Статистические свойства оценок метода наименьших квадратов.

 

Поскольку полученные оценки a и b коэффициентов линейной рег­рессии опираются на статистические данные и являются случайными величинами, то естественно установить свойства названных оценок; как случайных величин. Более того, не выяснив этих свойств, невоз­можно сделать обоснованные выводы относительно качества и надеж­ности полученных оценок. Необходимо, в частности, определить такие их статистические характеристики, как математическое ожидание и дисперсия. К желательным свойствам оценок относятся также несмещенность и состоятельность. Далее, если бы удалось установить вид распределения (плотности распределения) оценок, можно было бы по­строить доверительные интервалы для истинных значений параметров регрессии (т. е. получить интервальные оценки коэффициентов) и реа­лизовать процедуры проверки гипотез относительно их значений. Важ­ную роль играет также изучение статистических свойств остатков оце­ненной регрессии.

Все эти задачи можно решить, основываясь на некоторых правдопо­добных теоретических предпосылках (гипотезах) модели, выполнение которых на практике подлежит проверке с помощью специально разра­ботанных для этого статистических процедур.

Предположение относительно независимых переменных

В дальнейшем будем допускать, что х — детерминированная (не­случайная) величина, т. е. значения независимых переменных заранее известны. Данное предположение (предпосылка), к сожалению, на практике при моделировании реальных социально-экономических процессов часто не выполняется. Это связано с тем, что здесь в качест­ве независимых переменных часто выступают стохастические некон­тролируемые величины, такие как интенсивность потока покупателей (в одном из примеров главы 1) или рыночный индекс в рыночной мо­дели, который также является случайной величиной. При нарушении вышеупомянутой предпосылки ряд «хороших» свойств оценок сохра­няется (при некоторых условиях), но в отдельных случаях требуется корректировка модели (оценок).

Предположения относительно случайной составляющей модели

При выполнении предпосылки относительно переменной х стати­стические свойства оценок параметров и зависимой переменной, а так­же, остатков, целиком определяются вероятностными свойствами случайной составляющей регрессионной модели. Относительно слу­чайной составляющей в классическом регрессионном анализе предпо­лагают выполнение следующих условий, которые называются условия­ми Гаусса-Маркова и играют ключевую роль при изучении свойств оце­нок, полученных по методу наименьших квадратов:

1. Первое условие заключается в том, что математическое ожидание случайной составляющей во всех наблюдениях должно быть равно нулю. Формально это записывается так

М{ε _t} = 0, для всех t = 1, 2,..., п.

Смысл этого условия заключается в том, что не должно быть систе­матического смещения случайной составляющей. В линейной регрес­сии систематическое смещение линии регрессии учитывается с помо­щью введения параметра смещения ε _i и поэтому данное условие можно считать всегда выполненным.

2. Дисперсия случайной составляющей постоянна для всех наблю­дений (т. е. не зависит от номера наблюдения). Это условие записыва­ется так:

 

D{ε _t}=M{ε _t²}=σ ²,

 

где дисперсия σ ² — величина постоянная.

Это свойство дисперсии ошибок называется гомоскедастичностью (однородностью).

Выполнение условия гомоскедастичности при построении конкрет­ных эконометрических моделей необходимо проверять с помощью спе­циальных статистических процедур. Поскольку истинные дисперсии ошибок неизвестны, их можно лишь приближенно оценить на основе наблюдаемых (точнее, вычисляемых) значений остатков модели в каж­дом наблюдении. Таким образом, и свойство гомоскедастичности на практике проверяется (диагностируется) на самом деле для остатков мо­дели, а не для истинных ошибок, и может выполняться лишь прибли­женно. Если условие гомоскедастичности не выполнено (т. е. дисперсия ошибок не постоянна), то говорят, что имеет место условие гетероскедастичности). Понятия «гомоскедастичность» и «гетероскедастичность» являются ключевыми в эконометрике.

Графическая иллюстрация понятий «гомоскедастичность» и «гетероскедастичность»

 

Рис. 2.6а

Гомоскедастичность Рис.2.6б Рис. 2.6в

Гетероскедастичность Гетероскедастичные остатки

 

3. Случайные составляющие модели для различных наблюдений некоррелированы. Это условие записывается таким образом:

 

М{_{ε i}, _{ε j}}=0, для всех i≠ j (i, j=1, 2, …, n)

Выполнение данного условия означает отсутствие систематической (статистической) связи между значениями случайного члена в любых двух наблюдениях. Это свойство на практике также проверяется с по­мощью статистических процедур на основе анализа остатков модели.

Если оно нарушается, то процедура оценки параметров должна быть скорректирована.

