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Regressionsrechner

Gib Deine Wertepaare ein – die x-Werte in das erste Feld, die zugehörigen y-Werte in derselben Reihenfolge in das zweite. Der Rechner bestimmt die Regressionsgerade nach der Methode der kleinsten Quadrate, den Korrelationskoeffizienten $r$ und das Bestimmtheitsmaß $R^2$, zeichnet das Streudiagramm und zeigt die Arbeitstabelle. Gerechnet wird mit exakten Brüchen. Passt keine Gerade, wähle ein anderes Modell: Parabel, Exponential-, Potenz- oder Logarithmusfunktion.

Welches Modell?
Neu

Werte durch Leerzeichen oder Semikolon trennen, Dezimalzahlen mit Komma (2,5). Höchstens 200 Wertepaare, je höchstens 6 Nachkommastellen. Die Varianzen und die Kovarianz werden – wie im Statistik-Rechner – durch n geteilt; für Steigung, Achsenabschnitt und r spielt das keine Rolle.

Ergebnis

Regressionsgerade nach der Methode der kleinsten Quadrate für 2 Punkte:

\[y = 2x + 1\]
\[r = 1,\qquad R^2 = 1\]
Zum Rechenweg

Deutung (Faustregel): $|r| \geq 0{,}8$ stark, $0{,}5 \leq |r| < 0{,}8$ mittel, darunter schwach. Hier: starker positiver linearer Zusammenhang.

Bei nur zwei Punkten geht die Gerade genau durch beide Punkte – $r$ ist dann immer $1$ oder $-1$ und sagt nichts über einen Zusammenhang aus.

Ein enger Zusammenhang ($|r|$ nahe 1) beweist keine Ursache. Beide Größen können zum Beispiel von einer dritten Größe abhängen.

Rechenweg

  1. Mittelwerte (Schwerpunkt der Punktwolke)

    Addiere alle x-Werte bzw. alle y-Werte und teile durch die Anzahl $n = 2$. Der Punkt $S(\bar{x} \mid \bar{y})$ heißt Schwerpunkt – die Regressionsgerade geht immer durch ihn.

    \[\bar{x} = \frac{8}{2} = 4\]
    \[\bar{y} = \frac{18}{2} = 9\]
  2. Arbeitstabelle

    Für jeden Punkt die Abweichungen vom Mittelwert, ihre Quadrate und ihr Produkt. Die Spalten mit den Abweichungen ergeben zusammen immer 0.

    $i$$x_i$$y_i$$x_i - \bar{x}$$y_i - \bar{y}$$(x_i - \bar{x})^2$$(y_i - \bar{y})^2$$(x_i - \bar{x})(y_i - \bar{y})$
    125-2-44168
    2613244168
    $\sum$8180083216
  3. Varianzen und Kovarianz

    Teile die Spaltensummen durch $n$. Die Kovarianz $s_{xy}$ ist positiv, wenn große x-Werte meist mit großen y-Werten auftreten, und negativ, wenn es umgekehrt ist.

    \[s_x^2 = \frac{1}{n}\sum (x_i - \bar{x})^2 = 4\]
    \[s_y^2 = \frac{1}{n}\sum (y_i - \bar{y})^2 = 16\]
    \[s_{xy} = \frac{1}{n}\sum (x_i - \bar{x})(y_i - \bar{y}) = 8\]
  4. Steigung und y-Achsenabschnitt

    Die Gerade, bei der die Summe der quadrierten senkrechten Abstände (Residuen) am kleinsten ist, hat die Steigung $m = \frac{s_{xy}}{s_x^2}$ und geht durch den Schwerpunkt: $b = \bar{y} - m \cdot \bar{x}$.

    \[m = \frac{s_{xy}}{s_x^2} = 2\]
    \[b = \bar{y} - m \cdot \bar{x} = 1\]
    \[y = 2x + 1\]
  5. Korrelationskoeffizient und Bestimmtheitsmaß

    Der Korrelationskoeffizient nach Pearson liegt immer zwischen −1 und 1. Je näher $|r|$ an 1 liegt, desto enger liegen die Punkte an einer Geraden. $R^2 = r^2$ gibt an, welcher Anteil der Streuung der y-Werte durch die Gerade erklärt wird.

    \[r = \frac{s_{xy}}{s_x \cdot s_y} = 1\]
    \[R^2 = r^2 = 1\]

Streudiagramm

23456468101214xy

Punkte (blau), Regressionsgerade (rot), Schwerpunkt $S(\bar{x} \mid \bar{y})$ (Kreuz), gestrichelt die Residuen.

