Построить регрессионные функции линейной зависимости. Расчёт коэффициентов уравнений линейной регрессии

Линейное уравнение регрессии имеет вид y = bx + a + ε
Здесь ε - случайная ошибка (отклонение, возмущение).
Причины существования случайной ошибки:
1. Невключение в регрессионную модель значимых объясняющих переменных;
2. Агрегирование переменных. Например, функция суммарного потребления – это попытка общего выражения совокупности решений отдельных индивидов о расходах. Это лишь аппроксимация отдельных соотношений, которые имеют разные параметры.
3. Неправильное описание структуры модели;
4. Неправильная функциональная спецификация;
5. Ошибки измерения.
Так как отклонения ε i для каждого конкретного наблюдения i – случайны и их значения в выборке неизвестны, то:
1) по наблюдениям x i и y i можно получить только оценки параметров α и β
2) Оценками параметров α и β регрессионной модели являются соответственно величины а и b, которые носят случайный характер, т.к. соответствуют случайной выборке;
Тогда оценочное уравнение регрессии (построенное по выборочным данным) будет иметь вид y = bx + a + ε, где e i – наблюдаемые значения (оценки) ошибок ε i , а и b соответственно оценки параметров α и β регрессионной модели, которые следует найти.
Для оценки параметров α и β - используют МНК (метод наименьших квадратов).
Система нормальных уравнений.

Для наших данных система уравнений имеет вид:

10a + 356b = 49
356a + 2135b = 9485

Из первого уравнения выражаем а и подставим во второе уравнение
Получаем b = 68.16, a = 11.17

Уравнение регрессии :
y = 68.16 x - 11.17

1. Параметры уравнения регрессии.
Выборочные средние.



Выборочные дисперсии.


Среднеквадратическое отклонение

1.1. Коэффициент корреляции
Рассчитываем показатель тесноты связи. Таким показателем является выборочный линейный коэффициент корреляции, который рассчитывается по формуле:

Линейный коэффициент корреляции принимает значения от –1 до +1.
Связи между признаками могут быть слабыми и сильными (тесными). Их критерии оцениваются по шкале Чеддока :
0.1 < r xy < 0.3: слабая;
0.3 < r xy < 0.5: умеренная;
0.5 < r xy < 0.7: заметная;
0.7 < r xy < 0.9: высокая;
0.9 < r xy < 1: весьма высокая;
В нашем примере связь между признаком Y фактором X весьма высокая и прямая.

1.2. Уравнение регрессии (оценка уравнения регрессии).

Линейное уравнение регрессии имеет вид y = 68.16 x -11.17
Коэффициентам уравнения линейной регрессии можно придать экономический смысл. Коэффициент уравнения регрессии показывает, на сколько ед. изменится результат при изменении фактора на 1 ед.
Коэффициент b = 68.16 показывает среднее изменение результативного показателя (в единицах измерения у) с повышением или понижением величины фактора х на единицу его измерения. В данном примере с увеличением на 1 единицу y повышается в среднем на 68.16.
Коэффициент a = -11.17 формально показывает прогнозируемый уровень у, но только в том случае, если х=0 находится близко с выборочными значениями.
Но если х=0 находится далеко от выборочных значений x , то буквальная интерпретация может привести к неверным результатам, и даже если линия регрессии довольно точно описывает значения наблюдаемой выборки, нет гарантий, что также будет при экстраполяции влево или вправо.
Подставив в уравнение регрессии соответствующие значения x , можно определить выровненные (предсказанные) значения результативного показателя y(x) для каждого наблюдения.
Связь между у и x определяет знак коэффициента регрессии b (если > 0 – прямая связь, иначе - обратная). В нашем примере связь прямая.

1.3. Коэффициент эластичности.
Коэффициенты регрессии (в примере b) нежелательно использовать для непосредственной оценки влияния факторов на результативный признак в том случае, если существует различие единиц измерения результативного показателя у и факторного признака х.
Для этих целей вычисляются коэффициенты эластичности и бета - коэффициенты. Коэффициент эластичности находится по формуле:


Он показывает, на сколько процентов в среднем изменяется результативный признак у при изменении факторного признака х на 1%. Он не учитывает степень колеблемости факторов.
В нашем примере коэффициент эластичности больше 1. Следовательно, при изменении Х на 1%, Y изменится более чем на 1%. Другими словами - Х существенно влияет на Y.
Бета – коэффициент показывает, на какую часть величины своего среднего квадратичного отклонения изменится в среднем значение результативного признака при изменении факторного признака на величину его среднеквадратического отклонения при фиксированном на постоянном уровне значении остальных независимых переменных:

Т.е. увеличение x на величину среднеквадратического отклонения этого показателя приведет к увеличению среднего Y на 0.9796 среднеквадратичного отклонения этого показателя.

1.4. Ошибка аппроксимации.
Оценим качество уравнения регрессии с помощью ошибки абсолютной аппроксимации.


Поскольку ошибка больше 15%, то данное уравнение не желательно использовать в качестве регрессии.

1.6. Коэффициент детерминации.
Квадрат (множественного) коэффициента корреляции называется коэффициентом детерминации, который показывает долю вариации результативного признака, объясненную вариацией факторного признака.
Чаще всего, давая интерпретацию коэффициента детерминации, его выражают в процентах.
R 2 = 0.98 2 = 0.9596
т.е. в 95.96 % случаев изменения x приводят к изменению у. Другими словами - точность подбора уравнения регрессии - высокая. Остальные 4.04 % изменения Y объясняются факторами, не учтенными в модели.

2. Оценка параметров уравнения регрессии.
2.1. Значимость коэффициента корреляции.

По таблице Стьюдента с уровнем значимости α=0.05 и степенями свободы k=7 находим t крит:
t крит = (7;0.05) = 1.895
где m = 1 - количество объясняющих переменных.
Если t набл > t критич, то полученное значение коэффициента корреляции признается значимым (нулевая гипотеза, утверждающая равенство нулю коэффициента корреляции, отвергается).
Поскольку t набл > t крит, то отклоняем гипотезу о равенстве 0 коэффициента корреляции. Другими словами, коэффициент корреляции статистически - значим
В парной линейной регрессии t 2 r = t 2 b и тогда проверка гипотез о значимости коэффициентов регрессии и корреляции равносильна проверке гипотезы о существенности линейного уравнения регрессии.

