i=1i=1i=1第三步,代入公式计算b,a的值;

第四步,写出回归直线方程.

(1)利用公式:

b=

x--x^--a=y-b

x,n^i=1ni=1^i--

xi-xyi-y=2i=1--xiyi-n

x

yxi2-nx2i=1n-n

3

来计算回归系数.有时为了方便常列表,对应列出xiyi、x2i,以利于求和.(2)获得线性回归方程后,取x=10,即得所求.

[答案]

(1)列表:

i xi

yi

xiyi

1

2

2.2

4.4

2

3

3.8

11.4

3

4

5.5

22.0

4

5

6.5

32.5

5 6 7.0 42.0

x2i

4

9

16

25

36 55--2x=4,y=5,xi=90,xiyi=112.3 i=1i=1^于是b=112.3-5×4×512.3==1.23;

1090-5×42^--a=y-bx=5-1.23×4=0.08. ^^(2)线性回归直线方程是y=1.23x+0.08,当x=10(年)时,y=1.23×10+0.08=12.38(万元),即估计使用10年时,支出总费用是12.38万元.

练习1:已知回归直线的斜率的估计值是1.23,样本点中心(即(x,y))为(4,5),则回归直线的方程是(

) ^^A.y=1.23x+4 B.y=1.23x+5 [答案]

C 练习2:某公司的广告费支出x(单位:万元)与销售额y(单位:万元)之间有下列对应数据:

x

y

2 30 4 40 5 60 6 50 8 70 ^^C.y=1.23x+0.08 D.y=0.08x+1.23 资料显示y对x呈线性相关关系.

^^^^根据上表提供的数据得到回归方程y=bx+a中的b=6.5,预测销售额为115万元时约需________万元广告费.

[答案]

15 有人统计了同一个省的6个城市某一年的人均国民生产总值(即人均GDP)和这一年各城市患白血病的儿童年数量,如下表:

人均GDP/万元

患白血病的儿童数/人

10 351 8 312 6 207 4 175 3 132 1 180 (1)画出散点图,并判定这两个变量是否具有线性相关关系;

(2)通过计算可知这两个变量的回归直线方程为=23.25x+102.15,假如一个城市的人均GDP为12万元,那么可以断言,这个城市患白血病的儿童一定超过380人,请问这个断言是否正确?

[解析]

(1)根据表中数据画散点图,如图所示,从图可以看出,在6个点中,虽然第一个点离4

这条直线较远,但其余5个点大致分布在这条直线的附近,所以这两个变量具有线性相关关系.

^^(2)上述断言是错误的,将x=12代入y=23.25x+102.15得y=23.25×12+102.15=381.15>380,但381.15是对该城市人均GDP为12万元的情况下所作的一个估计,该城市患白血病的儿童可能超过380人,也可能低于380人.

练习1:某工厂为了对新研发的一种产品进行合理定价,将该产品按事先拟定的价格进行试销,得到如下数据:

单价x(元) 销量y(件) 8 90 8.2 84 8.4 83 8.6 80 8.8 75 9 68 ^^^^(1)求回归直线方程y=bx+a,其中b=-20. (2)预计在今后的销售中,销量与单价仍然服从(1)中的关系,且该产品的成本是4元/件,为使工厂获得最大利润,该产品的单价应定为多少元?(利润=销售收入-成本) 1[答案]

(1)由于x=(x1+x2+x3+x4+x5+x6)=8.5,

61y=(y1+y2+y3+y4+y5+y6)=80. 6^^所以a=y-bx=80+20×8.5=250,

^从而回归直线方程为y=-20x+250. (2)设工厂获得的利润为L元,依题意得

L=x(-20x+250)-4(-20x+250)=-20x2+330x-1000=-20(x-8.25)2+361.25. 当且仅当x=8.25时,L取得是大值,

故当单价定为8.25元时,工厂可获得最大利润.

1.下列两个变量之间的关系:

①角度和它的余弦值;

②正n边形的边数与内角和;

③家庭的支出与收入;

④某户家庭用电量与电价间的关系.

