
L'analisi della regressione è una tecnica usata per analizzare una serie di dati che consistono in una variabile dipendente e una o più variabili indipendenti. Lo scopo è stimare un'eventuale relazione funzionale esistente tra la variabile dipendente e le variabili indipendenti. La variabile dipendente nell'"equazione di regressione" è una funzione delle variabili indipendenti più un "termine d'errore". Quest'ultimo è una variabile casuale e rappresenta una variazione non controllabile e imprevedibile nella variabile dipendente. I parametri sono stimati in modo da descrivere al meglio i dati. Il metodo più comunemente utilizzato per ottenere le migliori stime è il metodo dei "minimi quadrati" (OLS), ma sono utilizzati anche altri metodi.
Il "data modeling" può essere usato senza alcuna conoscenza dei processi sottostanti che hanno generato i dati; in questo caso il modello è un modello empirico. Inoltre, nella modellizzazione, non è richiesta la conoscenza della distribuzione di probabilità degli errori. L'analisi della regressione richiede ipotesi riguardanti la distribuzione di probabilità degli errori. Test statistici vengono effettuati sulla base di tali ipotesi. Nell'analisi della regressione il termine "modello" comprende sia la funzione usata per modellare i dati che le assunzioni concernenti la distribuzione di probabilità.
L'analisi della regressione può essere usata per effettuare previsioni (ad esempio per prevedere dati futuri di una serie temporale), inferenza statistica, per testare ipotesi o per modellare delle relazioni di dipendenza. Questi usi della regressione dipendono fortemente dal fatto che le assunzioni di partenza siano verificate. L'uso dell'analisi della regressione è stato criticato in diversi casi in cui le ipotesi di partenza non possono essere verificate. Un fattore che contribuisce all'uso improprio della regressione è che richiede più competenze per criticare un modello che per adattarlo.
La prima forma di regressione fu il metodo dei minimi quadrati, pubblicato da Legendre nel 1805, e da Gauss nel 1809. Il termine “minimi quadrati” deriva da quello usato da Legendre: "moindres carrés". Tuttavia, Gauss affermò di essere a conoscenza di questo metodo fin dal 1795.
Legendre e Gauss applicarono entrambi il metodo al problema di determinare, a partire da osservazioni astronomiche, l'orbita dei pianeti attorno al Sole. Eulero aveva lavorato sullo stesso problema intorno al 1748, ma senza successo. Gauss pubblicò un ulteriore sviluppo della teoria dei minimi quadrati nel 1821, includendo una versione del teorema di Gauss-Markov.
Il termine "regressione" venne coniato nel diciannovesimo secolo per descrivere un fenomeno biologico, ovvero che la progenie di individui eccezionali tende in genere ad essere meno eccezionale dei propri genitori e più simile ai loro avi più distanti. Francis Galton, un cugino di Charles Darwin, studiò questo fenomeno e applicò il termine vagamente fuorviante di "regressione verso il centro/regressione verso la media". Per Galton, la regressione aveva solo questo significato biologico, ma il suo lavoro venne in seguito esteso da Udny Yule e Karl Pearson in un contesto statistico più generale. Oggi il termine "regressione" è spesso sinonimo di "curva intercetta dei minimi quadrati".
Queste condizioni sono sufficienti (ma non tutte necessarie) perché lo stimatore dei minimi quadrati goda di buone proprietà. In particolare queste assunzioni implicano che lo stimatore sia non distorto, consistente ed efficiente nella classe degli stimatori lineari non distorti. Molte di queste assunzioni possono essere rilassate in analisi più avanzate.
Nella regressione lineare, il modello assume che la variabile dipendente, formula_1 sia una combinazione lineare dei "parametri" (ma non è necessario che sia lineare nella "variabile indipendente"). Ad esempio, nella regressione lineare semplice con formula_2 osservazioni ci sono una variabile indipendente: formula_3, e due parametri, formula_4 e formula_5:
Nella regressione lineare multipla, ci sono più variabili indipendenti o funzioni di variabili indipendenti. Ad esempio, aggiungendo un termine in formula_7 alla regressione precedente si ottiene:
Si tratta ancora di una regressione lineare: sebbene l'espressione sulla destra sia quadratica nella variabile indipendente formula_3, è comunque lineare nei parametri formula_4, formula_5 e formula_12
In entrambi i casi, formula_13 è un termine di errore e l'indice formula_14 identifica una particolare osservazione. Dato un campione casuale della popolazione, stimiamo i parametri della popolazione e otteniamo il modello di regressione lineare semplice:
Il termine formula_16 è il residuo, formula_17. Un metodo di stima è quello dei minimi quadrati ordinari. Questo metodo ottiene le stime dei parametri che minimizzano la somma dei quadrati dei residui, SSE:
La minimizzazione di questa funzione risulta essere un sistema di equazioni normali, un insieme di equazioni lineari simultanee nei parametri, che vengono risolte per trovare le stime dei parametri, formula_19. Vedi coefficienti di regressione per informazioni sulle proprietà statistiche di tali stimatori.
Nel caso della regressione semplice, le formule per le stime dei minimi quadrati sono 
dove formula_22 è la media (media) dei valori formula_23 e formula_24 è la media dei valori formula_25.