2.3. Анализ точности определения оценок коэффициентов регрессии.
Несмещенной оценкой дисперсии возмущений является величина:


S 2 y = 94.6484 - необъясненная дисперсия (мера разброса зависимой переменной вокруг линии регрессии).
S y = 9.7287 - стандартная ошибка оценки (стандартная ошибка регрессии).
S a - стандартное отклонение случайной величины a.


S b - стандартное отклонение случайной величины b.

2.4. Доверительные интервалы для зависимой переменной.
Экономическое прогнозирование на основе построенной модели предполагает, что сохраняются ранее существовавшие взаимосвязи переменных и на период упреждения.
Для прогнозирования зависимой переменной результативного признака необходимо знать прогнозные значения всех входящих в модель факторов.
Прогнозные значения факторов подставляют в модель и получают точечные прогнозные оценки изучаемого показателя. (a + bx p ± ε)
где

Рассчитаем границы интервала, в котором будет сосредоточено 95% возможных значений Y при неограниченно большом числе наблюдений и X p = 1 (-11.17 + 68.16*1 ± 6.4554)
(50.53;63.44)

Индивидуальные доверительные интервалы для Y при данном значении X .
(a + bx i ± ε)
где

С вероятностью 95% можно гарантировать, что значения Y при неограниченно большом числе наблюдений не выйдет за пределы найденных интервалов.

2.5. Проверка гипотез относительно коэффициентов линейного уравнения регрессии.
1) t-статистика. Критерий Стьюдента.
Проверим гипотезу H 0 о равенстве отдельных коэффициентов регрессии нулю (при альтернативе H 1 не равно) на уровне значимости α=0.05.
t крит = (7;0.05) = 1.895


Поскольку 12.8866 > 1.895, то статистическая значимость коэффициента регрессии b подтверждается (отвергаем гипотезу о равенстве нулю этого коэффициента).


Поскольку 2.0914 > 1.895, то статистическая значимость коэффициента регрессии a подтверждается (отвергаем гипотезу о равенстве нулю этого коэффициента).

Доверительный интервал для коэффициентов уравнения регрессии.
Определим доверительные интервалы коэффициентов регрессии, которые с надежность 95% будут следующими:
(b - t крит S b ; b + t крит S b)
(68.1618 - 1.895 5.2894; 68.1618 + 1.895 5.2894)
(58.1385;78.1852)
С вероятностью 95% можно утверждать, что значение данного параметра будут лежать в найденном интервале.
(a - t a)
(-11.1744 - 1.895 5.3429; -11.1744 + 1.895 5.3429)
(-21.2992;-1.0496)
С вероятностью 95% можно утверждать, что значение данного параметра будут лежать в найденном интервале.

2) F-статистики. Критерий Фишера.
Проверка значимости модели регрессии проводится с использованием F-критерия Фишера, расчетное значение которого находится как отношение дисперсии исходного ряда наблюдений изучаемого показателя и несмещенной оценки дисперсии остаточной последовательности для данной модели.
Если расчетное значение с lang=EN-US>n-m-1) степенями свободы больше табличного при заданном уровне значимости, то модель считается значимой.

где m – число факторов в модели.
Оценка статистической значимости парной линейной регрессии производится по следующему алгоритму:
1. Выдвигается нулевая гипотеза о том, что уравнение в целом статистически незначимо: H 0: R 2 =0 на уровне значимости α.
2. Далее определяют фактическое значение F-критерия:


где m=1 для парной регрессии.
3. Табличное значение определяется по таблицам распределения Фишера для заданного уровня значимости, принимая во внимание, что число степеней свободы для общей суммы квадратов (большей дисперсии) равно 1 и число степеней свободы остаточной суммы квадратов (меньшей дисперсии) при линейной регрессии равно n-2.
4. Если фактическое значение F-критерия меньше табличного, то говорят, что нет основания отклонять нулевую гипотезу.
В противном случае, нулевая гипотеза отклоняется и с вероятностью (1-α) принимается альтернативная гипотеза о статистической значимости уравнения в целом.
Табличное значение критерия со степенями свободы k1=1 и k2=7, Fkp = 5.59
Поскольку фактическое значение F > Fkp, то коэффициент детерминации статистически значим (Найденная оценка уравнения регрессии статистически надежна).

Проверка на наличие автокорреляции остатков .
Важной предпосылкой построения качественной регрессионной модели по МНК является независимость значений случайных отклонений от значений отклонений во всех других наблюдениях. Это гарантирует отсутствие коррелированности между любыми отклонениями и, в частности, между соседними отклонениями.
Автокорреляция (последовательная корреляция) определяется как корреляция между наблюдаемыми показателями, упорядоченными во времени (временные ряды) или в пространстве (перекрестные ряды). Автокорреляция остатков (отклонений) обычно встречается в регрессионном анализе при использовании данных временных рядов и очень редко при использовании перекрестных данных.
В экономических задачах значительно чаще встречается положительная автокорреляция , нежели отрицательная автокорреляция . В большинстве случаев положительная автокорреляция вызывается направленным постоянным воздействием некоторых неучтенных в модели факторов.
Отрицательная автокорреляция фактически означает, что за положительным отклонением следует отрицательное и наоборот. Такая ситуация может иметь место, если ту же зависимость между спросом на прохладительные напитки и доходами рассматривать по сезонным данным (зима-лето).
Среди основных причин, вызывающих автокорреляцию , можно выделить следующие:
1. Ошибки спецификации. Неучет в модели какой-либо важной объясняющей переменной либо неправильный выбор формы зависимости обычно приводят к системным отклонениям точек наблюдения от линии регрессии, что может обусловить автокорреляцию.
2. Инерция. Многие экономические показатели (инфляция, безработица, ВНП и т.д.) обладают определенной цикличностью, связанной с волнообразностью деловой активности. Поэтому изменение показателей происходит не мгновенно, а обладает определенной инертностью.
3. Эффект паутины. Во многих производственных и других сферах экономические показатели реагируют на изменение экономических условий с запаздыванием (временным лагом).
4. Сглаживание данных. Зачастую данные по некоторому продолжительному временному периоду получают усреднением данных по составляющим его интервалам. Это может привести к определенному сглаживанию колебаний, которые имелись внутри рассматриваемого периода, что в свою очередь может служить причиной автокорреляции.
Последствия автокорреляции схожи с последствиями гетероскедастичности : выводы по t- и F-статистикам, определяющие значимость коэффициента регрессии и коэффициента детерминации, возможно, будут неверными.

