Линейная регрессия и корреляция: смысл и оценка параметров.

ГЛАВА 3. МОДЕЛЬ МНОЖЕСТВЕННОЙ

ЛИНЕЙНОЙ РЕГРЕССИИ

Основные понятия и уравнения множественной регрессии

На любой экономический показатель чаще всего оказывает влияние не один, а несколько совокупно действующих факторов. Например, объем реализации (Y ) для предприятий оптовой торговли может определяться уровнем цен (Х 1), числом видов товаров (Х 2), размером торговой площади (Х 3) и товарных запасов (Х 4). В целом объем спроса на какой-либо товар определяется не только его ценой (Х 1), но и ценой на конкурирующие товары (Х 2), располагаемым доходом потребителей (Х 3), а также некоторыми другими факторами. Показатель инновационной активности современных предприятий зависит от затрат на исследования и разработки (Х 1), на приобретение новых технологий (Х 2), на приобретение программных продуктов и средств (Х 3) и обучение и переподготовку кадров . В этих случаях возникает необходимость рассмотрения моделей множественной (многофакторной, многомерной) регрессии .

Модель множественной линейной регрессии является естественным обобщением парной (однофакторной) линейной регрессионной модели. В общем случае ее теоретическое уравнение имеет вид:

где Х 1 , Х 2 ,…, Х m – набор независимых переменных (факторов-аргументов); b 0 , b 1 , …, b m – набор (m + 1) параметров модели, подлежащих определению; ε – случайное отклонение (ошибка); Y – зависимая (объясняемая) переменная.

Для индивидуального i -го наблюдения (i = 1, 2, …, n ) имеем:

. (3.3)

Здесь b j называется j -м теоретическим коэффициентом регрессии (частичным коэффициентом регрессии).

Аналогично случаю парной регрессии, истинные значения параметров (коэффициентов) b j по выборочным данным получить невозможно. Поэтому для определения статистической взаимосвязи переменных Y и Х 1 , Х 2 , …, Х m оценивается эмпирическое уравнение множественной регрессионной модели

в котором , – оценки соответствующих теоретических коэффициентов регрессии; е – оценка случайного отклонения ε.

Оцененное уравнение (3.4) в первую очередь должно описывать общий тренд (направление, тенденцию) изменения зависимой переменной Y . При этом необходимо иметь возможность рассчитать отклонения от этого тренда.

Для решения задачи определения оценок параметров множественной линейной регрессии по выборке объема n необходимо выполнение неравенства n ³ m + 1 (m – число регрессоров). В данном случае число v = n - m - 1 будет называться числом степеней свободы. Отсюда для парной регрессии имеем v = n - 2. Нетрудно заметить, что если число степеней свободы невелико, то и статистическая надежность оцениваемой формулы невысока. На практике принято считать, что достаточная надежность обеспечивается в том случае, когда число наблюдений по крайней мере в три раза превосходит число оцениваемых параметров k = m + 1. Обычно, статистическая значимость парной модели наблюдается при n ≥ 7.

Самым распространенным методом оценки параметров уравнения множественной линейной регрессионной модели является метод наименьших квадратов (МНК) . Напомним (см. раздел 2.4.1), что надежность оценок и статистических выводов, полученных с использованием МНК, обеспечивается при выполнении предпосылок Гаусса-Маркова. В случае множественной линейной регрессии к предпосылкам 1–4 необходимо добавить еще одну (пятую) – отсутствие мультиколлинеарности , что означает отсутствие линейной зависимости между объясняющими переменными в функциональной или статистической форме. Более подробно мультиколлинеарность объясняющих переменных будет рассмотрена в разделе (3.4). Модель, удовлетворяющая предпосылкам МНК, называется классической нормальной моделью множественной регрессии .

На практике часто бывает необходимо оценить силу влияния на зависимую переменную различных объясняющих (факторных) переменных. В этом случае используют стандартизованные коэффициенты регрессии и средние коэффициенты эластичности .

Стандартизированный коэффициент регрессии определяется по формуле:

(3.5)

где S (x j ) и S (y ) – выборочные средние квадратичные отклонения (стандарты) соответствующей объясняющей и зависимой переменных.

Средний коэффициент эластичности

(3.6)

показывает, на сколько процентов (от средней) изменится в среднем зависимая переменная Y при увеличении только j -й объясняющей переменной на 1 %.

Для модели с двумя объясняющими (факторными) переменными , после нахождения оценок , уравнение определяет плоскость в трехмерном пространстве. В общем случае m независимых переменных геометрической интерпретацией модели является гиперплоскость в гиперпространстве.

Оценка параметров регрессионной модели

Для нахождения оценок параметров b j множественной линейной регрессионной модели (коэффициентов эмпирического уравнения регрессии) используется метод наименьших квадратов (МНК). Суть МНК заключается в минимизации суммы квадратов отклонений наблюдаемых выборочных значений y i зависимой переменной Y от их модельных оценок . Отклонение е i , соответствующее уравнению регрессии в i -м наблюдении (i = 1, 2, …, n ), рассчитывается по формуле:

Тогда для нахождения коэффициентов по МНК минимизируется следующая функция m + 1 переменных:

. (3.8)

Необходимым условием минимума функции G является равенство нулю всех ее частных производных по Частные производные квадратичной функции (3.8) являются линейными функциями относительно параметров:

. (3.9)

Приравнивая (3.9) к нулю, получаем систему m + 1 линейных нормальных уравнений с m + 1 неизвестными для определения параметров модели:

(3.10)

где j = 1, 2, …, m – определяет набор регрессоров.

Следует заметить, что включение в модель новых объясняющих переменных усложняет расчет коэффициентов множественной линейной регрессии путем решения системы (3.10) по сравнению с парной моделью. Система из трех уравнений, соответствующая модели с двумя объясняющими переменными , может быть легко решена методом определителей. Однако в общем виде решение системы (3.10) и анализ множественной регрессионной модели наиболее целесообразно проводить в векторно-матричной форме .

