Régression linéaire

La régression linéaire modélise la relation entre une variable cible et un ensemble de variables explicatives via une combinaison linéaire des coefficients.

Dans le cas multiple :

où contient les features, les coefficients et le terme d'erreur.

Intuition

La régression linéaire cherche le meilleur hyperplan pour approximer une cible continue à partir des variables d'entrée. Le critère standard consiste à minimiser la somme des carrés des résidus.

Dans le cas simple :

Le coefficient mesure la variation moyenne de associée à une hausse d'une unité de , toutes choses égales par ailleurs dans le cas multiple.

Estimation par moindres carrés ordinaires

L'estimateur OLS minimise :

En notation matricielle, si est inversible :

Cette formule montre immédiatement pourquoi la colinéarité pose problème : si les colonnes de sont linéairement dépendantes, l'inverse n'existe pas.

ObjetFormuleRôle
PrédictionValeurs ajustées par le modèle
RésidusErreur observée sur l'échantillon
RSSSomme des carrés des résidus
Estimateur de varianceVariance résiduelle estimée

Hypothèses du modèle

HypothèseIdéePourquoi elle compte
LinéaritéLe modèle doit être bien spécifié en moyenne
ExogénéitéCondition clé pour l'absence de biais
IndépendanceErreurs non corrélées entre observationsImportant pour l'inférence classique
HomoscédasticitéSinon les erreurs standards OLS sont invalides
Pas de colinéarité parfaite

inversible

Condition d'existence de

Normalité des erreurs

Utile pour les tests exacts à petit échantillon, pas pour calculer OLS

Propriétés théoriques

Sous les hypothèses usuelles, l'estimateur OLS est :

  • sans biais :
  • consistant si la taille d'échantillon augmente dans un cadre régulier
  • BLUE (Best Linear Unbiased Estimator) via le théorème de Gauss-Markov

Sa variance conditionnelle vaut :

Sous normalité des erreurs, OLS coïncide aussi avec l'estimateur du maximum de vraisemblance.

Inférence statistique

ConceptFormuleInterprétation
Erreur standardIncertitude estimée sur un coefficient
Statistique tTest de nullité ou de valeur cible d'un coefficient
IC à 95 %Intervalle plausible pour le vrai coefficient
Test F globalComparaison du modèle complet à un modèle restreintTeste la significativité conjointe de plusieurs coefficients
p-value

Probabilité sous d'observer aussi extrême ou plus

Mesure de compatibilité avec l'hypothèse nulle, pas taille d'effet

Les p-values ne suffisent pas à juger un modèle. Il faut aussi regarder la taille et le signe des coefficients, la stabilité hors échantillon, la cohérence métier ou économique, et la sensibilité aux variables ajoutées ou retirées.

Qualité d'ajustement

MétriqueFormule / idéeLimite
Part de variance expliquéeAugmente mécaniquement quand on ajoute des variables

ajusté

Pénalise les variables inutilesReste une mesure intra-échantillon
RMSEErreur quadratique moyenne racineSensible aux grosses erreurs
MAEErreur absolue moyenneMoins sensible aux outliers, mais moins lisse

Diagnostics

DiagnosticSignal d'alerteConséquence
Résidus vs fittedStructure systématique, courbureNon-linéarité ou mauvaise spécification
HétéroscédasticitéDispersion croissante des résidusErreurs standards biaisées ; préférer HC-robust
MulticolinéaritéVIF élevé, coefficients instablesInterprétation difficile, variance gonflée
Points influentsLeverage, distance de Cook élevéeLe modèle dépend excessivement de quelques observations
AutocorrélationRésidus corrélés dans le tempsProblème fréquent en séries temporelles

Limites

  • La causalité ne découle pas d'une corrélation linéaire significative. - Les outliers peuvent fortement déplacer les coefficients. - La relation réelle peut être non linéaire ou dépendre d'interactions omises. - En présence de fuite d'information ou de mauvaise temporalité, l'inférence devient trompeuse. - La régression linéaire extrapole selon une droite ou un hyperplan, ce qui peut être économiquement absurde hors zone observée.

Extensions proches

ExtensionIdée
Régression polynomialeAjouter des puissances des variables pour capturer des courbures
InteractionsPermettre à l'effet d'une variable de dépendre d'une autre
Ridge / Lasso / Elastic NetRégularisation pour réduire variance et sélectionner les variables
WLS / GLSTraiter hétéroscédasticité ou corrélation des erreurs
Régression logistique

Version classification binaire, lien logit au lieu d'une cible continue

Régression linéaire comme baseline ML

En machine learning tabulaire, la régression linéaire reste une baseline essentielle :

  • rapide à entraîner
  • très interprétable
  • bon point de comparaison avant des modèles non linéaires
  • utile pour détecter si la complexité supplémentaire (arbres, boosting, réseaux) apporte réellement quelque chose

Elle devient particulièrement pertinente quand les données sont peu nombreuses, le bruit modéré et l'interprétation des coefficients importante.

Références

• statsmodels —

OLS

• scikit-learn —

LinearRegression