Обнаружение автокорреляции

1. Графический метод
Есть ряд вариантов графического определения автокорреляции. Один из них увязывает отклонения e i с моментами их получения i. При этом по оси абсцисс откладывают либо время получения статистических данных, либо порядковый номер наблюдения, а по оси ординат – отклонения e i (либо оценки отклонений).
Естественно предположить, что если имеется определенная связь между отклонениями, то автокорреляция имеет место. Отсутствие зависимости скоре всего будет свидетельствовать об отсутствии автокорреляции.
Автокорреляция становится более наглядной, если построить график зависимости e i от e i-1 .

Критерий Дарбина-Уотсона .
Этот критерий является наиболее известным для обнаружения автокорреляции.
При статистическом анализе уравнения регрессии на начальном этапе часто проверяют выполнимость одной предпосылки: условия статистической независимости отклонений между собой. При этом проверяется некоррелированность соседних величин e i .

Понятие регрессии . Зависимость между переменными величинами x и y может быть описана разными способами. В частности, любую форму связи можно выразить уравнением общего вида , гдеy рассматривается в качестве зависимой переменной, или функции от другой – независимой переменной величины x, называемой аргументом . Соответствие между аргументом и функцией может быть задано таблицей, формулой, графиком и т.д. Изменение функции в зависимости от изменения одного или нескольких аргументов называется регрессией . Все средства, применяемые для описания корреляционных связей, составляет содержание регрессионного анализа .

Для выражения регрессии служат корреляционные уравнения, или уравнения регрессии, эмпирические и теоретически вычисленные ряды регрессии, их графики, называемые линиями регрессии, а также коэффициенты линейной и нелинейной регрессии.

Показатели регрессии выражают корреляционную связь двусторонне, учитывая изменение усредненных значений признакаY при изменении значений x i признака X , и, наоборот, показывают изменение средних значений признакаX по измененным значениям y i признака Y . Исключение составляют временные ряды, или ряды динамики, показывающие изменение признаков во времени. Регрессия таких рядов является односторонней.

Различных форм и видов корреляционных связей много. Задача сводится к тому, чтобы в каждом конкретном случае выявить форму связи и выразить ее соответствующим корреляционным уравнением, что позволяет предвидеть возможные изменения одного признака Y на основании известных изменений другого X , связанного с первым корреляционно.

12.1 Линейная регрессия

Уравнение регрессии. Результаты наблюдений, проведенных над тем или иным биологическим объектом по корреляционно связанным признакам x и y , можно изобразить точками на плоскости, построив систему прямоугольных координат. В результате получается некая диаграмма рассеяния, позволяющая судить о форме и тесноте связи между варьирующими признаками. Довольно часто эта связь выглядит в виде прямой или может быть аппроксимирована прямой линией.

Линейная зависимость между переменными x и y описывается уравнением общего вида , гдеa, b, c, d, … – параметры уравнения, определяющие соотношения между аргументами x 1 , x 2 , x 3 , …, x m и функций .

В практике учитывают не все возможные, а лишь некоторые аргументы, в простейшем случае – всего один:

В уравнении линейной регрессии (1) a – свободный член, а параметр b определяет наклон линии регрессии по отношению к осям прямоугольных координат. В аналитической геометрии этот параметр называют угловым коэффициентом , а в биометрии – коэффициентом регрессии . Наглядное представление об этом параметре и о положении линий регрессии Y по X и X по Y в системе прямоугольных координат дает рис.1.

Рис. 1 Линии регрессии Y по X и X поY в системе

прямоугольных координат

Линии регрессии, как показано на рис.1, пересекаются в точке О (,), соответствующей средним арифметическим значениям корреляционно связанных друг с другом признаковY и X . При построении графиков регрессии по оси абсцисс откладывают значения независимой переменной X, а по оси ординат – значения зависимой переменной, или функции Y. Линия АВ, проходящая через точку О (,) соответствует полной (функциональной) зависимости между переменными величинамиY и X , когда коэффициент корреляции . Чем сильнее связь междуY и X , тем ближе линии регрессии к АВ, и, наоборот, чем слабее связь между этими величинами, тем более удаленными оказываются линии регрессии от АВ. При отсутствии связи между признаками линии регрессии оказываются под прямым углом по отношению друг к другу и .

Поскольку показатели регрессии выражают корреляционную связь двусторонне, уравнение регрессии (1) следует записывать так:

По первой формуле определяют усредненные значения при изменении признакаX на единицу меры, по второй – усредненные значения при изменении на единицу меры признакаY .

Коэффициент регрессии. Коэффициент регрессии показывает, насколько в среднем величина одного признака y изменяется при изменении на единицу меры другого, корреляционно связанного с Y признака X . Этот показатель определяют по формуле

Здесь значения s умножают на размеры классовых интервалов λ , если их находили по вариационным рядам или корреляционным таблицам.

Коэффициент регрессии можно вычислить минуя расчет средних квадратичных отклонений s y и s x по формуле

Если же коэффициент корреляции неизвестен, коэффициент регрессии определяют следующим образом:

Связь между коэффициентами регрессии и корреляции. Сравнивая формулы (11.1) (тема 11) и (12.5), видим: в их числителе одна и та же величина , что указывает на наличие связи между этими показателями. Эта связь выражается равенством

Таким образом, коэффициент корреляции равен средней геометрической из коэффициентов b yx и b xy . Формула (6) позволяет, во-первых, по известным значениям коэффициентов регрессии b yx и b xy определять коэффициент регрессии R xy , а во-вторых, проверять правильность расчета этого показателя корреляционной связи R xy между варьирующими признаками X и Y .

Как и коэффициент корреляции, коэффициент регрессии характеризует только линейную связь и сопровождается знаком плюс при положительной и знаком минус при отрицательной связи.

Определение параметров линейной регрессии. Известно, что сумма квадратов отклонений вариант x i от средней есть величина наименьшая, т.е.. Эта теорема составляет основу метода наименьших квадратов. В отношении линейной регрессии [см. формулу (1)] требованию этой теоремы удовлетворяет некоторая система уравнений, называемыхнормальными :

Совместное решение этих уравнений относительно параметров a и b приводит к следующим результатам:

;

;

, откуда и.