 

4. Четвертое условие Гаусса-Маркова записывается так:

 

M{x_I, ε j}=0, для всех i и j,

и означает, что объясняющие переменные и случайные составляющие некоррелированы для всех наблюдений. Ранее мы предположили, что объясняющая переменная в модели не является стохастической. В этом случае четвертое условие выполняется автоматически.

Регрессионная модель с детерминированными регрессорами, удовлетво­ряющая предпосылкам Гаусса-Маркова, называется классической регрес­сионной моделью.

Дополнительное предположение о нормальном распределении ошибок

При выполнении условий Гаусса-Маркова, оценки наименьших квадратов обладают такими свойствами, как несмещенность, состоя­тельность и оптимальность (эффективность). Однако, для построения доверительных интервалов и проверки гипотез относительно истинных значений параметров, необходимо дополнительное предположение о распределении случайной составляющей ε _i. В классическом регресси­онном анализе допускается, что эта составляющая распределена по нормальному закону и тогда модель называют классической нормальной линейной регрессией.

Первых четырех условий достаточно, а пятое - необходимо для оценки точности уравнения регрессии.

Данное предположение является, пожалуй, наиболее спорным. Дело в том, что предположение о нормальности можно считать правдо­подобным, если значения случайной величины порождаются в резуль­тате воздействия большого количества независимых случайных факто­ров, каждый из которых не обязательно имеет нормальное распределе­ние. Примером такого воздействия является так называемое броуновское движение (хаотичное движение малых частиц в жидкости как результат совокупного воздействия на частицу — ударов, соударе­ния — большого количества молекул жидкости).

В экономических процессах распределения случайных величин, как правило, отличаются от нормального, поскольку механизм их более сложный. Тем не менее, чаще всего именно нормаль­ное распределение используется в эконометрических исследованиях (как, впрочем, и в статистике). Это обусловлено следующими причинами. Во-первых, нормальный закон действительно часто достаточно хорошо (с приемлемой для практики точностью) аппроксимирует (приближенно описывает) распределение случайной составляющей. Во-вторых, что очень важно, на основе нормального распределения можно получить процедуры проверки гипотез и построения доверительных интервалов, удобные для расчетов и применения на практи­ке. В любом случае, не изучив базовые результаты (процедуры), осно­ванные на предположении нормальности, нельзя продвигаться на бо­лее высокий уровень изучения и применения более реалистичных моделей, не использующих эту предпосылку и позволяющих получать более точные результаты.

Замечание. Если случайные величины в модели распределены по нормальному закону, то из свойств некоррелированности в третьем и четвертом условиях Гаусса-Маркова следует и независимость соответ­ствующих случайных величин.

Оценкой модели является уравнение:

а - оценка они определяются МНК

b - оценка

Несмещенная оценка остаточной дисперсии учитывает воздействие факторов и ошибок неучтенных в модели, определяется с помощью дисперсии возмущения (ошибок) или остаточной дисперсии σ ², - это выборочная остаточная дисперсия.

Являются ли оценки a, b и s² наилучшими выясняется по условиям Гаусса-Маркова: если регрессионная модель удовлетворяет предпосылкам 1-4, то оценки a и b имеют наименьшую дисперсию в классе линейных несмещенных оценок.

Свойства выборочных вариаций (дисперсий) и ковариаций.

Для дальнейшего изложения нам понадобится установить ряд пра­вил, которые можно использовать при преобразовании выражений, со­держащих выборочные вариации и ковариации.

Пусть а — некоторая постоянная, а х, у, z — переменные, прини­мающие в i-м наблюдении значения x_i, y_i, z_i, i=1,..., п (n — количество наблюдений). Тогда а можно рассматривать как переменную, значение которой в i-м наблюдении равно а, и

Соv(х, а) =

 

откуда следует свойство:

1. Cov(x, a) = 0.

Далее, нетрудно видеть, что имеют место равенства:

2. Cov(x, у) = Cov(y, х);

3. Cov(x, x) = Var(x).

Кроме того,

Cov(ax, y) = =

откуда следует свойство:

4. Cov(ax. у) = aCov(x, у).

Далее, имеем

Cov(xy, z) = =

так что можно сформулировать еще одно свойство:

5. Cov(x. у + z) =Cov(x, у) + Cov(x, z).

На основе вышеназванных свойств находим, что

6. Var(a)=0,

т. е. постоянная не обладает изменчивостью и

7. Var(ax)=a²Var(x).

Таким образом, при изменении единицы измерения переменной в раз, во столько же раз преобразуется и величина стандартного отклоне­ния этой переменной (напомним, что стандартное отклонение равно квадратному корню из дисперсии).