Тогда, вводя матричные обозначения, запишем:

, , .

Здесь Y – n -мерный вектор-столбец наблюдений зависимой переменной; Х – матрица размерности n · (m + 1) значений объясняющих переменных x ij , в которой единица соответствует переменной при свободном члене ; – вектор-столбец размерности m + 1 оценок параметров модели (коэффициентов уравнения регрессии); е – вектор-столбец размерности n отклонений выборочных (реальных) значений y i зависимой переменной, от значений оценок , получаемых по уравнению регрессии.

В матричной форме модель (3.1) примет вид:

Y = XB + e. (3.11)

Оценкой этой модели по выборочным данным является уравнение (эмпирическая модель)

Предпосылки МНК (см. раздел 2.4.1.) в матричной форме можно записать следующим образом:

1. M (e) = 0; 2. D (e) = σ 2 I ; 3. Матрица ковариаций V (e) = M (e · e T ) = σ 2 E,

где e = – вектор-столбец случайных отклонений (ошибок);

I = – (n · 1) вектор;

E = E n × n = – единичная матрица;

– матрица ковариаций или ковариационная матрица вектора случайных отклонений, которая является многомерным аналогом дисперсии одной переменной и в которой, если предпосылка о некоррелированности отклонений e i и e j выполняется, все элементы, не лежащие на главной диагонали, равны нулю, а элементы главной диагонали равны одной и той же дисперсии D (e i ) = σ 2 ; 4. e – нормально распределенный случайный вектор, т. е. e ~ N (0, σ 2 Е); 5. r (X ) = m + 1 > n – детерминированная матрица объясняющих переменных (регрессоров) имеет ранг r , равный числу определяемых параметров модели m + 1, кроме того, число имеющихся наблюдений каждой из объясняющих переменных и зависимой переменной превосходит ранг матрицы Х .

Выполнение пятой предпосылки означает линейную независимость объясняющих переменных (линейную независимость столбцов матрицы Х ), т. е. отсутствие функциональной мультиколлинеарности.

Наша задача заключается в нахождении вектора оценок по МНК, который, при выполнении предпосылок 1–5, обладает наименьшим рассеянием относительно параметра B .

Воспользовавшись известными соотношениями матричной алгебры и правилами дифференцирования по векторному аргументу, получим необходимое условие минимума функции G (равенство нулю вектор-столбца частных производных )

Что такое регрессия?

Рассмотрим две непрерывные переменные x=(x 1 , x 2 , .., x n), y=(y 1 , y 2 , ..., y n).

Разместим точки на двумерном графике рассеяния и скажем, что мы имеем линейное соотношение , если данные аппроксимируются прямой линией.

Если мы полагаем, что y зависит от x , причём изменения в y вызываются именно изменениями в x , мы можем определить линию регрессии (регрессия y на x ), которая лучше всего описывает прямолинейное соотношение между этими двумя переменными.

Статистическое использование слова "регрессия" исходит из явления, известного как регрессия к среднему, приписываемого сэру Френсису Гальтону (1889).

Он показал, что, хотя высокие отцы имеют тенденцию иметь высоких сыновей, средний рост сыновей меньше, чем у их высоких отцов. Средний рост сыновей "регрессировал" и "двигался вспять" к среднему росту всех отцов в популяции. Таким образом, в среднем высокие отцы имеют более низких (но всё-таки высоких) сыновей, а низкие отцы имеют сыновей более высоких (но всё-таки довольно низких).

Линия регрессии

Математическое уравнение, которое оценивает линию простой (парной) линейной регрессии:

x называется независимой переменной или предиктором.

Y - зависимая переменная или переменная отклика. Это значение, которое мы ожидаем для y (в среднем), если мы знаем величину x , т.е. это «предсказанное значение y »

• a - свободный член (пересечение) линии оценки; это значение Y , когда x=0 (Рис.1).
• b - угловой коэффициент или градиент оценённой линии; она представляет собой величину, на которую Y увеличивается в среднем, если мы увеличиваем x на одну единицу.
• a и b называют коэффициентами регрессии оценённой линии, хотя этот термин часто используют только для b .

Парную линейную регрессию можно расширить, включив в нее более одной независимой переменной; в этом случае она известна как множественная регрессия .

Рис.1. Линия линейной регрессии, показывающая пересечение a и угловой коэффициент b (величину возрастания Y при увеличении x на одну единицу)

Метод наименьших квадратов

Мы выполняем регрессионный анализ, используя выборку наблюдений, где a и b - выборочные оценки истинных (генеральных) параметров, α и β , которые определяют линию линейной регрессии в популяции (генеральной совокупности).

Наиболее простым методом определения коэффициентов a и b является метод наименьших квадратов (МНК).

Подгонка оценивается, рассматривая остатки (вертикальное расстояние каждой точки от линии, например, остаток = наблюдаемому y - предсказанный y , Рис. 2).

Линию лучшей подгонки выбирают так, чтобы сумма квадратов остатков была минимальной.

Рис. 2. Линия линейной регрессии с изображенными остатками (вертикальные пунктирные линии) для каждой точки.

Предположения линейной регрессии

Итак, для каждой наблюдаемой величины остаток равен разнице и соответствующего предсказанного Каждый остаток может быть положительным или отрицательным.

Можно использовать остатки для проверки следующих предположений, лежащих в основе линейной регрессии:

• Остатки нормально распределены с нулевым средним значением;

Если допущения линейности, нормальности и/или постоянной дисперсии сомнительны, мы можем преобразовать или и рассчитать новую линию регрессии, для которой эти допущения удовлетворяются (например, использовать логарифмическое преобразование или др.).

Аномальные значения (выбросы) и точки влияния

"Влиятельное" наблюдение, если оно опущено, изменяет одну или больше оценок параметров модели (т.е. угловой коэффициент или свободный член).

