IEFA — CPAINT
Previsão de Demanda

REGR201 - Regressão Linear

Dedução completa da regressão linear pelo método dos mínimos quadrados.

Código: REGR201
Nível: Intermediário
Pré-requisitos: STAT101, FCST201

Objetivo desta página

Deduzir, passo a passo, as fórmulas da regressão linear simples a partir de uma única ideia: escolher a reta que minimiza a soma dos erros ao quadrado. Não precisamos aceitar fórmulas prontas — vamos construí-las do zero.

1. A reta nunca acerta tudo

Imagine que temos estes pontos reais:

xxyrealy_{\text{real}}
13
25
37
48

A reta tenta prever o valor de yy. Para cada xix_i, ela gera um valor previsto:

y^i=a+bxi\hat{y}_i = a + b x_i

Mas quase sempre a previsão não será exatamente igual ao valor real. Então aparece o erro:

ei=yi−y^ie_i = y_i - \hat{y}_i

Como y^i=a+bxi\hat{y}_i = a + b x_i, temos:

ei=yi−(a+bxi)=yi−a−bxie_i = y_i - (a + b x_i) = y_i - a - b x_i

Esse erro é a distância vertical entre o ponto real e a reta.

2. O que significa "melhor reta"?

A melhor reta é aquela que deixa os erros menores.

Mas não podemos simplesmente somar os erros ∑ei\sum e_i, porque erros positivos e negativos podem se cancelar:

(+10)+(−10)=0(+10) + (-10) = 0

Pareceria que o erro total é zero, mas na verdade a reta errou bastante.

Então usamos os erros ao quadrado ei2e_i^2. Assim:

  • Erro positivo vira positivo.
  • Erro negativo vira positivo.
  • Erros grandes são punidos mais fortemente.

A função que queremos minimizar é:

S(a,b)=∑i=1n(yi−a−bxi)2S(a, b) = \sum_{i=1}^{n} (y_i - a - b x_i)^2

Essa é a soma dos erros quadráticos. O objetivo da regressão linear é:

min⁡a,b∑i=1n(yi−a−bxi)2\min_{a, b} \sum_{i=1}^{n} (y_i - a - b x_i)^2

Escolher aa e bb para que a soma dos erros ao quadrado seja a menor possível.

3. Deduzindo o intercepto aa

Temos:

S(a,b)=∑i=1n(yi−a−bxi)2S(a, b) = \sum_{i=1}^{n} (y_i - a - b x_i)^2

Para achar o menor valor possível dessa função, derivamos em relação a aa e igualamos a zero:

∂S∂a=0\frac{\partial S}{\partial a} = 0

A derivada fica:

−2∑i=1n(yi−a−bxi)=0-2 \sum_{i=1}^{n} (y_i - a - b x_i) = 0

Dividindo por −2-2:

∑i=1n(yi−a−bxi)=0\sum_{i=1}^{n} (y_i - a - b x_i) = 0

Separando os termos:

∑yi−∑a−b∑xi=0\sum y_i - \sum a - b \sum x_i = 0

Como aa é constante, ∑a=na\sum a = na. Então:

∑yi−na−b∑xi=0\sum y_i - na - b \sum x_i = 0

Isolando aa:

na=∑yi−b∑xina = \sum y_i - b \sum x_i

Dividindo por nn:

a=∑yin−b⋅∑xina = \frac{\sum y_i}{n} - b \cdot \frac{\sum x_i}{n}

Mas ∑yin=yˉ\frac{\sum y_i}{n} = \bar{y} e ∑xin=xˉ\frac{\sum x_i}{n} = \bar{x}. Logo:

a=yˉ−bxˉ\boxed{a = \bar{y} - b\bar{x}}

Conclusão importante

A reta de regressão sempre passa pelo ponto médio dos dados (xˉ,yˉ)(\bar{x}, \bar{y}). A melhor reta precisa passar pelo "centro de massa" dos pontos.

4. Deduzindo a inclinação bb

Já sabemos que a=yˉ−bxˉa = \bar{y} - b\bar{x}. A reta é y^=a+bx\hat{y} = a + bx. Substituindo aa:

y^=yˉ−bxˉ+bx=yˉ+b(x−xˉ)\hat{y} = \bar{y} - b\bar{x} + bx = \bar{y} + b(x - \bar{x})

Isso é muito importante — agora a reta diz:

A previsão de yy é a média de yy, ajustada pela distância de xx em relação à média de xx.