Учитывая двусторонний характер связи между переменными Y и X , формулу для определения параметра а следует выразить так:

и . (7)

Параметр b , или коэффициент регрессии, определяют по следующим формулам:

Построение эмпирических рядов регрессии. При наличии большого числа наблюдений регрессионный анализ начинается с построения эмпирических рядов регрессии. Эмпирический ряд регрессии образуется путем вычисления по значениям одного варьирующего признака X средних значений другого, связанного корреляционно сX признака Y . Иными словами, построение эмпирических рядов регрессии сводится к нахождению групповых средних ииз соответствующих значений признаковY и X.

Эмпирический ряд регрессии – это двойной ряд чисел, которые можно изобразить точками на плоскости, а затем, соединив эти точки отрезками прямой, получить эмпирическую линию регрессии. Эмпирические ряды регрессии, особенно их графики, называемые линиями регрессии , дают наглядное представление о форме и тесноте корреляционной зависимости между варьирующими признаками.

Выравнивание эмпирических рядов регрессии. Графики эмпирических рядов регрессии оказываются, как правило, не плавно идущими, а ломаными линиями. Это объясняется тем, что наряду с главными причинами, определяющими общую закономерность в изменчивости коррелируемых признаков, на их величине сказывается влияние многочисленных второстепенных причин, вызывающих случайные колебания узловых точек регрессии. Чтобы выявить основную тенденцию (тренд) сопряженной вариации коррелируемых признаков, нужно заменить ломанные линии на гладкие, плавно идущие линии регрессии. Процесс замены ломанных линий на плавно идущие называют выравниванием эмпирических рядов и линий регрессий .

Графический способ выравнивания. Это наиболее простой способ, не требующий вычислительной работы. Его сущность сводится к следующему. Эмпирический ряд регрессии изображают в виде графика в системе прямоугольных координат. Затем визуально намечаются средние точки регрессии, по которым с помощью линейки или лекала проводят сплошную линию. Недостаток этого способа очевиден: он не исключает влияние индивидуальных свойств исследователя на результаты выравнивания эмпирических линий регрессии. Поэтому в тех случаях, когда необходима более высокая точность при замене ломанных линий регрессии на плавно идущие, используют другие способы выравнивания эмпирических рядов.

Способ скользящей средней. Суть этого способа сводится к последовательному вычислению средних арифметических из двух или трех соседних членов эмпирического ряда. Этот способ особенно удобен в тех случаях, когда эмпирический ряд представлен большим числом членов, так что потеря двух из них – крайних, что неизбежно при этом способе выравнивания, заметно не отразится на его структуре.

Метод наименьших квадратов. Этот способ предложен в начале XIX столетия А.М. Лежандром и независимо от него К. Гауссом. Он позволяет наиболее точно выравнивать эмпирические ряды. Этот метод, как было показано выше, основан на предположении, что сумма квадратов отклонений вариант x i от их средней есть величина минимальная, т.е.. Отсюда и название метода, который применяется не только в экологии, но и в технике. Метод наименьших квадратов объективен и универсален, его применяют в самых различных случаях при отыскании эмпирических уравнений рядов регрессии и определении их параметров.

Требование метода наименьших квадратов заключается в том, что теоретические точки линии регрессии должны быть получены таким образом, чтобы сумма квадратов отклонений от этих точек для эмпирических наблюденийy i была минимальной, т.е.

Вычисляя в соответствии с принципами математического анализа минимум этого выражения и определенным образом преобразуя его, можно получить систему так называемых нормальных уравнений , в которых неизвестными величинами оказываются искомые параметры уравнения регрессии, а известные коэффициенты определяются эмпирическими величинами признаков, обычно суммами их значений и их перекрестных произведений.

Множественная линейная регрессия. Зависимость между несколькими переменными величинами принято выражать уравнением множественной регрессии, которая может быть линейной и нелинейной . В простейшем виде множественная регрессия выражается уравнением с двумя независимыми переменными величинами (x , z ):

где a – свободный член уравнения; b и c – параметры уравнения. Для нахождения параметров уравнения (10) (по способу наименьших квадратов) применяют следующую систему нормальных уравнений:

Ряды динамики. Выравнивание рядов. Изменение признаков во времени образует так называемые временные ряды или ряды динамики . Характерной особенностью таких рядов является то, что в качестве независимой переменной X здесь всегда выступает фактор времени, а зависимой Y – изменяющийся признак. В зависимости от рядов регрессии зависимость между переменными X и Y носит односторонний характер, так как фактор времени не зависит от изменчивости признаков. Несмотря на указанные особенности, ряды динамики можно уподобить рядам регрессии и обрабатывать их одними и теми же методами.

Как и ряды регрессии, эмпирические ряды динамики несут на себе влияние не только основных, но и многочисленных второстепенных (случайных) факторов, затушевывающих ту главную тенденцию в изменчивости признаков, которая на языке статистики называют трендом .

Анализ рядов динамики начинается с выявления формы тренда. Для этого временной ряд изображают в виде линейного графика в системе прямоугольных координат. При этом по оси абсцисс откладывают временные точки (годы, месяцы и другие единицы времени), а по оси ординат – значения зависимой переменной Y. При наличии линейной зависимости между переменными X и Y (линейного тренда) для выравнивания рядов динамики способом наименьших квадратов наиболее подходящим является уравнение регрессии в виде отклонений членов ряда зависимой переменной Y от средней арифметической ряда независимой переменнойX:

Здесь – параметр линейной регрессии.

Числовые характеристики рядов динамики. К числу основных обобщающих числовых характеристик рядов динамики относят среднюю геометрическую и близкую к ней среднюю арифметическуювеличины. Они характеризуют среднюю скорость, с какой изменяется величина зависимой переменной за определенные периоды времени:

Оценкой изменчивости членов ряда динамики служит среднее квадратическое отклонение . При выборе уравнений регрессии для описания рядов динамики учитывают форму тренда, которая может быть линейной (или приведена к линейной) и нелинейной. О правильности выбора уравнения регрессии обычно судят по сходству эмпирически наблюденных и вычисленных значений зависимой переменной. Более точным в решении этой задачи является метод дисперсионного анализа регрессии (тема 12 п.4).