Выброс (наблюдение, которое противоречит большинству значений в наборе данных) может быть "влиятельным" наблюдением и может хорошо обнаруживаться визуально, при осмотре двумерной диаграммы рассеяния или графика остатков.

И для выбросов, и для "влиятельных" наблюдений (точек) используют модели, как с их включением, так и без них, обращают внимание на изменение оценки (коэффициентов регрессии).

При проведении анализа не стоит отбрасывать выбросы или точки влияния автоматически, поскольку простое игнорирование может повлиять на полученные результаты. Всегда изучайте причины появления этих выбросов и анализируйте их.

Гипотеза линейной регрессии

При построении линейной регрессии проверяется нулевая гипотеза о том, что генеральный угловой коэффициент линии регрессии β равен нулю.

Если угловой коэффициент линии равен нулю, между и нет линейного соотношения: изменение не влияет на

Для тестирования нулевой гипотезы о том, что истинный угловой коэффициент равен нулю можно воспользоваться следующим алгоритмом:

Вычислить статистику критерия, равную отношению , которая подчиняется распределению с степенями свободы, где стандартная ошибка коэффициента

,

- оценка дисперсии остатков.

Обычно если достигнутый уровень значимости нулевая гипотеза отклоняется.

где процентная точка распределения со степенями свободы что дает вероятность двустороннего критерия

Это тот интервал, который содержит генеральный угловой коэффициент с вероятностью 95%.

Для больших выборок, скажем, мы можем аппроксимировать значением 1,96 (то есть статистика критерия будет стремиться к нормальному распределению)

Оценка качества линейной регрессии: коэффициент детерминации R 2

Из-за линейного соотношения и мы ожидаем, что изменяется, по мере того как изменяется , и называем это вариацией, которая обусловлена или объясняется регрессией. Остаточная вариация должна быть как можно меньше.

Если это так, то большая часть вариации будет объясняться регрессией, а точки будут лежать близко к линии регрессии, т.е. линия хорошо соответствует данным.

Долю общей дисперсии , которая объясняется регрессией называют коэффициентом детерминации , обычно выражают через процентное соотношение и обозначают R 2 (в парной линейной регрессии это величина r 2 , квадрат коэффициента корреляции), позволяет субъективно оценить качество уравнения регрессии.

Разность представляет собой процент дисперсии который нельзя объяснить регрессией.

Нет формального теста для оценки мы вынуждены положиться на субъективное суждение, чтобы определить качество подгонки линии регрессии.

Применение линии регрессии для прогноза

Можно применять регрессионную линию для прогнозирования значения по значению в пределе наблюдаемого диапазона (никогда не экстраполируйте вне этих пределов).

Мы предсказываем среднюю величину для наблюдаемых, которые имеют определенное значение путем подстановки этого значения в уравнение линии регрессии.

Итак, если прогнозируем как Используем эту предсказанную величину и ее стандартную ошибку, чтобы оценить доверительный интервал для истинной средней величины в популяции.

Повторение этой процедуры для различных величин позволяет построить доверительные границы для этой линии. Это полоса или область, которая содержит истинную линию, например, с 95% доверительной вероятностью.

Простые регрессионные планы

Простые регрессионные планы содержат один непрерывный предиктор. Если существует 3 наблюдения со значениями предиктора P , например, 7, 4 и 9, а план включает эффект первого порядка P , то матрица плана X будет иметь вид

а регрессионное уравнение с использованием P для X1 выглядит как

Y = b0 + b1 P

Если простой регрессионный план содержит эффект высшего порядка для P , например квадратичный эффект, то значения в столбце X1 в матрице плана будут возведены во вторую степень:

а уравнение примет вид

Y = b0 + b1 P2

Сигма -ограниченные и сверхпараметризованные методы кодирования не применяются по отношению к простым регрессионным планам и другим планам, содержащим только непрерывные предикторы (поскольку, просто не существует категориальных предикторов). Независимо от выбранного метода кодирования, значения непрерывных переменных увеличиваются в соответствующей степени и используются как значения для переменных X . При этом перекодировка не выполняется. Кроме того, при описании регрессионных планов можно опустить рассмотрение матрицы плана X , а работать только с регрессионным уравнением.

Пример: простой регрессионный анализ

Этот пример использует данные, представленные в таблице:

Рис. 3. Таблица исходных данных.

Данные составлены на основе сравнения переписей 1960 и 1970 в произвольно выбранных 30 округах. Названия округов представлены в виде имен наблюдений. Информация относительно каждой переменной представлена ниже:

Рис. 4. Таблица спецификаций переменных.

Задача исследования

Для этого примера будут анализироваться корреляция уровня бедности и степень, которая предсказывает процент семей, которые находятся за чертой бедности. Следовательно мы будем трактовать переменную 3 (Pt_Poor ) как зависимую переменную.

Можно выдвинуть гипотезу: изменение численности населения и процент семей, которые находятся за чертой бедности, связаны между собой. Кажется разумным ожидать, что бедность ведет к оттоку населения, следовательно, здесь будет отрицательная корреляция между процентом людей за чертой бедности и изменением численности населения. Следовательно мы будем трактовать переменную 1 (Pop_Chng ) как переменную-предиктор.

Просмотр результатов

Коэффициенты регрессии

Рис. 5. Коэффициенты регрессии Pt_Poor на Pop_Chng.

На пересечении строки Pop_Chng и столбца Парам. не стандартизованный коэффициент для регрессии Pt_Poor на Pop_Chng равен -0.40374 . Это означает, что для каждого уменьшения численности населения на единицу, имеется увеличение уровня бедности на.40374. Верхний и нижний (по умолчанию) 95% доверительные пределы для этого не стандартизованного коэффициента не включают ноль, так что коэффициент регрессии значим на уровне p<.05 . Обратите внимание на не стандартизованный коэффициент, который также является коэффициентом корреляции Пирсона для простых регрессионных планов, равен -.65, который означает, что для каждого уменьшения стандартного отклонения численности населения происходит увеличение стандартного отклонения уровня бедности на.65.