其中是相关关系的有(

) A.1个

B.2个

C.3个

D.4个

[答案] A 2.下列图形中两个变量具有相关关系的是(

)

5

[答案] C ^3.设一个回归方程为y=3+1.2x,则变量x增加一个单位时(

) A.y平均增加1.2个单位

B.y平均增加3个单位

C.y平均减少1.2个单位

D.y平均减少3个单位

[答案] A 4.现有5组数据A(1,3)、B(2,4)、C(4,5)、D(3,10)、E(10,12),去掉________组数据后,剩下的4组数据的线性相关性最大.

[答案] D 5.下表提供了某厂节能降耗技术改造后生产甲产品过程中记录的产量x(吨)与相应的生产能耗y(吨标准煤)的几组对照数据:

x y 3

2.5

4

3

5

4

6 4.5 (1)请画出上表数据的散点图;

^^^(2)请根据上表提供的数据,用最小二乘法求出y关于x的线性回归方程y=bx+a;

(3)已知该厂技改前100吨甲产品的生产能耗为90吨标准煤.试根据(2)求出的线性回归方程,预测生产100吨甲产品的生产能耗比技改前降低多少吨标准煤?

[解析] (1)散点图,如图所示.

(2)由题意,得xiyi=3×2.5+4×3+5×4+6×4.5=66.5,

i=1n3+4+5+62.5+3+4+4.5x==4.5,y==3.5,

442222x2i=3+4+5+6=86,

ni=166.5-4×4.5×3.566.5-63∴b===0.7,

86-4×4.5286-81^^a=y-bx=3.5-0.7×4.5=0.35,

^^故线性回归方程为y=0.7x+0.35. (3)根据回归方程的预测,现在生产100吨产品消耗的标准煤的数量为0.7×100+0.35=70.35,

6

故耗能减少了90-70.35=19.65(吨标准煤).

基础巩固

一、选择题

^1.由一组样本数据(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)得到的回归直线方程y=bx+a,那么下面说法不正确的是(

) ^--A.直线y=bx+a必经过点(x,y) ^B.直线y=bx+a至少经过点(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)中的一个点

--xiyi-n

x

y-2x2i-n

xnn^C.直线y=bx+a的斜率为i=1

i=1n^D.直线y=bx+a和各点(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)的偏差[yi-(bxi+a)]2是该坐标平面上i=1所有直线与这些点的偏差中最小的直线.

[答案]

B ^[解析]

由a=y-b

x知y=y-b

x+bx,∴必定过(x,y)点.

回归直线方程对应的直线是与样本数据距离最小的,但不一定过原始数据点,只须和这些点很接近即可.

2.下列说法正确的是(

) A.对于相关系数r来说,|r|≤1,|r|越接近0,相关程度越大;|r|越接近1,相关程度越小

B.对于相关系数r来说,|r|≥1,|r|越接近1,相关程度越大;|r|越大,相关程度越小

C.对于相关系数r来说,|r|≤1,|r|越接近1,相关程度越大;|r|越接近0,相关程度越小

D.对于相关系数r来说,|r|≥1,|r|越接近1,相关程度越小;|r|越大,相关程度越大

[答案]

C 3.两个变量成负相关关系时,散点图的特征是(

) A.点从左下角到右上角区域散布

B.点散布在某带形区域内

C.点散布在某圆形区域内

D.点从左上角到右下角区域散布

[答案]

D 4.已知变量x与y正相关,且由观测数据算得样本的平均数x=2.5,y=3.5,则由观测的数据得线性回归方程可能为(

) ^A.y=0.4x+2.3

^B.y=2x-2.4 7

^C.y=-2x+9.5

[答案]

A ^D.y=-0.3x+4.4 ^^^[解析]

∵y=bx+a,正相关则b>0,∴排除C,D.∵过中点心(x,y)=(3,3.5),∴选A. 5.某化工厂为预测某产品的回收率y,需要研究它的原料有效成分含量x之间的相关关素,现取了882对观测值,计算得:xi=52,yi=228,xi=478,xiyi=1849,则i=1i=1i=1i=1888y对x的回归直线的方程是(