Корреляция рядов динамики. Нередко приходится сопоставлять динамику параллельно идущих временных рядов, связанных друг с другом некоторыми общими условиями, например выяснить связь между производством сельскохозяйственной продукции и ростом поголовья скота за определенный промежуток времени. В таких случаях характеристикой связи между переменными X и Y служит коэффициент корреляции R xy (при наличии линейного тренда).

Известно, что тренд рядов динамики, как правило, затушевывается колебаниями членов ряда зависимой переменной Y. Отсюда возникает задача двоякого рода: измерение зависимости между сопоставляемыми рядами, не исключая тренд, и измерение зависимости между соседними членами одного и того же ряда, исключая тренд. В первом случае показателем тесноты связи между сопоставляемыми рядами динамики служит коэффициент корреляции (если связь линейна), во втором – коэффициент автокорреляции . Эти показатели имеют разные значения, хотя и вычисляются по одним и тем же формулам (см. тему 11).

Нетрудно заметить, что на значении коэффициента автокорреляции сказывается изменчивость членов ряда зависимой переменной: чем меньше члены ряда отклоняются от тренда, тем выше коэффициент автокорреляции, и наоборот.

Задача.

По предприятиям легкой промышленности региона получена информация, характеризующая зависимость объема выпуска продукции (Y, млн. руб.) от объема капиталовложений (Y, млн. руб.).

Таблица 1.

Зависимость объема выпуска продукции от объема капиталовложений.

Требуется :

1. Найти параметры уравнения линейной регрессии , дать экономическую интерпретацию коэффициента регрессии.

2. Вычислить остатки; найти остаточную сумму квадратов; оценить дисперсию остатков ; построить график остатков.

3. Проверить выполнение предпосылок МНК.

4. Осуществить проверку значимости параметров уравнения регрессии с помощью t-критерия Стьюдента (α = 0,05).

5. Вычислить коэффициент детерминации, проверить значимость уравнения регрессии с помощью F - критерия Фишера (α = 0,05), найти среднюю относительную ошибку аппроксимации . Сделать вывод о качестве модели.

6. Осуществить прогнозирование среднего значения показателя Y при уровне значимости α = 0,1, если прогнозное значения фактора Х составит 80% от его максимального значения.

7. Представить графически фактические и модельные значения Y точки прогноза.

8. Составить уравнения нелинейной регрессии и построить их графики:

Гиперболической;

Степенной;

Показательной.

9. Для указанных моделей найти коэффициенты детерминации и средние относительные ошибки аппроксимации. Сравнить модели по этим характеристикам и сделать вывод.

Найдем параметры уравнения линейной регрессии и дадим экономическую интерпретацию коэффициента регрессии.

Уравнение линейной регрессии имеет вид: ,

Вычисления для нахождения параметров a и b приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Расчет значений для нахождения параметров уравнения линейной регрессии.

Уравнение регрессии имеет вид: y = 13,8951 + 2,4016*x.

С увеличением объема капиталовложений (X) на 1 млн. руб. объем выпускаемой продукции (Y) увеличится в среднем на 2,4016 млн. руб. Таким образом, наблюдается положительная корреляция признаков, что свидетельствует об эффективности работы предприятий и выгодности капиталовложений в их деятельность.

2. Вычислим остатки; найдем остаточную сумму квадратов; оценим дисперсию остатков и построим график остатков.

Остатки вычисляются по формуле: e i = y i - y прогн.

Остаточная сумма квадратов отклонений: = 207,74.

Дисперсия остатков: 25.97.

Расчеты приведены в таблице 3.

Таблица 3.

График остатков имеет вид:

Рис.1. График остатков

3. Проверим выполнение предпосылок МНК, который включает элементы:

- проверка равенства математического ожидания случайной составляющей нулю;

- случайный характер остатков;

- проверка независимости;

- соответствие ряда остатков нормальному закону распределения.

Проверка равенства математического ожидания уровней ряда остатков нулю.

Осуществляется в ходе проверки соответствующей нулевой гипотезы H 0: . С этой целью строится t-статистика , где .

, таким образом, гипотеза принимается.

Случайный характер остатков.

Проверим случайность уровней ряда остатков с помощью критерия поворотных точек:

Количество поворотных точек определяем по таблице остатков:

= 6 > , следовательно, свойство случайности остатков выполняется.

Независимость остатков проверяется с помощью критерия Дарбина - Уотсона :

=4 - 1,707 = 2,293.

Так как попало в интервал от d 2 до 2, то по данному критерию можно сделать вывод о выполнении свойства независимости. Это означает, что в ряде динамики не имеется автокорреляции, следовательно, модель по этому критерию адекватна.

Соответствие ряда остатков нормальному закону распределения определяется с помощью R/S-критерия с критическими уровнями (2,7-3,7);

Рассчитаем значение RS:

RS = (e max - e min)/ S,

где e max - максимальное значение уровней ряда остатков E(t) = 8,07;

e min - минимальное значение уровней ряда остатков E(t) = -6,54.

S - среднеквадратическое отклонение, = 4,8044.

RS = (e max - e min)/ S= (8,07 + 6,54)/4,8044 = 3,04.

Так как 2,7 < 3,04 < 3,7, и полученное значение RS попало в за-данный интервал, значит, выполняется свойство нормальности распределения.

Таким образом, рассмотрев различные критерии выполнения предпосылок МНК, приходим к выводу, что предпосылки МНК выполняются.

4. Осуществим проверку значимости параметров уравнения регрессии с помощью t-критерия Стьюдента α = 0,05.

Проверка значимости отдельных коэффициентов регрессии связана с определением расчетных значений t-критерия (t-статистики) для соответствующих коэффициентов регрессии:

Затем расчетные значения сравниваются с табличными t табл = 2,3060. Табличное значение критерия определяется при (n- 2) степенях свободы (n - число наблюдений) и соответствующем уровне значимости a (0,05)

Если расчетное значение t-критерия с (n- 2) степенями сво-боды превосходит его табличное значение при заданном уровне зна-чимости, коэффициент регрессии считается значимым.

В нашем случае коэффициенты регрессии a 0 - незначимый, а 1 - значимый коэффициенты.