Распределение переменных

Коэффициенты корреляции могут стать существенно завышены или занижены, если в данных присутствуют большие выбросы. Изучим распределение зависимой переменной Pt_Poor по округам. Для этого построим гистограмму переменной Pt_Poor .

Рис. 6. Гистограмма переменной Pt_Poor.

Как вы можете заметить, распределение этой переменной заметно отличается от нормального распределения. Тем не менее, хотя даже два округа (два правых столбца) имеют высокий процент семей, которые находятся за чертой бедности, чем ожидалось в случае нормального распределения, кажется, что они находятся "внутри диапазона."

Рис. 7. Гистограмма переменной Pt_Poor.

Это суждение в некоторой степени субъективно. Эмпирическое правило гласит, что выбросы необходимо учитывать, если наблюдение (или наблюдения) не попадают в интервал (среднее ± 3 умноженное на стандартное отклонение). В этом случае стоит повторить анализ с выбросами и без, чтобы убедиться, что они не оказывают серьезного эффекта на корреляцию между членами совокупности.

Диаграмма рассеяния

Если одна из гипотез априори о взаимосвязи между заданными переменными, то ее полезно проверить на графике соответствующей диаграммы рассеяния.

Рис. 8. Диаграмма рассеяния.

Диаграмма рассеяния показывает явную отрицательную корреляцию (-.65 ) между двумя переменными. На ней также показан 95% доверительный интервал для линии регрессии, т.е., с 95% вероятностью линия регрессии проходит между двумя пунктирными кривыми.

Критерии значимости

Рис. 9. Таблица, содержащая критерии значимости.

Критерий для коэффициента регрессии Pop_Chng подтверждает, что Pop_Chng сильно связано с Pt_Poor , p<.001 .

Итог

На этом примере было показано, как проанализировать простой регрессионный план. Была также представлена интерпретация не стандартизованных и стандартизованных коэффициентов регрессии. Обсуждена важность изучения распределения откликов зависимой переменной, продемонстрирована техника определения направления и силы взаимосвязи между предиктором и зависимой переменной.

Линейная регрессия сводится к нахождению уравнения вида

Первое выражение позволяет по заданным значениям фактора x рассчитать теоретические значения результативного признака, подставляя в него фактические значения фактора x . На графике теоретические значения лежат на прямой, которая представляют собой линию регрессии.

Построение линейной регрессии сводится к оценке ее параметров- а и b . Классический подход к оцениванию параметров линейной регрессии основан на методе наименьших квадратов (МНК).

Для нахождения минимума надо вычислить частные производные суммы (4) по каждому из параметров - а и b - и приравнять их к нулю.

(5)

Преобразуем, получаем систему нормальных уравнений:

(6)

В этой системе n- объем выборки, суммы легко рассчитываются из исходных данных. Решаем систему относительно а и b , получаем:

(7)

. (8)

Выражение (7) можно записать в другом виде:

(9)

где ковариация признаков, дисперсия фактора x.

Параметр b называется коэффициентом регрессии. Его величина показывает среднее изменение результата с изменением фактора на одну единицу. Возможность четкой экономической интерпретации коэффициента регрессии сделала линейное уравнение регрессии достаточно распространенным в эконометрических исследованиях.

Формально a - значение y при x=0. Если x не имеет и не может иметь нулевого значения, то такая трактовка свободного члена a не имеет смысла. Параметр a может не иметь экономического содержания. Попытки экономически интерпретировать его могут привести к абсурду, особенно при a < 0. Интерпретировать можно лишь знак при параметре a. Если a > 0, то относительное изменение результата происходит медленнее, чем изменение фактора. Сравним эти относительные изменения:

< при > 0, > 0

Иногда линейное уравнение парной регрессии записывают для отклонений от средних значений:

где , . При этом свободный член равен нулю, что и отражено в выражении (10). Этот факт следует из геометрических соображений: уравнению регрессии отвечает та же прямая (3), но при оценке регрессии в отклонениях начало координат перемещается в точку с координатами . При этом в выражении (8) обе суммы будут равны нулю, что и повлечет равенство нулю свободного члена.

Рассмотрим в качестве примера по группе предприятий, выпускающих один вид продукции, функцию издержек

Табл. 1.

Система нормальных уравнений будет иметь вид:

Решая её, получаем a= -5,79, b=36,84.

Уравнение регрессии имеет вид:

Подставив в уравнение значения х , найдем теоретические значения y (последняя колонка таблицы).

Величина a не имеет экономического смысла. Если переменные x и y выразить через отклонения от средних уровней, то линия регрессии на графике пройдет через начало координат. Оценка коэффициента регрессии при этом не изменится:

, где , .

В качестве другого примера рассмотрим функцию потребления в виде:

,

где С- потребление, y –доход, K,L- параметры. Данное уравнение линейной регрессии обычно используется в увязке с балансовым равенством:

,

где I – размер инвестиций, r - сбережения.

Для простоты предположим, что доход расходуется на потребление и инвестиции. Таким образом, рассматривается система уравнений:

Наличие балансового равенства накладывает ограничения на величину коэффициента регрессии, которая не может быть больше единицы, т.е. .

Предположим, что функция потребления составила:

.

Коэффициент регрессии характеризует склонность к потреблению. Он показывает, что из каждой тысячи рублей дохода на потребление расходуется в среднем 650 руб., а 350 руб. инвестируется. Если рассчитать регрессию размера инвестиций от дохода, т.е. , то уравнение регрессии составит . Это уравнение можно и не определять, поскольку оно выводится из функции потребления. Коэффициенты регрессии этих двух уравнений связаны равенством:

Если коэффициент регрессии оказывается больше единицы, то , и на потребление расходуются не только доходы, но и сбережения.