) ^A.y=11.47+2.62x

^C.y=2.62+11.47x

[答案]

A ^B.y=-11.47+2.62x

^D.y=11.47-2.62x

1811318157^[解析]

由已知得x=xi=×52=,y=yi=×228=,所以b=8i=1828i=182i=1xiyi-8x

y=i=18xi2-8x2813571849-8××225713^^^≈2.62,a=y-bx≈-2.62×=11.47,所以y=2.62x+11.47. 1322478-8×226.为了考查两个变量x和y之间的线性关系,甲、乙两位同学各自独立做了10次和15次试验,并且利用线性回归方法,求得回归直线分别为l1、l2,已知两人所得的试验数据中,变量x和y的数据的平均值都相等,且分别是s和t,那么下列说法中正确的是(

) A.直线l1、l2一定有公共点(s,t) B.直线l1、l2相交,但交点不一定是(s,t) C.必有直线l1∥l2

D.l1、l2必定重合

[答案]

A ^^^[解析]

线性回归直线方程为y=bx+a,而a=y-bx,即a=t-bs,t=bs+a,所以(s,t)在回归直线上,直线l1、l2一定有公共点(s,t).

二、填空题

7.调查了某地若干户家庭的年收入x(单位:万元)和年饮食支出y(单位:万元),调查显示年收^入x与年饮食支出y具有线性相关关系,并由调查数据得到y对x的回归直线方程:y=0.254x+0.321.由回归直线方程可知,家庭年收入每增加1万元,年饮食支出平均增加________万元.

[答案]

0.254 8

^[解析]

由于y=0.254x+0.321知,当x增加1万元时,年饮食支出y增加0.254万元.

8.某单位为了解用电量y(度)与气温x(℃)之间的关系,随机抽查了某4天的用电量与当天气温,并制作了对照表:

气温(℃)

用电量(度)

18

24

13

34

10

38

-1 64 ^^^^由表中数据得线性回归方程y=bx+a中b=-2,预测当气温为-4℃时,用电量约为________度.

[答案]

68 18+13+10-124+34+38+64[解析]

x==10,y==40,因为回归方程一定过点(x,y),

44^^^所以y=bx+a,则a=y-bx=40+2×10=60. ^^^则y=-2x+60,当x=-4时,y=-2×(-4)+60=68. 三、解答题

9.某种产品的广告费支出x与销售额y之间有如下对应数据(单位:百万元) x y (1)画出散点图;

(2)从散点图中判断销售金额与广告费支出成什么样的关系?

[解析]

(1)以x对应的数据为横坐标,以y对应的数据为纵坐标,所作的散点图如下图所示:

2

30

4

40

5

60

6

50

8 70

(2)从图中可以发现广告费支出与销售金额之间具有相关关系,并且当广告费支出由小变大时,销售金额也大多由小变大,图中的数据大致分布在某条直线的附近,即x与y成正相关关系.

10.一台机器由于使用时间较长,生产的零件有一些缺损.按不同转速生产出来的零件有缺损的统计数据如下表所示:

转速x(转/秒)

每小时生产有缺损零件数y(个)

(1)作出散点图;

(2)如果y与x线性相关,求出回归直线方程;

(3)若实际生产中,允许每小时的产品中有缺损的零件最多为10个,那么,机器的运转速度应控制在什么范围内?

[解析]

先作出散点图,再根据散点图判断y与x呈线性相关,从而建立回归直线方程求解.

9

16

11

14

9

12

8

8 5

解:(1)作散点图如图所示.

^(2)由散点图可知y与x线性相关.故可设回归直线方程为y=bx+a. 依题意,用计算器可算得:

x=12.5,y42=8.25,xi=660,xiyi=438. i=1i=14438-4×12.5×8.25∴b=≈0.73,a=y-bx≈8.25-0.73×12.5=-0.875. 660-4×12.52^∴所求回归直线方程为y=0.73x-0.875. ^(3)令y=10,得0.73x-0.875=10,解得x≈15. 即机器的运转速度应控制在15转/秒内.