Парная линейная регрессия

ПРАКТИКУМ

Парная линейная регрессия: Практикум. –

Изучение эконометрики предполагает приобретение студентами опыта построения эконометрических моделей, принятия решений о спецификации и идентификации модели, выбора метода оценки параметров модели, оценки ее качества, интерпретации результатов, получения прогнозных оценок и пр. Практикум поможет студентам приобрести практические навыки в этих вопросах.

Утверждено редакционно-издательским советом

Составитель: М.Б. Перова, д.э.н., профессор

Общие положения

Эконометрическое исследование начинается с теории, устанавливающей связь между явлениями. Из всего круга факторов, влияющих на результативный признак, выделяются наиболее существенные факторы. После того, как было выявлено наличие взаимосвязи между изучаемыми признаками, определяется точный вид этой зависимости с помощью регрессионного анализа.

Регрессионный анализ заключается в определении аналитического выражения (в определении функции), в котором изменение одной величины (результативного признака) обусловлено влиянием независимой величины (факторного признака). Количественно оценить данную взаимосвязь можно с помощью построения уравнения регрессии или регрессионной функции.

Базисной регрессионной моделью является модель парной (однофакторной) регрессии. Парная регрессия – уравнение связи двух переменных у и х :

где – зависимая переменная (результативный признак);

–независимая, объясняющая переменная (факторный признак).

В зависимости от характера изменения у с изменением х различают линейные и нелинейные регрессии.

Линейная регрессия

Данная регрессионная функция называется полиномом первой степени и используется для описания равномерно развивающихся во времени процессов.

Наличие случайного члена (ошибки регрессии) связано с воздействием на зависимую переменную других неучтенных в уравнении факторов, с возможной нелинейностью модели, ошибками измерения, следовательно, появлениеслучайной ошибки уравнения регрессии может быть обусловлено следующими объективными причинами :

1) нерепрезентативность выборки. В модель парной регрессии включается фактор, не способный полностью объяснить вариацию результативного признака, который может быть подвержен влиянию многих других факторов (пропущенных переменных) в гораздо большей степени. Наприем, заработная плата может зависеть, кроме квалификации, от уровня образования, стажа работы, пола и пр.;

2) существует вероятность того, что переменные, участвующие в модели, могут быть измерены с ошибкой. Например, данные по расходам семьи на питание составляются на основании записей участников опросов, которые, как предполагается, тщательно фиксируют свои ежедневные расходы. Разумеется, при этом возможны ошибки.

На основе выборочного наблюдения оценивается выборочное уравнение регрессии (линия регрессии ):

,

где
– оценки параметров уравнения регрессии (
).

Аналитическая форма зависимости между изучаемой парой признаков (регрессионная функция) определяется с помощью следующих методов :

На основе теоретического и логического анализа природы изучаемых явлений, их социально-экономической сущности. Например, если изучается зависимость между доходами населения и размером вкладов населения в банки, то очевидно, что связь прямая.

Графический метод , когда характер связи оценивается визуально.

Эту зависимость можно наглядно увидеть, если построить график, отложив на оси абсцисс значения признака х , а на оси ординат – значения признака у . Нанеся на график точки, соответствующие значениям х и у , получим корреляционное поле :

а) если точки беспорядочно разбросаны по всему полю – это говорит об отсутствии зависимости между этими признаками;

б) если точки концентрируются вокруг оси, идущей от нижнего левого угла в верхний правый – то имеется прямая зависимость между признаками;

в) если точки концентрируются вокруг оси, идущей от верхнего левого угла в нижний правый – то обратная зависимость между признаками.

Если на корреляционном поле соединим точки отрезками прямой, то получим ломаную линию с некоторой тенденцией к росту. Это будет эмпирическая линия связи или эмпирическая линия регрессии . По ее виду можно судить не только о наличии, но и о форме зависимости между изучаемыми признаками.

Построение уравнения парной регрессии

Построение уравнения регрессии сводится к оценке ее параметров. Эти оценки параметров могут быть найдены различными способами. Одним их них является метод наименьших квадратов (МНК). Суть метода состоит в следующем. Каждому значению соответствует эмпирическое (наблюдаемое) значение. Построив уравнение регрессии, например уравнение прямой линии, каждому значениюбудет соответствовать теоретическое (расчетное) значение. Наблюдаемые значенияне лежат в точности на линии регрессии, т.е. не совпадают с. Разность между фактическим и расчетным значениями зависимой переменной называетсяостатком :

МНК позволяет получить такие оценки параметров, при которых сумма квадратов отклонений фактических значений результативного признака у от теоретических , т.е. сумма квадратов остатков, минимальна:

Для линейных уравнений и нелинейных, приводимых к линейным, решается следующая система относительно а и b :

где n – численность выборки.

Решив систему уравнений, получим значения а и b , что позволяет записать уравнение регрессии (регрессионное уравнение):

где – объясняющая (независимая) переменная;

–объясняемая (зависимая) переменная;

Линия регрессии проходит через точку (,) и выполняются равенства:

Можно воспользоваться готовыми формулами, которые вытекают из этой системы уравнений:

где – среднее значение зависимого признака;

–среднее значение независимого признака;

–среднее арифметическое значение произведения зависимого и независимого признаков;

–дисперсия независимого признака;

–ковариация между зависимым и независимым признаками.

Выборочной ковариацией двух переменных х , у называется средняя величина произведения отклонений этих переменных от своих средних

Параметр b при х имеет большое практическое значение и носит название коэффициента регрессии. Коэффициент регрессии показывает, на сколько единиц в среднем изменяется величина у х на 1 единицу своего измерения.

Знак параметра b в уравнении парной регрессии указывает на направление связи:

если
, то связь между изучаемыми показателями прямая, т.е. с увеличением факторного признаках увеличивается и результативный признак у , и наоборот;

если
, то связь между изучаемыми показателями обратная, т.е. с увеличением факторного признаках результативный признак у уменьшается, и наоборот.

Значение параметра а в уравнении парной регрессии в ряде случаев можно трактовать как начальное значение результативного признака у . Такая трактовка параметра а возможна только в том случае, если значение
имеет смысл.