So funktioniert die Berechnung

\[ \bar{x} = \frac{1}{n}\sum x_i \qquad \bar{y} = \frac{1}{n}\sum y_i \qquad m = \frac{\sum (x_i - \bar{x})(y_i - \bar{y})}{\sum (x_i - \bar{x})^2} \qquad b = \bar{y} - m \cdot \bar{x} \]
\[ r = \frac{\sum (x_i - \bar{x})(y_i - \bar{y})}{\sqrt{\sum (x_i - \bar{x})^2 \cdot \sum (y_i - \bar{y})^2}} \qquad R^2 = r^2 \]
  • Regressionsgerade $\hat{y} = m \cdot x + b$: die Gerade mit der kleinsten Summe der quadrierten senkrechten Abstände (Residuen). Sie geht durch den Schwerpunkt $S(\bar{x} \mid \bar{y})$.
  • Korrelationskoeffizient $r$ (nach Pearson): zwischen $-1$ und $1$; je näher $|r|$ an 1, desto enger liegen die Punkte an der Geraden.
  • Bestimmtheitsmaß $R^2$: Anteil der Streuung der y-Werte, den die Gerade erklärt.

Ausführlich erklärt, mit Beispielen zu Kovarianz, Prognosen und der Frage „Korrelation oder Ursache?“, wird das auf der Seite Regression und Korrelation – dort kannst Du auch online üben. Mittelwert und Standardabweichung einer einzelnen Datenreihe liefert der Statistik-Rechner.

Nichtlineare Modelle

Modellso rechnet der Rechnerpasst oft bei …
quadratisch $y = ax^2 + bx + c$kleinste Quadrate direkt: drei Normalgleichungen mit $\sum x^k$ und $\sum x^k y$, exakt gelöstWurfbahnen, Bremswegen, Kosten mit Minimum
exponentiell $y = a \cdot b^x$Gerade durch $(x \mid \ln y)$, dann $a = e^{\text{Achsenabschnitt}}$, $b = e^{\text{Steigung}}$Wachstum und Zerfall mit festem Faktor
Potenz $y = a \cdot x^b$Gerade durch $(\ln x \mid \ln y)$Flächen, Volumen, Fallzeiten
logarithmisch $y = a + b \cdot \ln x$Gerade durch $(\ln x \mid y)$Lernkurven, Sättigung

Das Bestimmtheitsmaß $R^2 = 1 - \frac{\sum (y_i - \hat{y}_i)^2}{\sum (y_i - \bar{y})^2}$ wird immer mit den ursprünglichen y-Werten berechnet, damit sich die Modelle vergleichen lassen: Je näher $R^2$ an 1 liegt, desto besser passt die Kurve. Beim Exponential- und Potenzmodell ist die gefundene Kurve die beste Gerade im logarithmierten Bild – nicht ganz dieselbe wie die mit den kleinsten Abweichungen im Originalbild. Wie Exponentialfunktionen funktionieren, steht unter Exponentialfunktionen.

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Online üben

Bei mehreren gesuchten Werten trennst Du sie mit Semikolon, z. B. 3; 2 für $a = 3$ und $b = 2$. Gerundete Ergebnisse auf zwei bis drei Nachkommastellen genügen.