能力提升

一、选择题

^1.根据如下样本数据得到的回归方程为y=bx+a,则(

) x y A.a>0,b<0 C.a<0,b<0 [答案]

A [解析]

由于x增大y减小知b<0,又x=3时y>0,∴a>0,故选A. 2.某产品的广告费用x与销售额y的统计数据如下表:

广告费用x(万元)

销售额y(万元)

4

49

2

26

3

39

5 54 3

4.0

4

2.5

5

-0.5

6

0.5

7

-2.0

8 -3.0 B.a>0,b>0 D.a<0,b>0 ^^^^根据上表可得回归方程y=bx+a中的b为9.4,据此模型预报广告费用为6万元时销售额为(

) A.63.6万元

C.67.7万元

[答案]

B [探究]

由线性回归方程的图象过样本点的中心,可求得线性回归方程,然后结合该方程对x=6时的销售额作出估计.

^^^[解析]

样本点的中心是(3.5,42),则a=y-bx=42-9.4×3.5=9.1,所以线性回归方程是y=10

B.65.5万元

D.72.0万元

^9.4x+9.1,把x=6代入得y=65.5. 3.已知x与y之间的几组数据如下表:

x y 1

0

2

2

3

1

4

3

5

3

6 4 ^^^假设根据上表数据所得线性回归直线方程为y=bx+a.若某同学根据上表中的前两组数据(1,0)和(2,2)求得的直线方程为y=b′x+a′,则以下结论正确的是(

) ^^A.b>b′,a>a′

^^C.b<b′,a>a′

[答案]

C ^^^^[探究]

先由已知条件分别求出b′,a′的值,再由b,a的计算公式分别求解b,a的值,即可作出比较.

[解析]

由两组数据(1,0)和(2,2)可求得直线方程为y=2x-2,从而b′=2,a′=-2.而利用线^^B.b>b′,a<a′

^^D.b<b′,a<a′

^性回归方程的公式与已知表格中的数据,可求得b=i=1xiyi-6x·y2x2i-6xi=166-71358-6××265^^==,a=y-bx7791-6×2213571^^=-×=-,所以b<b′,a>a′. 67234.某学生课外活动兴趣小组对两个相关变量收集到5组数据如下表:

x y 10

62

20

▲

30

75

40

81

50 89 ^由最小二乘法求得回归方程为y=0.67x+54.9,现发现表中有一个数据模糊不清,请推断该数据的值为(

) A.60 C.68 [答案]

C [解析]

由题意可得x=30,

代入回归方程得y=75. 设看不清处的数为a,

则62+a+75+81+89=75×5,∴a=68. [点评]

表中所给的数据只反映x与y的线性关系,并非函数关系,因而不能直接代入线性方程^求预报值y,应根据线性回归方程性质,即线性回归方程经过中心点(x,y)求解.

二、填空题

11

B.62 D.68.3

5.2010年4月初,广东部分地区流行手足口病,党和政府采取果断措施,防治结合,很快使病情得到控制.下表是某同学记载的2010年4月1日到2010年4月12日每天广州手足口病治愈出院者数据,根据这些数据绘制散点图如图. 日期

人数

1

100

2

109

3

115

4

118

5

121

6 134

日期

人数

7

141

8

152

9

168

10

175

11

186

12 203

下列说法:

①根据此散点图,可以判断日期与人数具有线性相关关系;②根据此散点图,可以判断日期与人数且有一次函数关系;③后三天治愈出院的人数占这12天治愈出院人数的30%多;④后三天治愈出院的人数均超过这12天内北京市治愈出院人数的20%. 其中正确的个数是________.