После построения уравнения регрессии, наблюдаемые значения y можно представить как:

Остатки , как и ошибки, являются случайными величинами, однако они, в отличие от ошибок, наблюдаемы. Остаток есть та часть зависимой переменнойy , которую невозможно объяснить с помощью уравнения регрессии.

На основании уравнения регрессии могут быть вычислены теоретические значения у х для любых значений х .

В экономическом анализе часто используется понятие эластичности функции. Эластичность функции
рассчитывается как относительное изменениеy к относительному изменению x . Эластичность показывает, на сколько процентов изменяется функция
при изменении независимой переменной на 1%.

Поскольку эластичность линейной функции
не является постоянной величиной, а зависит отх , то обычно рассчитывается коэффициент эластичности как средний показатель эластичности.

Коэффициент эластичности показывает, на сколько процентов в среднем по совокупности изменится величина результативного признака у при изменении факторного признака х на 1% от своего среднего значения:

где
– средние значения переменныхх и у в выборке.

Оценка качества построенной модели регрессии

Качество модели регрессии – адекватность построенной модели исходным (наблюдаемым) данным.

Чтобы измерить тесноту связи, т.е. измерить, насколько она близка к функциональной, нужно определить дисперсию, измеряющую отклонения у от у х и характеризующую остаточную вариацию, обусловленную прочими факторами. Они лежат в основе показателей, характеризующих качество модели регрессии.

Качество парной регрессии определяется с помощью коэффициентов, характеризующих

1) тесноту связи – индекса корреляции, парного линейного коэффициента корреляции;

2) ошибку аппроксимации;

3) качество уравнения регрессии и отдельных его параметров – средние квадратические ошибки уравнения регрессии в целом и отдельных его параметров.

Для уравнений регрессии любого вида определяется индекс корреляции , который характеризует только тесноту корреляционной зависимости, т.е. степень ее приближения к функциональной связи:

,

где – факторная (теоретическая) дисперсия;

–общая дисперсия.

Индекс корреляции принимает значения
, при этом,

если

если
– то связь между признакамих и у является функциональной, Чем ближе к 1, тем более тесной считается связь между изучаемыми признаками. Если
, то связь можно считать тесной

Дисперсии, необходимые для вычисления показателей тесноты связи вычисляются:

Общая дисперсия , измеряющая общую вариацию за счет действия всех факторов:

Факторная (теоретическая) дисперсия, измеряющая вариацию результативного признака у за счет действия факторного признака х :

Остаточная дисперсия , характеризующая вариацию признака у за счет всех факторов, кроме х (т.е. при исключенном х ):

Тогда по правилу сложения дисперсий:

Качество парной линейной регрессии может быть определено также с помощью парного линейного коэффициента корреляции :

,

где
– ковариация переменныхх и у ;

–среднеквадратическое отклонение независимого признака;

–среднеквадратическое отклонение зависимого признака.

Линейный коэффициент корреляции характеризует тесноту и направление связи между изучаемыми признаками. Он измеряется в пределах [-1; +1]:

если
– то связь между признаками прямая;

если
– то связь между признаками обратная;

если
– то связь между признаками отсутствует;

если
или
– то связь между признаками является функциональной, т.е. характеризуется полным соответствием междух и у . Чем ближе к 1, тем более тесной считается связь между изучаемыми признаками.

Если индекс корреляции (парный линейный коэффициент корреляции) возвести в квадрат, то получим коэффициент детерминации.

Коэффициент детерминации – представляет собой долю факторной дисперсии в общей и показывает, на сколько процентов вариация результативного признака у объясняется вариацией факторного признака х :

Он характеризует не всю вариацию у от факторного признака х , а лишь ту ее часть, которая соответствует линейному уравнению регрессии, т.е. показывает удельный вес вариации результативного признака, линейно связанной с вариацией факторного признака.

Величина
– доля вариации результативного признака, которую модель регрессии учесть не смогла.

Рассеяние точек корреляционного поля может быть очень велико, и вычисленное уравнение регрессии может давать большую погрешность в оценке анализируемого показателя.

Средняя ошибка аппроксимации показывает среднее отклонение расчетных значений от фактических:

Максимально допустимое значение 12–15%.

Мерой разброса зависимой переменной вокруг линии регрессии служит стандартная ошибка.Для всей совокупности наблюдаемых значений рассчитывается стандартная (среднеквадратическая) ошибка уравнения регрессии , которая представляет собой среднее квадратическое отклонение фактических значений у относительно теоретических значений, рассчитанных по уравнению регрессии у х .

,

где
– число степеней свободы;

m – число параметров уравнения регрессии (для уравнения прямой m =2).

Оценить величину средней квадратической ошибки можно сопоставив ее

а) со средним значение результативного признака у ;

б) со средним квадратическим отклонением признака у :

если
, то использование данного уравнения регрессии является целесообразным.

Отдельно оцениваются стандартные (среднеквадратические) ошибки параметров уравнения и индекса корреляции :

;
;
.

 х – среднее квадратическое отклонение х .

Проверка значимости уравнения регрессии и показателей тесноты связи

Чтобы построенную модель можно было использовать для дальнейших экономических расчетов, проверки качества построенной модели недостаточно. Необходимо также проверить значимость (существенность) полученных с помощью метода наименьших квадратов оценок уравнения регрессии и показателя тесноты связи, т.е. необходимо проверить их на соответствие истинным параметрам взаимосвязи.

Это связано с тем, что исчисленные по ограниченной совокупности показатели сохраняют элемент случайности, свойственный индивидуальным значениям признака. Поэтому они являются лишь оценками определенной статистической закономерности. Необходима оценка степени точности и значимости (надежности, существенности) параметров регрессии. Под значимостью понимают вероятность того, что значение проверяемого параметра не равно нулю, не включает в себя величины противоположных знаков.

Проверка значимости – проверка предположения того, что параметры отличаются от нуля.

Оценка значимости парного уравнения регрессии сводится к проверке гипотез о значимости уравнения регрессии в целом и отдельных его параметров (a , b ), парного коэффициента детерминации или индекса корреляции.

В этом случае могут быть выдвинуты следующие основные гипотезы H 0 :

1)
– коэффициенты регрессии являются незначимыми и уравнение регрессии также является незначимым;

2)
– парный коэффициент детерминации незначим и уравнение регрессии также является незначимым.