Коэффициент регрессии в функции потребления используется для расчета мультипликатора:

Здесь m ≈2,86, поэтому дополнительные вложения 1 тыс. руб. на длительный срок приведут при прочих равных условиях к дополнительному доходу 2,86 тыс. руб.

При линейной регрессии в качестве показателя тесноты связи выступает линейный коэффициент корреляции r:

Его значения находятся в границах: . Если b > 0, то при b < 0 . По данным примера , что означает очень тесную зависимость затрат на производство от величины объема выпускаемой продукции.

Для оценки качества подбора линейной функции рассчитывается коэффициент детерминации как квадрат линейного коэффициента корреляции r 2 . Он характеризует долю дисперсии результативного признака y , объясняемую регрессией, в общей дисперсии результативного признака:

Величина характеризует долю дисперсии y , вызванную влиянием остальных, не учтенных в модели факторов.

В примере . Уравнением регрессии объясняется 98,2 % дисперсии , а на прочие факторы приходится 1,8 %, это остаточная дисперсия.

Предпосылки МНК (условия Гаусса-Маркова)

Как было сказано выше, связь между y и x в парной регрессии является не функциональной, а корреляционной. Поэтому оценки параметров a и b являются случайными величинами, свойства которых существенно зависят от свойств случайной составляющей ε. Для получения по МНК наилучших результатов необходимо выполнение следующих предпосылок относительно случайного отклонения (условия Гаусса – Маркова):

1 0 . Математическое ожидание случайного отклонения равно нулю для всех наблюдений: .

2 0 . Дисперсия случайных отклонений постоянна: .

Выполнимость данной предпосылки называется гомоскедастичностью (постоянством дисперсии отклонений). Невыполнимость данной предпосылки называется гетероскедастичностью (непостоянством дисперсии отклонений)

3 0 . Случайные отклонения ε i и ε j являются независимыми друг от друга для :

Выполнимость этого условия называется отсутствием автокорреляции .

4 0 . Случайное отклонение должно быть независимо от объясняющих переменных.

Обычно это условие выполняется автоматически, если объясняющие переменные в данной модели не являются случайными. Кроме того, выполнимость данной предпосылки для эконометрических моделей не столь критична по сравнению с первыми тремя.

При выполнимости указанных предпосылок имеет место теорема Гаусса -Маркова : оценки (7) и (8), полученные по МНК, имеют наименьшую дисперсию в классе всех линейных несмещенных оценок .

Таким образом, при выполнении условий Гаусса-Маркова оценки (7) и (8) являются не только несмещенными оценками коэффициентов регрессии, но и наиболее эффективными, т.е. имеют наименьшую дисперсию по сравнению с любыми другими оценками данных параметров, линейными относительно величин y i .

Именно понимание важности условий Гаусса-Маркова отличает компетентного исследователя, использующего регрессионный анализ, от некомпетентного. Если эти условия не выполнены, исследователь должен это сознавать. Если корректирующие действия возможны, то аналитик должен быть в состоянии их выполнить. Если ситуацию исправить невозможно, исследователь должен быть способен оценить, насколько серьезно это может повлиять на результаты.

Первое выражение позволяет по заданным значениям фактора x рассчитать теоретические значения результативного признака, подставляя в него фактические значения фактора x . На графике теоретические значения лежат на прямой, которые представляют собой линию регрессии (рис. 2.1).

Построение линейной регрессии сводится к оценке ее параметров а и b . Классический подход к оцениванию параметров линейной регрессии основан на методе наименьших квадратов (МНК).

МНК позволяет получить такие оценки параметров а и b, при которых сумма квадратов отклонений фактических значений от теоретических минимальна:

Для нахождения минимума надо вычислить частные производные суммы (4) по каждому из параметров – а и b – и приравнять их к нулю.

(5)

Преобразуем, получаем систему нормальных уравнений:

(6)

В этой системе n - объем выборки, суммы легко рассчитываются из исходных данных. Решаем систему относительно а и b , получаем:

(7)

. (8)

Выражение (7) можно записать в другом виде:

(9)

где ковариация признаков, дисперсия фактора x.

Параметр b называется коэффициентом регрессии. Его величина показывает среднее изменение результата с изменением фактора на одну единицу. Возможность четкой экономической интерпретации коэффициента регрессии сделала линейное уравнение парной регрессии достаточно распространенным в эконометрических исследованиях.

Формально a – значение y при x = 0. Если x не имеет и не может иметь нулевого значения, то такая трактовка свободного члена a не имеет смысла. Параметр a может не иметь экономического содержания. Попытки экономически интерпретировать его могут привести к абсурду, особенно при a < 0. Интерпретировать можно лишь знак при параметре a. Если a > 0, то относительное изменение результата происходит медленнее, чем изменение фактора. Сравним эти относительные изменения:

< при > 0, > 0 <

Иногда линейное уравнение парной регрессии записывают для отклонений от средних значений:

где , . При этом свободный член равен нулю, что и отражено в выражении (10). Этот факт следует из геометрических соображений: уравнению регрессии отвечает та же прямая (3), но при оценке регрессии в отклонениях начало координат перемещается в точку с координатами . При этом в выражении (8) обе суммы будут равны нулю, что и повлечет равенство нулю свободного члена.

Рассмотрим в качестве примера по группе предприятий, выпускающих один вид продукции, регрессионную зависимость издержек от выпуска продукции .

Таблица 2.1

Продолжение таблицы 2.1

Система нормальных уравнений будет иметь вид:

Решая её, получаем a = -5,79, b = 36,84.

Уравнение регрессии имеет вид:

Подставив в уравнение значения х , найдем теоретические значения y (последняя колонка таблицы).