Stufe 1 Stufe 2 Stufe 3 Neue Aufgaben

Stufe 1: Modelle anwenden und vergleichen

  1. Aufgabe 1
    \(\text{SQR} = 103,\ \text{SQT} = 536:\quad R^2 = ?\)
    \(R^2 = 1 - \frac{103}{536} \approx 0{,}8078\)
  2. Aufgabe 2
    \(\text{SQR} = 75,\ \text{SQT} = 366:\quad R^2 = ?\)
    \(R^2 = 1 - \frac{75}{366} \approx 0{,}7951\)
  3. Aufgabe 3
    \(y = 9{,}5 \cdot e^{0{,}05x}:\quad y\text{ für } x = 3?\)
    \(y \approx 11{,}04\)
  4. Aufgabe 4
    \(\text{linear: } R^2 = 0{,}884,\) quadratisch: \(R^2 = 0{,}664:\) besseres Modell?
    \(\text{linear}\ (\)größeres \(R^2)\)
  5. Aufgabe 5
    \(y = 14{,}5 \cdot e^{0{,}15x}:\) \(y\text{ für } x = 1{,}5?\)
    \(y \approx 18{,}16\)
  6. Aufgabe 6
    \(y = 13 \cdot e^{-0{,}3x}:\quad y\text{ für } x = 7?\)
    \(y \approx 1{,}59\)

Tippe Deine Lösung ein und klicke auf „Prüfen“ (oder drücke Enter). Brüche als 3/4, Dezimalzahlen mit Komma, mehrere Lösungen mit ; trennen, Potenzen als x^2, Wurzeln als sqrt(5). Punkte: 10 für richtig beim ersten Versuch, 6 nach einem Fehlversuch, 5 mit Tipp, 0 wenn Du Dir vorher die Lösung anschaust. Deine Punkte und Abzeichen siehst Du unter Mein Training.

Arbeitsblatt: Regression: quadratisch, exponentiell, logarithmisch

Eine volle DIN-A4-Seite Aufgaben mit Lösungsblatt zum Ausdrucken – bei jedem Klick neue Aufgaben. Klasse 11–13.

Schwierigkeit

Weiterlesen: Methode der kleinsten Quadrate bei Wikipedia

ErklärungRegression und Korrelation – Regressionsgerade, Kovarianz, Korrelationskoeffizient und R²Streudiagramm, Kovarianz, Korrelationskoeffizient nach Pearson, Regressionsgerade mit der Methode der kleinsten Quadrate, Bestimmtheitsmaß und Prognosen – und warum Korrelation keine Kausalität ist.Klasse 10–13 · Stochastik & StatistikRechnerStatistik-Rechner – Mittelwert, Median, Quartile, StandardabweichungZahlen eingeben und Mittelwert, Median, Modus, Spannweite, Quartile, Varianz, Standardabweichung und Boxplot erhalten.Klasse 5–13 · Stochastik & StatistikErklärungMittelwert, Median, Modus und SpannweiteDaten mit Kennwerten beschreiben – Durchschnitt, Zentralwert, häufigster Wert, Spannweite, Quartile und Boxplot.Klasse 5–8 · Stochastik & StatistikErklärungBoxplot – Quartile bestimmen, Boxplot zeichnen, ablesen und vergleichenDie fünf Kennwerte Minimum, Quartile, Median und Maximum bestimmen, Boxplots zeichnen und ablesen, zwei Datenreihen vergleichen und Ausreißer erkennen.Klasse 7–10 · Stochastik & StatistikErklärungVarianz und Standardabweichung – berechnen und deuten, mit n und n − 1Streuung messen – Abweichungen quadrieren, durch n oder n − 1 teilen, Wurzel ziehen. Mit Verschiebungssatz, Zufallsgrößen und Binomialverteilung.Klasse 8–13 · Stochastik & StatistikErklärungDaten und Diagramme – Strichliste, Säulen-, Balken- und KreisdiagrammDaten mit der Strichliste sammeln, Häufigkeiten bestimmen und als Säulen-, Balken-, Kreis-, Streifen- oder Liniendiagramm darstellen.Klasse 3–7 · Stochastik & Statistik
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