[答案]

2 6.改革开放30年以来,我国高等教育事业迅速发展,对某省1990~2000年考大学升学百分比按城市、县镇、农村进行统计,将1990~2000年依次编号为0~10,回归分析之后得到每年考入大学的百分比y与年份x的关系为:

^城市:y=2.84x+9.50;

^县镇:y=2.32x+6.67;

^农村:y=0.42x+1.80. 根据以上回归直线方程,城市、县镇、农村三个组中,________的大学入学率增长最快.按同样的增长速度,可预测2010年,农村考入大学的百分比为________%. [答案]

城市

10.2 [探究]

增长速度可根据回归直线的斜率来判断,斜率大的增长速度快,斜率小的增长速度慢.

[解析]

通过题目中所提供的回归方程可判断,城市的大学入学率增长最快;2010年农村考入大学的百分比为0.42×20+1.80=10.2. 三、解答题

7.某地区2007年至2013年农村居民家庭人均纯收入y(单位:千元)的数据如下表

年份

年份代号

2007

1

2008

2

2009

3

12

2010

4

2011

5

2012

6

2013 7

人均纯收入y 2.9

3.3

3.6

4.4

4.8

5.2

5.9 (1)求y关于t的线性回归方程;

(2)利用(1)中的回归方程,分析2007年至2013年该地区农村居民家庭人均纯收入的变化情况,并预测该地区2015年农村居民家庭人均纯收入,附:回归直线的斜率和截距的最小二乘估计公式分别为:

^b=i=1

ti-tyi-y

ti-t2nn^^,a=y-bt. i=11[解析]

(1)由所给数据计算得t=(1+2+3+4+5+6+7)=4,

71y=(2.9+3.3+3.6+4.4+4.8+5.2+5.9)=4.3,

7i=1

(ti-t)2=9+4+1+0+1+4+9=28,

77i=1

(ti-t)(yi-y)=(-3)×(-1.4)+(-2)×(-1)+(-1)(-0.7)+0×0.1+1×0.5+2×0.9+3×1.6=14,

^b=i=1

ti-tyi-y

ti-t2nn14==0.5,

28i=1^^a=y-bt=4.3-0.5×4=2.3,

^所求回归方程为y=0.5t+2.3. (2)由(1)知,b=0.5>0,故2007年至2013年该地区农村居民家庭人均纯收入逐年增加,平均每^年增加0.5千元,将2015年的年份代号t=9代入(1)中的回归方程,得y=0.5×9+2.3=6.8,

故预测该地区2015年农村居民家庭人均纯收人为6.8千元.

8.从某居民区随机抽取10个家庭,获得第i个家庭的月收入xi(单位:千元)与月储蓄yi(单位:千元)的数据资料,算得xi=80,yi=20,xiyi=184,xi2=720. i=1i=1i=1i=110101010^^^(1)求家庭的月储蓄y对月收入x的线性回归方程y=bx+a;

(2)判断变量x与y之间是正相关还是负相关;

(3)若该居民区某家庭月收入为7千元,预测该家庭的月储蓄.

13

^^^^附:线性回归方程y=bx+a中,b=i=1xiyi-nx

y2x2i-nxi=1n-n-^^,a=y-bx,其中x,y为样本平均值.

[探究]

(1)根据线性回归方程求相关的量后,代入公式即可求得回归方程;(2)观察线性回归方^程的系数b

可判断是正相关还是负相关;(3)将x=7代入线性回归方程即可求得预报变量,即该家庭的月储蓄.

1n801n20[解析]

(1)由题意知n=10,x=xi==8,y=yi==2,

ni=110ni=110--n222又xi-nx=720-10×8=80,xiyi-nx

i=1i=1ny=184-10×8×2=24,

^由此得b=i=1xiyi-nx

y=2x2i-nxi=1n-n-24^^=0.3,a=y-bx=2-0.3×8=-0.4,

80^故所求回归方程为y=0.3x-0.4. ^(2)由于变量y的值随x的值增加而增加(b=0.3>0),故x与y之间是正相关.

^(3)将x=7代入回归方程可以预测该家庭的月储蓄为y=0.3×7-0.4=1.7(千元).

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