Оценка параметров линейной регрессии

Линейная регрессия сводится к нахождению уравнения вида:

(или ).

(3)

Рис. 2.1. График линии регрессии

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:

или .

(4)

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:

, (10)

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

Выпуск продукции тыс.ед.()	Затраты на производство, млн.руб.()
					31,1
					67,9

 

Продолжение таблицы 2.1

					141,6
					104,7
					178,4
					104,7
					141,6
Итого: 22					770,0

 

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:

 

.

(11)

 

Его значения находятся в границах: . Если b > 0, то при b < 0: .

Для оценки качества подбора линейной функции рассчитывается коэффициент детерминации как квадрат линейного коэффициента корреляции r². Он характеризует долю дисперсии результативного признака y, объясняемую регрессией, в общей дисперсии результативного признака:

.

(12)

 

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:

(13)

Необъясненная (остаточная) СКО

или, соответственно:

(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:

(14)

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

(18)

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

, (21)

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

. (22)

.

Доверительный интервал для b определяется как

(23)

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

 

Стандартная ошибка параметра определяется по формуле:

. (24)

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

. (25)

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

, (29)

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:

, (30)

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:

. (34)

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:

(36)

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:

, (41)

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:

(44)

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

, (45)

где .

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

. (46)

Проводя замену , получим:

. (47)

Наконец, следует отметить зависимость логистического типа:

. (48)

Графиком функции (48) является так называемая «кривая насыщения», которая имеет две горизонтальные асимптоты , и точку перегиба , а также точку пересечения с осью ординат

 

Рис. 2.2. Кривая насыщения

 

Уравнение (48) приводится к линейному виду заменами переменных .

Любое уравнение нелинейной регрессии, как и линейной зависимости, дополняется показателем корреляции, который в данном случае называется индексом корреляции:

(49)

Здесь - общая дисперсия результативного признака y, - остаточная дисперсия, определяемая по уравнению нелинейной регрессии .

Следует обратить внимание на то, что разности в соответствующих суммах и берутся не в преобразованных, а в исходных значениях результативного признака. Иначе говоря, при вычислении этих сумм следует использовать не преобразованные (линеаризованные) зависимости, а именно исходные нелинейные уравнения регрессии. Индекс корреляции (49) можно записать так:

(50)

Величина R находится в границах и чем ближе она к единице, тем теснее связь рассматриваемых признаков, тем более надежно найденное уравнение регрессии. При этом индекс корреляции совпадает с линейным коэффициентом корреляции в случае, когда преобразование переменных с целью линеаризации уравнения регрессии не проводится с величинами результативного признака.

Так обстоит дело с полулогарифмической и полиномиальной регрессией, а также с равносторонней гиперболой (33). Определив линейный коэффициент корреляции для линеаризованных уравнений, например, в пакете Excel с помощью функции ЛИНЕЙН, можно использовать его и для нелинейной зависимости.

Иначе обстоит дело в случае, когда преобразование проводится также с величиной y, например, взятие обратной величины или логарифмирование. Тогда значение R, вычисленное той же функцией ЛИНЕЙН, будет относиться к линеаризованному уравнению регрессии, а не к исходному нелинейному уравнению, и величины разностей под суммами в (50) будут относиться к преобразованным величинам, а не к исходным, что не одно и то же. При этом, как было сказано выше, для расчета R следует воспользоваться выражением (50), вычисленным по исходному нелинейному уравнению.

Поскольку в расчете индекса корреляции используется соотношение факторной и общей СКО, то R² имеет тот же смысл, что и коэффициент детерминации. В специальных исследованиях величину R² для нелинейных связей называют индексом детерминации.

Оценка существенности индекса корреляции проводится так же, как и оценка надежности коэффициента корреляции.

Индекс детерминации используется для проверки существенности в целом уравнения нелинейной регрессии по F -критерию Фишера:

 

, (51)

где n - число наблюдений, m - число параметров при переменных х.

Во всех рассмотренных нами случаях, кроме полиномиальной регрессии, , для полиномов (30) , т. е. степени полинома. Величина m характеризует число степеней свободы для факторной СКО, а – число степеней свободы для остаточной СКО.

 

Индекс детерминации R² можно сравнивать с коэффициентом детерминации r² для обоснования возможности применения линейной функции. Чем больше кривизна линии регрессии, тем больше разница между R² и r².

Близость этих показателей означает, что усложнять форму уравнения регрессии не следует и можно использовать линейную функцию. Практически, если величина не превышает 0,1, то линейная зависимость считается оправданной. В противном случае проводится оценка существенности различия показателей детерминации, вычисленных по одним и тем же данным, через t -критерий Стьюдента:

. (52)

Здесь в знаменателе находится ошибка разности , определяемая по формуле:

. (53)

 

 

Если , то различия между показателями корреляции существенны и замена нелинейной регрессии линейной нецелесообразна.

В заключение в таблице 2.2 приведем формулы расчета коэффициентов эластичности для наиболее распространенных уравнений регрессии.

Таблица 2.2

Вид уравнения регрессии	Коэффициент эластичности

 

Контрольные вопросы

1. В чем состоит суть метода наименьших квадратов?

2. В каком случае остаточная сумма квадратов равна нулю?

3. Объясненная (факторная) сумма квадратов отклонений в линейной парной модели имеет число степеней свободы, равное…

4. Остаточная сумма квадратов отклонений в линейной парной модели имеет число степеней свободы, равное…

5. На чем основан классический метод к оцениванию параметров регрессии?

6. Какое уравнение регрессии нельзя свести к линейному виду:

a)

b)

c)

7. Какие значения может принимать коэффициент корреляции ?

8. Какое из следующих уравнений нелинейно по оцениваемым параметрам:

a)

b)

c)

9. Для функции средний коэффициент эластичности имеет вид:

a)

b)

c)

 

3. ЛИНЕЙНАЯ МОДЕЛЬ МНОЖЕСТВЕННОЙ
РЕГРЕССИИ