Величина a не имеет экономического смысла. Если переменные x и y выразить через отклонения от средних уровней, то линия регрессии на графике пройдет через начало координат. Оценка коэффициента регрессии при этом не изменится:

, где , .

При линейной регрессии в качестве показателя тесноты связи выступает линейный коэффициент корреляции r:

Величина характеризует долю дисперсии y , вызванную влиянием остальных, не учтенных в модели факторов.

2.3. Предпосылки МНК (условия Гаусса-Маркова)

Связь между y и x в парной регрессии является не функциональной, а корреляционной. Поэтому оценки параметров a и b являются случайными величинами, свойства которых существенно зависят от свойств случайной составляющей ε. Для получения по МНК наилучших результатов необходимо выполнение следующих предпосылок относительно случайного отклонения (условия Гаусса-Маркова):

1. Математическое ожидание случайного отклонения равно нулю для всех наблюдений: .

2. Дисперсия случайных отклонений постоянна: .

Выполнимость данной предпосылки называется гомоскедастичностью - постоянством дисперсии отклонений. Невыполнимость данной предпосылки называется гетероскедастичностью - непостоянством дисперсии отклонений.

3. Случайные отклонения ε i и ε j являются независимыми друг от друга для :

Выполнимость этого условия называется отсутствием автокорреляции .

4. Случайное отклонение должно быть независимо от объясняющих переменных. Обычно это условие выполняется автоматически, если объясняющие переменные в данной модели не являются случайными. Кроме того, выполнимость данной предпосылки для эконометрических моделей не столь критична по сравнению с первыми тремя.

При выполнимости указанных предпосылок имеет место теорема Гаусса-Маркова : оценки (7) и (8), полученные по МНК, имеют наименьшую дисперсию в классе всех линейных несмещенных оценок .

Таким образом, при выполнении условий Гаусса- Маркова оценки (7) и (8) являются не только несмещенными оценками коэффициентов регрессии, но и наиболее эффективными, т. е. имеют наименьшую дисперсию по сравнению с любыми другими оценками данных параметров, линейными относительно величин y i .

Именно понимание важности условий Гаусса- Маркова отличает компетентного исследователя, использующего регрессионный анализ, от некомпетентного. Если эти условия не выполнены, исследователь должен это сознавать. Если корректирующие действия возможны, то аналитик должен быть в состоянии их выполнить. Если ситуацию исправить невозможно, исследователь должен быть способен оценить, насколько серьезно это может повлиять на результаты.

2.4. Оценка существенности параметров линейной
регрессии и корреляции

После того, как найдено уравнение линейной регрессии (3), проводится оценка значимости как уравнения в целом, так и отдельных его параметров.

Оценка значимости уравнения регрессии в целом дается с помощью F -критерия Фишера. При этом выдвигается нулевая гипотеза о том, что коэффициент регрессии равен нулю и, следовательно, фактор х не оказывает влияния на результат y.

Перед расчетом критерия проводятся анализ дисперсии. Можно показать, что общая сумма квадратов отклонений (СКО) y от среднего значения раскладывается на две части – объясненную и необъясненную:

(Общая СКО) =

Здесь возможны два крайних случая: когда общая СКО в точности равна остаточной и когда общая СКО равна факторной.

В первом случае фактор х не оказывает влияния на результат, вся дисперсия y обусловлена воздействием прочих факторов, линия регрессии параллельна оси Ох и .

Во втором случае прочие факторы не влияют на результат, y связан с x функционально, и остаточная СКО равна нулю.

Но на практике в правой части (13) присутствуют оба слагаемых. Пригодность линии регрессии для прогноза зависит от того, какая часть общей вариации y приходится на объясненную вариацию. Если объясненная СКО будет больше остаточной СКО, то уравнение регрессии статистически значимо и фактор х оказывает существенное воздействие на результат y . Это равносильно тому, что коэффициент детерминации будет приближаться к единице.

Число степеней свободы. (df-degrees of freedom ) - это число независимо варьируемых значений признака.

Для общей СКО требуется независимых отклонений, т. к. что позволяет свободно варьировать значений, а последнее n -е отклонение определяется из общей суммы, равной нулю. Поэтому .

Факторную СКО можно выразить так:

Эта СКО зависит только от одного параметра b, поскольку выражение под знаком суммы к значениям результативного признака не относится. Следовательно, факторная СКО имеет одну степень свободы, и

Для определения воспользуемся аналогией с балансовым равенством (11). Так же, как и в равенстве (11), можно записать равенство и между числами степеней свободы:

Таким образом, можем записать . Из этого баланса определяем, что

Разделив каждую СКО на свое число степеней свободы, получим средний квадрат отклонений, или дисперсию на одну степень свободы:

. (15)

. (16)

. (17)

Сопоставляя факторную и остаточную дисперсии в расчете на одну степень свободы, получим F -критерий для проверки нулевой гипотезы, которая в данном случае записывается как

Если справедлива, то дисперсии не отличаются друг от друга. Для необходимо опровержение, чтобы факторная дисперсия превышала остаточную в несколько раз.

Английским статистиком Снедекором разработаны таблицы критических значений F при разных уровнях существенности Снедекором и различных числах степеней свободы. Табличное значение F -критерия – это максимальная величина отношения дисперсий, которая может иметь место при случайном их расхождении для данного уровня вероятности наличия нулевой гипотезы.

При нахождении табличного значения F -критерия задается уровень значимости (обычно 0,05 или 0,01) и две степени свободы – числителя (она равна единице) и знаменателя, равная

Вычисленное значение F признается достоверным (отличным от единицы), если оно больше табличного, т. е. (α;1; ). В этом случае отклоняется и делается вывод о существенности превышения D факт над D остат. , т. е. о существенности статистической связи между y и x.

Если , то вероятность выше заданного уровня (например: 0,05), и эта гипотеза не может быть отклонена без серьезного риска сделать неправильный вывод о наличии связи между y и x. Уравнение регрессии считается статистически незначимым, не отклоняется.