Альтернативной (или обратной) выступают следующие гипотезы:

1)
– коэффициенты регрессии значимо отличаются от нуля, и построенное уравнение регрессии является значимым;

2)
– парный коэффициент детерминации значимо отличаются от нуля и построенное уравнение регрессии является значимым.

Проверка гипотезы о значимости уравнения парной регрессии

Для проверки гипотезы о статистической незначимости уравнения регрессии в целом и коэффициента детерминации используется F -критерий (критерий Фишера ):

или

где k 1 = m –1 ; k 2 = n – m – число степеней свободы;

n – число единиц совокупности;

m – число параметров уравнения регрессии;

–факторная дисперсия;

–остаточная дисперсия.

Гипотеза проверяется следующим образом:

1) если фактическое (наблюдаемое) значение F -критерия больше критического (табличного) значения данного критерия
, то с вероятностью
основная гипотеза о незначимости уравнения регрессии или парного коэффициента детерминации отвергается, и уравнение регрессии признается значимым;

2) если фактическое (наблюдаемое) значение F-критерия меньше критического значения данного критерия
, то с вероятностью (
) основная гипотеза о незначимости уравнения регрессии или парного коэффициента детерминации принимается, и построенное уравнение регрессии признается незначимым.

Критическое значение F -критерия находится по соответствующим таблицам в зависимости от уровня значимости и числа степеней свободы
.

Число степеней свободы – показатель, который определяется как разность между объемом выборки (n ) и числом оцениваемых параметров по данной выборке (m ). Для модели парной регрессии число степеней свободы рассчитывается как
, так как по выборке оцениваются два параметра (
).

Уровень значимости – величина, определяемая
,

где – доверительная вероятность попадания оцениваемого параметра в доверительный интервал. Обычно принимается 0,95. Таким образом– это вероятность того, что оцениваемый параметр не попадет в доверительный интервал, равная 0,05 (5%) .

Тогда в случае оценки значимости уравнения парной регрессии критическое значение F-критерия вычисляется как
:

.

Проверка гипотезы о значимости параметров уравнения парной регрессии и индекса корреляции

При проверке значимости параметров уравнения (предположения того, что параметры отличаются от нуля) выдвигается основная гипотеза о незначимости полученных оценок (
. В качестве альтернативной (обратной) выдвигается гипотеза о значимости параметров уравнения (
).

Для проверки выдвинутых гипотез используется t -критерий (t -статистика) Стьюдента . Наблюдаемое значение t -критерия сравнивается со значением t -критерия, определяемого по таблице распределения Стьюдента (критическим значением). Критическое значение t -критерия
зависит от двух параметров: уровня значимостии числа степеней свободы
.

Выдвинутые гипотезы проверяются следующим образом:

1) если модуль наблюдаемого значения t -критерия больше критического значения t -критерия, т.е.
, то с вероятностью
основную гипотезу о незначимости параметров регрессии отвергают, т.е. параметры регрессии не равны 0;

2) если модуль наблюдаемого значения t -критерия меньше или равен критическому значению t -критерия, т.е.
, то с вероятностью
основная гипотеза о незначимости параметров регрессии принимается, т.е. параметры регрессии почти не отличаются от 0 или равны 0.

Оценка значимости коэффициентов регрессии с помощью критерия Стьюдента проводится путем сопоставления их оценок с величиной стандартной ошибки:

;

Для оценки статистической значимости индекса (линейного коэффициента) корреляции применяется также t -критерий Стьюдента.

Иногда так бывает: задачу можно решить чуть ли не арифметически, а на ум прежде всего приходят всякие интегралы Лебега и функции Бесселя. Вот начинаешь обучать нейронную сеть, потом добавляешь еще парочку скрытых слоев, экспериментируешь с количеством нейронов, функциями активации, потом вспоминаешь о SVM и Random Forest и начинаешь все сначала. И все же, несмотря на прямо таки изобилие занимательных статистических методов обучения, линейная регрессия остается одним из популярных инструментов. И для этого есть свои предпосылки, не последнее месте среди которых занимает интуитивность в интерпретации модели.

Немного формул

Y i = a 0 + a 1 x i + ε i

Где a 0 - математическое ожидание зависимой переменной y i , когда переменная x i равна нулю; a 1 - ожидаемое изменение зависимой переменной y i при изменении x i на единицу (этот коэффициент подбирают таким образом, чтобы величина ½Σ(y i -ŷ i) 2 была минимальна - это так называемая «функция невязки»); ε i - случайная ошибка.
При этом коэффициенты a 1 и a 0 можно выразить через матан коэффициент корреляции Пирсона , стандартные отклонения и средние значения переменных x и y:

 1 = cor(y, x)σ y /σ x

 0 = ȳ - â 1 x̄

Диагностика и ошибки модели

Скрытый текст

set.seed(1) n <- 100 x <- runif(n) y1 <- x + rnorm(n, sd=.1) fit1 <- lm(y1 ~ x) par(mfrow=c(1, 2)) plot(x, y1, pch=21, col="black", bg="lightblue", cex=.9) abline(fit1) plot(x, resid(fit1), pch=21, col="black", bg="lightblue", cex=.9) abline(h=0)

Скрытый текст

y2 <- log(x) + rnorm(n, sd=.1) fit2 <- lm(y2 ~ x) plot(x, y2, pch=21, col="black", bg="lightblue", cex=.9) abline(fit2) plot(x, resid(fit2), pch=21, col="black", bg="lightblue", cex=.9) abline(h=0)

Скрытый текст

y3 <- x + rnorm(n, sd=.001*x) fit3 <- lm(y3 ~ x) plot(x, y3, pch=21, col="black", bg="lightblue", cex=.9) abline(fit3) plot(x, resid(fit3), pch=21, col="black", bg="lightblue", cex=.9) abline(h=0)

Скрытый текст

qqnorm(resid(fit1)) qqline(resid(fit1)) qqnorm(resid(fit2)) qqline(resid(fit2))

Скрытый текст

x4 <- c(9, x) y4 <- c(3, x + rnorm(n, sd=.1)) fit4 <- lm(y4 ~ x4) par(mfrow=c(1, 1)) plot(x4, y4, pch=21, col="black", bg="lightblue", cex=.9) abline(fit4)

Выбор модели при множественной регрессии

Скрытый текст

plot(predict(fit), resid(fit), pch=".")