8. Var(x+a)=Var(x)

т. е. сдвиг начала отсчета не влияет на вариацию переменной.

Далее, имеем:

Var(x+y)=Cov(x+y, x+y)= Cov(x, х) + Cov(x, у) + Cov(y, x) + Cov(x, у).

Таким образом, доказано свойство

9.Var(x+y)=Var(x)+Var(y)+2Cov(x, y),

означающее, что вариация суммы двух переменных отличается от сум­мы вариаций этих переменных на величину, которая равна удвоенному значению ковариации между названными переменными.

 

Свойства остатков

Теперь установим почти очевидные соотношения, которые следуют из условии минимума критерия наименьших квадратов. Определим величину

ŷ _i=a +bx,

— оценку переменной у при оптимальных значениях коэффициентов регрессии и фиксированном значении х в i-ом наблюдении. Такую оценку называют прогнозом зависимой переменной. Тогда, очевидно, ошибка модели в i-ом наблюдении будет равна ε _i=y_i - ŷ _i и из условия следует, что

т. е сумма квадратов ошибок оценок переменной у (остатков модели) при оптимальных параметрах регрессии а и b равна нулю.

Далее, вытекает, что

т. е., при оптимальных параметрах регрессии ошибки ортогональны на­блюдениям независимой переменной.

 

Несмещенность МНК-оценок

Статистическая оценка некоторого параметра называется несме­щенной, если ее математическое ожидание равно истинному значению этого параметра.

Для случая парной линейной регрессии это означает, что опенки а и b будут несмещенными, если

М{а} = α, M{b}=β.

 

Докажем это свойство. Используя правила преобразования выбо­рочных ковариаций, можно записать:

Cov(x, у) = Cov(x[a + β x + и]) =

= Cov(x, а) + Cov(x, β х) + Cov(x, и) = β Var(x) + Cov(x, и).

 

Применив формулу для коэффициента, а также полученное выше соотношение, составим выражение:

Далее, поскольку х — неслучайная величина, будем иметь:

и, таким образом, оценка b является несмещенной.

Несмещенность оценки а следует из цепочки равенств:

М{а}=

Замечание. Свойство несмещенности оценок можно доказать и при более слабой форме 4-го условия Гаусса-Маркова, когда х—случайная, но некоррелированная со случайной переменной ε, величина.

Состоятельность оценок

Свойство состоятельности оценок заключается в том, что при неог­раниченном возрастании объема выборки, значение оценки должно стремиться (по вероятности) к истинному значению параметра, а дис­персии оценок должны уменьшаться и в пределе стремиться к нулю. Дисперсии оценок коэффициентов регрессии определяются выраже­ниями:

;

Или, используя равенство , можно записать в виде:

Вывод: чем больше число наблюдений n, тем меньше будет дисперсия ошибок.

Эффективность (оптимальность) оценок.

До сих пор мы говорили об оптимальности оценок в смысле мини­мума квадратичного критерия. Оказывается, что при выполнении условий Гаусса-Маркова они являются также оптимальными в смысле минимума дисперсии.

Оценка называется эффективной, если она имеет минимальную дис­персию по сравнению с другими оценками заданного класса.

Таким образом, оценки наименьших квадратов являются эффек­тивными, т. е. наилучшими в смысле минимума дисперсии, в классе всех линейных несмещенных оценок параметров.

Вычтем из уравнения(1) зависимость (2):

, то есть оценка теоретической дисперсии зависит от (и только от) числа случайной составляющей наблюдений х в выборке. Поскольку эти составляющие меняются от выборки к выборке, так от выборки к выборке меняется и величина оценки .

 

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. I. ПРИЕМЫ ИЗМЕРЕНИЙ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ ИХ РЕЗУЛЬТАТОВ В ПСИХОЛОГИЧЕСКОМ ИССЛЕДОВАНИИ
2. Анализ связей тестовых оценок с суммарным баллом диплома
3. Вероятностно-статистические методы исследования и метод системного анализа
4. Вопрос 3. Простые статистические методы контроля процессов. Их краткая сущность и особенности
5. Глава 4. Предпосылки метода наименьших квадратов
6. Динамические и статистические законы
7. Закон убывающей предельной производительности. Правило наименьших издержек. Правило максимизации прибыли.
8. Защита курсовой работы. Критерии оценок
9. И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ОЦЕНОК ЛИНЕЙНЫХ АНТЕНН
10. Критерии оценок выполнения заданий субтестов
11. Масштабы расстояний во Вселенной. Методы оценок размеров и расстояний
12. Математико-статистические идеи метода