Величина F -критерия связана с коэффициентом детерминации.

, (19)

В линейной регрессии обычно оценивается значимость не только уравнения в целом, но и отдельных его параметров.

Стандартная ошибка коэффициента регрессии определяется по формуле:

, (20)

Остаточная дисперсия на одну степень свободы (то же, что и ).

Величина стандартной ошибки совместно с t- распределением Стьюдента при степенях свободы применяется для проверки существенности коэффициента регрессии и для расчета его доверительных интервалов.

Величина коэффициента регрессии сравнивается с его стандартной ошибкой; определяется фактическое значение t- критерия Стьюдента

которое затем сравнивается с табличным значением при определенном уровне значимости α и числе степеней свободы . Здесь проверяется нулевая гипотеза в виде также предполагающая несущественность статистической связи между y и х , но только учитывающая значение b , а не соотношение между факторной и остаточной дисперсиями в общем балансе дисперсии результативного признака. Но общий смысл гипотез один и тот же: проверка наличия статистической связи между y и х или её отсутствия.

Если (α; ), то гипотеза должна быть отклонена, а статистическая связь y с х считается установленной. В случае (α; ) нулевая гипотеза не может быть отклонена, и влияние х на y признается несущественным.

Существует связь между и F :

Отсюда следует, что

Доверительный интервал для b определяется как

где – рассчитанное (оцененное) по МНК значение коэффициента регрессии.

Стандартная ошибка параметра определяется по формуле:

Процедура оценивания существенности a не отличается от таковой для параметра b . При этом фактическое значение t -критерия вычисляется по формуле:

Процедура проверки значимости линейного коэффициента корреляции отличается от процедур, приведенных выше. Это объясняется тем, что r как случайная величина распределена по нормальному закону лишь при большом числе наблюдений и малых значениях |r |. В этом случае гипотеза об отсутствии корреляционной связи между y и х проверяется на основе статистики

, (26)

которая при справедливости приблизительно распределена по закону Стьюдента с () степенями свободы. Если , то гипотеза отвергается с вероятностью ошибиться, не превышающей α . Из (19) видно, что в парной линейной регрессии . Кроме того, , поэтому . Таким образом, проверка гипотез о значимости коэффициентов регрессии и корреляции равносильна проверке гипотезы о существенности линейного уравнения регрессии.

Но при малых выборках и значениях r , близких к , следует учитывать, что распределение r как случайной величины отличается от нормального, и построение доверительных интервалов для r не может быть выполнено стандартным способом. В этом случае вообще легко прийти к противоречию, заключающемуся в том, что доверительный интервал будет содержать значения, превышающие единицу.

Чтобы обойти это затруднение, используется так называемое
z -преобразование Фишера:

, (27)

которое дает нормально распределенную величину z , значения которой при изменении r от –1 до +1 изменяются от -∞ до +∞. Стандартная ошибка этой величины равна:

. (28)

Для величины z имеются таблицы, в которых приведены её значения для соответствующих значений r .

Для z выдвигается нуль-гипотеза , состоящая в том, что корреляция отсутствует. В этом случае значения статистики

которая распределена по закону Стьюдента с () степенями свободы, не превышает табличного на соответствующем уровне значимости.

Для каждого значения z можно вычислить критические значения r . Таблицы критических значений r разработаны для уровней значимости 0,05 и 0,01 и соответствующего числа степеней свободы. Если вычисленное значение r превышает по абсолютной величине табличное, то данное значение r считается существенным. В противном случае фактическое значение несущественно.

2.5. Нелинейные модели регрессии
и их линеаризация

До сих пор мы рассматривали лишь линейную модель регрессионной зависимости y от x (3). В то же время многие важные связи в экономике являются нелинейными . Примерами такого рода регрессионных моделей являются производственные функции (зависимости между объемом произведенной продукции и основными факторами производства – трудом, капиталом и т. п.) и функции спроса (зависимости между спросом на какой-либо вид товаров или услуг, с одной стороны, и доходом и ценами на этот и другие товары – с другой).

При анализе нелинейных регрессионных зависимостей наиболее важным вопросом применения классического МНК является способ их линеаризации. В случае линеаризации нелинейной зависимости получаем линейное регрессионное уравнение типа (3), параметры которого оцениваются обычным МНК, после чего можно записать исходное нелинейное соотношение.

Несколько особняком в этом смысле стоит полиномиальная модель произвольной степени:

к которой обычный МНК можно применять без всякой предварительной линеаризации.

Рассмотрим указанную процедуру применительно к параболе второй степени:

. (31)

Такая зависимость целесообразна в случае, если для некоторого интервала значений фактора возрастающая зависимость меняется на убывающую или наоборот. В этом случае можно определить значение фактора, при котором достигается максимальное или минимальное значение результативного признака. Если исходные данные не обнаруживают изменение направленности связи, параметры параболы становятся трудно интерпретируемыми, и форму связи лучше заменить другими нелинейными моделями.

Применение МНК для оценки параметров параболы второй степени сводится к дифференцированию суммы квадратов остатков регрессии по каждому из оцениваемых параметров и приравниванию полученных выражений нулю. Получается система нормальных уравнений, число которых равно числу оцениваемых параметров, т. е. трем:

(32)

Решать эту систему можно любым способом, в частности, методом определителей.

Экстремальное значение функции наблюдается при значении фактора, равном:

Если , то имеет место максимум, т. е. зависимость сначала растет, а затем падает. Такого рода зависимости наблюдаются в экономике труда при изучении заработной платы работников физического труда, когда в роли фактора выступает возраст. При парабола имеет минимум, что обычно проявляется в удельных затратах на производство в зависимости от объема выпускаемой продукции.

В нелинейных зависимостях, неявляющихся классическими полиномами, обязательно проводится предварительная линеаризация, которая заключается в преобразовании или переменных, или параметров модели, или в комбинации этих преобразований. Рассмотрим некоторые классы таких зависимостей.