Sotto l'ipotesi che il termine di errore della popolazione abbia una varianza costante, la stima di quella varianza è data da:
formula_26
Questo è la radice dell'errore quadratico medio (RMSE) della regressione. 
Gli errori standard delle stime dei parametri sono dati da
Sotto l'ulteriore ipotesi che il termine di errore della popolazione abbia distribuzione normale, il ricercatore può usare questi errori standard stimati per creare intervalli di confidenza e condurre test d'ipotesi sui parametri della popolazione.
Nel più generale modello di regressione multipla, ci sono formula_29 variabili indipendenti:
Le stime dei parametri dei minimi quadrati sono ottenute da formula_29 equazioni normali. Il residuo può essere scritto come
Le equazioni normali sono
In notazione matriciale, le equazioni normali sono scritte come
Una volta costruito un modello di regressione, è importante confermare la bontà di adattamento del modello e la significatività statistica dei parametri stimati. I controlli della bontà di adattamento comunemente usati includono l'indice R-quadro, analisi dei residui e test di ipotesi. La significatività statistica è verificata con un test F dell'adattamento globale, seguito da t-test per ogni singolo parametro.
L'interpretazione di questi test dipende fortemente dalle assunzioni sul modello. Nonostante l'analisi dei residui sia usata per determinare la bontà di un modello, i risultati dei test-T e dei test-F sono difficili da interpretare nel caso in cui le assunzioni di partenza non siano soddisfatte. Ad esempio, se la distribuzione degli errori non è normale, può accadere che in campioni di numerosità ridotta le stime dei parametri non seguano una distribuzione normale, cosa che complica l'inferenza. Per grandi campioni, il teorema del limite centrale permette di effettuare i test usando un'approssimazione asintotica delle distribuzioni.
La variabile risposta può essere non continua. Per le variabili binarie (zero/uno), si può procedere con un particolare tipo di modello lineare linear probability model. Se si usa un modello non-lineare i modelli più utilizzati sono il probit e il modello logit. Il modello probit multivariato rende possibile stimare congiuntamente la relazione tra più variabili binarie dipendenti e alcune variabili indipendenti. Per variabili categoriche con più di due valori si utilizza il modello logit multinomiale. Per variabili ordinali con più di due valori, si utilizzano i modelli logit cumulativo e probit cumulativo. Un'alternativa a tali procedure è la regressione lineare basata su polychoric o polyserial correlazioni tra le variabili categoriche. Tali procedure differiscono nelle ipotesi fatte sulla distribuzione delle variabili nella popolazione. Se la variabile rappresenta una ripetizione di un evento nel tempo, è positiva e con poche realizzazioni ("eventi rari"), si possono utilizzare modelli di Poisson o binomiale negativa.
I modelli di regressione predicono una variabile formula_25 partendo dai valori di altre variabili formula_23. Se i valori della previsione sono compresi nell'intervallo dei valori delle variabili formula_23 utilizzate per la costruzione del modello si parla di interpolazione. Se i valori escono dal range delle variabili esplicative si parla di estrapolazione. In questo caso la previsione diventa più rischiosa.
Quando la funzione del modello non è lineare nei parametri la somma dei quadrati deve essere minimizzata da una procedura iterativa.
Sebbene i parametri di un modello di regressione siano di solito stimati usando il metodo dei minimi quadrati, altri metodi includono:
Tutti i principali pacchetti statistici eseguono i tipi comuni di analisi di regressione correttamente e in modo semplice. La regressione lineare semplice può essere fatta in alcuni fogli elettronici. C'è una quantità di programmi che esegue forme specializzate di regressione, e gli esperti possono scegliere di scrivere il loro proprio codice per usare o software per analisi numerica.


L'analisi delle componenti principali (in inglese "principal component analysis" o abbreviata "PCA"), anche nota come trasformata di Karhunen-Loève, trasformata di Hotelling o decomposizione ortogonale propria, è una tecnica per la semplificazione dei dati utilizzata nell'ambito della statistica multivariata. Questo metodo fu proposto per la prima volta nel 1901 da Karl Pearson e sviluppato poi da Harold Hotelling nel 1933, e fa parte dell'analisi fattoriale. Lo scopo della tecnica è quello di ridurre il numero più o meno elevato di variabili che descrivono un insieme di dati a un numero minore di variabili latenti, limitando il più possibile la perdita di informazioni.
Ciò avviene tramite una trasformazione lineare delle variabili che proietta quelle originarie in un nuovo sistema cartesiano in cui la nuova variabile con la maggiore varianza viene proiettata sul primo asse, la variabile nuova, seconda per dimensione della varianza, sul secondo asse e così via.
La riduzione della complessità avviene limitandosi ad analizzare le principali, per varianza, tra le nuove variabili.
Diversamente da altre trasformazioni lineari di variabili praticate nell'ambito della statistica, in questa tecnica sono gli stessi dati che determinano i vettori di trasformazione.