O erro fica:

ei=yi−y^i=yi−[yˉ+b(xi−xˉ)]e_i = y_i - \hat{y}_i = y_i - [\bar{y} + b(x_i - \bar{x})] ei=(yi−yˉ)−b(xi−xˉ)e_i = (y_i - \bar{y}) - b(x_i - \bar{x})

Simplificando a notação

Chamemos:

Yi=yi−yˉeXi=xi−xˉY_i = y_i - \bar{y} \qquad\text{e}\qquad X_i = x_i - \bar{x}

Então ei=Yi−bXie_i = Y_i - bX_i e a soma dos erros quadráticos vira:

S(b)=∑(Yi−bXi)2S(b) = \sum (Y_i - bX_i)^2

Derivando em relação a bb e igualando a zero:

dSdb=∑2(Yi−bXi)(−Xi)=0\frac{dS}{db} = \sum 2(Y_i - bX_i)(-X_i) = 0

Removendo o 22 e o sinal negativo:

∑Xi(Yi−bXi)=0\sum X_i (Y_i - bX_i) = 0

Distribuindo:

∑XiYi−b∑Xi2=0\sum X_i Y_i - b \sum X_i^2 = 0

Isolando bb:

b∑Xi2=∑XiYib \sum X_i^2 = \sum X_i Y_i b=∑XiYi∑Xi2b = \frac{\sum X_i Y_i}{\sum X_i^2}

Voltando à forma original (Xi=xi−xˉX_i = x_i - \bar{x}, Yi=yi−yˉY_i = y_i - \bar{y}):

b=∑(xi−xˉ)(yi−yˉ)∑(xi−xˉ)2\boxed{b = \frac{\sum (x_i - \bar{x})(y_i - \bar{y})}{\sum (x_i - \bar{x})^2}}

5. Intuição Feynman da fórmula de bb

Agora vamos explicar como se fosse uma história.

O numerador

∑(xi−xˉ)(yi−yˉ)\sum (x_i - \bar{x})(y_i - \bar{y})

Mede se xx e yy se movem juntos:

  • Se xx está acima da média e yy também está acima da média → produto positivo.
  • Se xx está abaixo da média e yy também está abaixo → produto positivo.
  • Se xx sobe e yy cai → produto negativo.

O numerador mede a movimentação conjunta de xx e yy.

O denominador

∑(xi−xˉ)2\sum (x_i - \bar{x})^2

Mede o quanto xx varia sozinho.

A inclinação

b=quanto x e y variam juntosquanto x varia sozinhob = \frac{\text{quanto } x \text{ e } y \text{ variam juntos}}{\text{quanto } x \text{ varia sozinho}}

bb mede quanto yy muda, em média, para cada unidade de mudança em xx.

Conexão com STAT101

O numerador é a covariância entre xx e yy. O denominador é a variância de xx. Se você já estudou correlação, lembre que r=Cov(x,y)σx⋅σyr = \frac{\text{Cov}(x,y)}{\sigma_x \cdot \sigma_y}. A inclinação bb e a correlação rr são parentes próximos.

6. Resultado final da dedução

A regressão linear simples fica assim:

y^=a+bx\hat{y} = a + bx

Com:

b=∑(xi−xˉ)(yi−yˉ)∑(xi−xˉ)2b = \frac{\sum (x_i - \bar{x})(y_i - \bar{y})}{\sum (x_i - \bar{x})^2} a=yˉ−bxˉa = \bar{y} - b\bar{x}

A dedução inteira nasce de uma única ideia:

min⁡a,b∑i=1n(yi−a−bxi)2\min_{a, b} \sum_{i=1}^{n} (y_i - a - b x_i)^2

Escolher a reta que minimiza a soma dos erros ao quadrado.

Exemplo numérico

Usando os dados do início (x=1,2,3,4x = 1, 2, 3, 4 e y=3,5,7,8y = 3, 5, 7, 8):

CálculoValor
xˉ\bar{x}(1+2+3+4)/4(1+2+3+4)/42,52{,}5
yˉ\bar{y}(3+5+7+8)/4(3+5+7+8)/45,755{,}75
∑(xi−xˉ)(yi−yˉ)\sum(x_i - \bar{x})(y_i - \bar{y})(−1,5)(−2,75)+(−0,5)(−0,75)+(0,5)(1,25)+(1,5)(2,25)(-1{,}5)(-2{,}75) + (-0{,}5)(-0{,}75) + (0{,}5)(1{,}25) + (1{,}5)(2{,}25)8,258{,}25
∑(xi−xˉ)2\sum(x_i - \bar{x})^22,25+0,25+0,25+2,252{,}25 + 0{,}25 + 0{,}25 + 2{,}255,05{,}0
bb8,25/5,08{,}25 / 5{,}01,651{,}65
aa5,75−1,65×2,55{,}75 - 1{,}65 \times 2{,}51,6251{,}625

A reta de regressão é:

y^=1,625+1,65x\hat{y} = 1{,}625 + 1{,}65x
xxyrealy_{\text{real}}y^\hat{y}ee
133,275−0,275
254,925+0,075
376,575+0,425
488,225−0,225

Aplicação em Previsão de Demanda

Na prática, xx é o período (mês 1, mês 2, ...) e yy é a demanda observada. A regressão captura a tendência linear da demanda ao longo do tempo — algo que a Média Móvel Simples (FCST201) não consegue fazer bem, pois trata todos os períodos com peso igual e não projeta a direção.

Materiais de Consulta

  • ANDERSON, David R. et al. Estatística Aplicada a Administração e Economia. Cengage, 2019. Cap. 14 — Regressão Linear Simples.
  • HANKE, John E.; WICHERN, Dean W. Business Forecasting. Pearson. Cap. 6 — Regression with Time Series Data.
  • Conexão: STAT101 — Correlação | FCST201 — Métodos de Previsão

On this page