Зависимости гиперболического типа имеют вид:

. (33)

Примером такой зависимости является кривая Филлипса , констатирующая обратную зависимость процента прироста заработной платы от уровня безработицы. В этом случае значение параметра b будет больше нуля.

Другим примером зависимости (33) являются кривые Энгеля , формулирующие следующую закономерность: с ростом дохода доля доходов, расходуемых на продовольствие, уменьшается, а доля доходов, расходуемых на непродовольственные товары, будет возрастать. В этом случае а результативный признак в (33) показывает долю расходов на непродовольственные товары.

Линеаризация уравнения (33) сводится к замене фактора , и уравнение регрессии имеет вид (3), в котором вместо фактора х используем фактор z :

К такому же линейному уравнению сводится полулогарифмическая кривая:

, (35)

которая может быть использована для описания кривых Энгеля. Здесь ln(x ) заменяется на z и получается уравнение (34).

Достаточно широкий класс экономических показателей характеризуется приблизительно постоянным темпом относительного прироста во времени. Этому соответствуют зависимости показательного (экспоненциального) типа, которые записываются в виде:

или в виде

. (37)

Возможна и такая зависимость:

. (38)

В регрессиях типа (36) – (38) применяется один и тот же способ линеаризации – логарифмирование. Уравнение (36) приводится к виду:

. (39)

Замена переменной сводит его к линейному виду:

, (40)

где . Если Е удовлетворяет условиям Гаусса-Маркова, параметры уравнения (36) оцениваются по МНК из уравнения (40). Уравнение (37) приводится к виду:

который отличается от (39) только видом свободного члена, и линейное уравнение выглядит так:

, (42)

где . Параметры А и b получаются обычным МНК, затем параметр a в зависимости (37) получается как антилогарифм А . При логарифмировании (38) получаем линейную зависимость:

, (43)

где , а остальные обозначения те же, что и выше. Здесь также применяется МНК к преобразованным данным, а параметр b для (38) получается как антилогарифм коэффициента В .

Широко распространены в практике социально-экономических исследований степенные зависимости. Они используются для построения и анализа производственных функций. В функциях вида:

особенно ценным является то обстоятельство, что параметр b равен коэффициенту эластичности результативного признака по фактору х . Преобразуя (44) путем логарифмирования, получаем линейную регрессию:

, (45)

Еще одним видом нелинейности, приводимым к линейному виду, является обратная зависимость:

. (46)

Проводя замену , получим.

При оценке параметров уравнения регрессии применяется метод наименьших квадратов (МНК). При этом делаются определенные предпосылки относительно случайной составляющей e. В модели – случайная составляющая e представляет собой ненаблюдаемую величину. После того как произведена оценка параметров модели, рассчитывая разности фактических и теоретических значений результативного признака y , можно определить оценки случайной составляющей . Поскольку они не являются реальными случайными остатками, их можно считать некоторой выборочной реализацией неизвестного остатка заданного уравнения, т. е. ei.

При изменении спецификации модели, добавлении в нее новых наблюдений выборочные оценки остатков ei могут меняться. Поэтому в задачу регрессионного анализа входит не только построение самой модели, но и исследование случайных отклонений ei, т. е. остаточных величин.

При использовании критериев Фишера и Стьюдента делаются предположения относительно поведения остатков ei – остатки представляют собой независимые случайные величины и их среднее значение равно 0; они имеют одинаковую (постоянную) дисперсию и подчиняются нормальному распределению.

Статистические проверки параметров регрессии, показателей корреляции основаны на непроверяемых предпосылках распределения случайной составляющей ei. Они носят лишь предварительный характер. После построения уравнения регрессии проводится проверка наличия у оценок ei (случайных остатков) тех свойств, которые предполагались. Связано это с тем, что оценки параметров регрессии должны отвечать определенным критериям. Они должны быть несмещенными, состоятельными и эффективными. Эти свойства оценок, полученных по МНК, имеют чрезвычайно важное практическое значение в использовании результатов регрессии и корреляции.

Несмещенность оценки означает, что математическое ожидание остатков равно нулю. Если оценки обладают свойством несмещенности, то их можно сравнивать по разным исследованиям.

Оценки считаются эффективными , если они характеризуются наименьшей дисперсией. В практических исследованиях это означает возможность перехода от точечного оценивания к интервальному.

Состоятельность оценок характеризует увеличение их точности с увеличением объема выборки. Большой практический интерес представляют те результаты регрессии, для которых доверительный интервал ожидаемого значения параметра регрессии bi имеет предел значений вероятности, равный единице. Иными словами, вероятность получения оценки на заданном расстоянии от истинного значения параметра близка к единице.

Указанные критерии оценок (несмещенность, состоятельность и эффективность) обязательно учитываются при разных способах оценивания. Метод наименьших квадратов строит оценки регрессии на основе минимизации суммы квадратов остатков. Поэтому очень важно исследовать поведение остаточных величин регрессии ei. Условия, необходимые для получения несмещенных, состоятельных и эффективных оценок, представляют собой предпосылки МНК, соблюдение которых желательно для получения достоверных результатов регрессии.

Исследования остатков ei предполагают проверку наличия следующих пяти предпосылок МНК:

1. случайный характер остатков;

2. нулевая средняя величина остатков, не зависящая от xi;

3. гомоскедастичность – дисперсия каждого отклонения ei, одинакова для всех значений x ;

4. отсутствие автокорреляции остатков – значения остатков ei распределены независимо друг от друга;

5. остатки подчиняются нормальному распределению.

Если распределение случайных остатков ei не соответствует некоторым предпосылкам МНК, то следует корректировать модель.

Прежде всего, проверяется случайный характер остатков ei – первая предпосылка МНК. С этой целью стоится график зависимости остатков ei от теоретических значений результативного признака.