Assumendo che a ciascuna delle variabili originarie venga sottratta la loro media e pertanto la nuova variabile (X) abbia media nulla,
Dove arg max indica l'insieme degli argomenti "w" in cui è raggiunto il massimo. Con i primi (k-1) componenti, il k-esimo componente può essere trovato sottraendo i primi (k-1) componenti principali a "X"
e sostituendo questo
Un metodo più semplice per calcolare la componente w utilizza la matrice delle covarianze di x. La stessa operazione può essere eseguita partendo dalla matrice dei coefficienti di correlazione anziché dalla matrice di varianza-covarianza delle variabili "x".
Innanzitutto si devono trovare gli autovalori della matrice di covarianza o della matrice dei coefficienti di correlazione. Si ottengono tanti autovalori quante sono le variabili x. Se viene utilizzata la matrice di correlazione, l'autovalore relativo alla prima componente principale, ossia quella con varianza massima, sarà pari ad 1. In ogni caso l'autovalore con il maggiore valore corrisponde alla dimensione w che ha la maggiore varianza: esso sarà dunque la varianza della componente principale 1. In ordine decrescente, il secondo autovalore sarà la varianza della componente principale 2, e così via per gli n autovalori. Per ciascun autovalore viene calcolato il corrispondente autovettore, ossia la matrice (riga vettore) dei coefficienti che moltiplicano le vecchie variabili x nella combinazione lineare per l'ottenimento delle nuove variabili w. Questi coefficienti sono anche definiti loading. La matrice degli autovettori, ossia la matrice che ha per riga ciascun autovettore prima calcolato, è la cosiddetta matrice di rotazione V. Eseguendo l'operazione matriciale formula_4, dove W è il vettore colonna avente come elementi le nuove variabili w1, w2, ..., wn e X è il vettore colonna avente come elementi le "vecchie variabili" x1, x2, ..., xn, si possono trovare le coordinate di ciascun punto nel nuovo spazio vettoriale. Utilizzando le coordinate per ciascun punto relative alle componenti principali si costruisce il grafico denominato score plot. Se le componenti principali sono 3 si avrà un grafico tridimensionale, se sono 2 sarà bidimensionale, se invece si è scelta una sola componente principale lo score plot sarà allora monodimensionale. Mediante lo score plot è possibile verificare quali dati sono simili tra di loro e quindi si può ad esempio dedurre quali campioni presentano la medesima composizione.
In PCA esiste anche un altro tipo di grafico, definito loading plot, in cui sono le variabili x ad essere riportate nel nuovo sistema avente per assi le componenti principali. Con questo tipo di grafico è possibile osservare se due variabili sono simili, e pertanto forniscono lo stesso tipo di informazione, oppure se sono distanti (e quindi non sono simili).
Quindi gli elementi dell'autovettore colonna corrispondente a un autovalore esprimono il legame tra le variabili di partenza e la componente considerata attraverso dei pesi. Il numero di variabili latenti da considerare come componenti principali si fonda sulla grandezza relativa di un autovalore rispetto agli altri. Invece nel caso in cui sia l'operatore a scegliere le componenti principali senza considerare la relativa varianza espressa dai rispettivi autovalori, si ha un supervised pattern recognition.
Si può costruire la matrice dei fattori, in pratica una matrice modale, che elenca per riga le variabili originarie e per colonna le variabili latenti: ogni valore, compreso tra 0 e 1, dice quanto le seconde incidano sulle prime.
Invece la matrice del punteggio fattoriale ha la stessa struttura della precedente, ma dice quanto le singole variabili originarie abbiano pesato sulla determinazione della grandezza di quelle latenti.
Si supponga di disporre di un'indagine che riporta per 10 soggetti: voto medio (da 0 a 33), intelligenza (da 0 a 10), media ore studiate in un giorno e zona d'origine, che varia da 1 a 3. Si standardizzino i valori con la formula:
formula_5
E(x) è il valore atteso di X, ovvero il valor medio, SD è la deviazione standard.
La matrice dei coefficienti di correlazione è:
La diagonale principale è composta da valori uguali ad 1 perché è il coefficiente di correlazione di una variabile con se stessa. È pure una matrice simmetrica perché il coefficiente di correlazione tra la variabile "x" e la variabile "y" è uguale a quello tra "y" e "x". Si vede come ci sia un forte legame tra voto, media ore studio e intelligenza.
Dall'analisi degli autovalori si possono trarre conclusioni:
Gli autovalori sono in ordine decrescente e il loro rapporto con la somma degli autovalori dà la percentuale di varianza che spiegano. Sono stati selezionati arbitrariamente solo quelli che hanno valore maggiore di 1 in quanto più significativi, che spiegano il 70,708% e il 26,755% rispettivamente.
Si osservi alla matrice delle componenti principali:
Il fattore 1 pesa fortemente sul voto medio. Sembrerebbe pure che pesi in maniera negativa sulla variabile della zona di origine; chiaramente questa affermazione non ha senso perché inverte il nesso di causalità: spetta allo statistico dare una spiegazione e una lettura sensate.
Si calcoli quindi la matrice di punteggio fattoriale:
Come si vede la variabile provenienza continua ad avere un influsso di segno negativo sull'autovalore principale. Le altre variabili invece hanno peso positivo.
