Лекция 7. Парная регрессия. Оценка статистической значимости параметров уравнения и модели в целом.

ТЕМА 4. СТАТИСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫИЗУЧЕНИЯ СВЯЗЕЙ

Уравнение регрессии - этоаналитическое представление корреляционной зависимости. Уравнение регрессии описывает гипотетическую функциональную зависимость между условным средним значением результативного признака и значением признака – фактора (факторов), т.е. основную тенденцию зависимости.

Парная корреляционная зависимость описывается уравнением парной регрессии, множественная корреляционная зависимость – уравнением множественной регрессии.

Признак-результат в уравнении регрессии – это зависимая переменная (отклик, объясняемая переменная), а признак-фактор – независимая переменная (аргумент, объясняющая переменная).

Простейшим видом уравнения регрессии является уравнение парной линейной зависимости:

(7.1)

 

где y – зависимая переменная (признак-результат); x – независимая переменная (признак-фактор); и – параметры уравнения регрессии; - ошибка оценивания.

В качестве уравнения регрессии могут быть использованы различные математические функции. Частое практическое применение находят уравнения линейной зависимости, параболы, гиперболы, степной функции и др.

Как правило, анализ начинается с оценки линейной зависимости, поскольку результаты легко поддаются содержательной интерпретации. Выбор типа уравнения связи – достаточно ответственный этап анализа. В «докомпьютерную» эпоху эта процедура была сопряжена с определенными сложностями и требовала от аналитика знания свойств математических функций. В настоящее время на базе специализированных программ можно оперативно построить множество уравнений связи и на основе формальных критериев осуществить выбор лучшей модели (однако математическая грамотность аналитика не утратила своей актуальности).

Гипотезу о типе корреляционной зависимости можно выдвинуть по результатам построения поля корреляции (см. лекцию 6). Исходя из характера расположения точек на графике (координаты точек соответствуют значениям зависимой и независимой переменных), выявляется тенденция связи между признаками (показателями). Если линия регрессии проходит через все точки поля корреляции, то эта свидетельствует о функциональной связи. В практике социально-экономических исследований такую картину наблюдать не приходится, поскольку присутствует статистическая (корреляционная) зависимость. В условиях корреляционной зависимости при нанесении линии регрессии на диаграмму рассеивания наблюдается отклонение точек поля корреляции от линии регрессии, что демонстрирует, так называемые, остатки или ошибки оценивания (см. рисунок 7.1).

Наличие ошибки уравнения связано с тем, что:

§ не все факторы, влияющие на результат, учитываются в уравнении регрессии;

§ может быть неверно выбранаформа связи - уравнение регрессии;

§ не все факторы включены в уравнение.

Построить уравнение регрессии – означает рассчитать значения его параметров. Уравнение регрессии строится на основе фактических значений анализируемых признаков. Расчет параметров, как правило, выполняется с использованием метода наименьших квадратов (МНК).

Суть МНК состоит в том, что удается получить такие значения параметров уравнения, при которых минимизируется сумма квадратов отклонений теоретических значений признака-результата (рассчитанных на основе уравнения регрессии), от фактических его значений:

,

, (7.2)

 

где - фактическое значение признака-результата у i-й единицы совокупности; - значение признака-результата у i-й единицы совокупности, полученное по уравнению регрессии ().

Т.о., решается задача на экстремум, то есть необходимо найти, при каких значениях параметров, функция S достигает минимума.

Проводя дифференцирование, приравнивая частные производные нулю:

 

 

,,

 

и далее, решая систему нормальных уравнений, находят значения параметров и :

, (7.3)

, (7.4)

где - среднее произведение значений фактора и результата; - среднее значение признака - фактора; - среднее значение признака -результата; - дисперсия признака-фактора.

Параметр в уравнении регрессии характеризует угол наклона линии регрессии на графике. Этот параметр называют коэффициентом регрессии и его величина характеризует, на сколько единиц своего измерения изменится признак-результат при изменении признака-фактора на единицу своего измерения. Знак при коэффициенте регрессии отражает направленность зависимости (прямая или обратная) и совпадает со знаком коэффициента корреляции (в условиях парной зависимости).

В рамках рассматриваемого примера, в программе STATISTICA рассчитаны параметры уравнения регрессии, описывающего зависимость между уровнем среднедушевых денежных доходов населения и величиной валового регионального продукта на душу населения в регионах России, см. таблицу 7.1.

 

Таблица 7.1 - Расчет и оценка параметров уравнения, описывающего зависимостьмежду уровнем среднедушевых денежных доходов населения и величиной валового регионального продукта на душу населения в регионах России, 2013 г.

 

 

В графе "В" таблицы содержатся значения параметров уравнения парной регрессии, следовательно, можно записать: = 13406,89 + 22,82 x.Данное уравнение описывает тенденцию связи между анализируемыми характеристиками. Параметр - это коэффициент регрессии. В данном случае он равен 22,82 и характеризует следующее: при увеличении ВРП на душу населения на 1 тыс.рублей среднедушевые денежные доходы в среднем возрастают (на что указывает знак "+") на 22,28 руб.

Параметр уравнения регрессии в социально-экономических исследованиях, как правило, содержательно не интерпретируется. Формально он отражает величину признака - результата при условии, что признак - фактор равен нулю. Параметр характеризует расположение линии регрессии на графике, см. рисунок 7.1.

 

Рисунок 7.1 - Поле корреляции и линия регрессии, отражающие зависимость уровня среднедушевых денежных доходов населения в регионах России и величины ВРП на душу населения

Значение параметра соответствует точке пересечения линии регрессии с осью Y, при X=0.

Построение уравнения регрессии сопровождается оценкой статистической значимости уравнения в целом и его параметров. Необходимость таких процедур связана с ограниченным объемом данных, что может препятствовать действию закона больших чисел и, следовательно, выявлению истинной тенденции во взаимосвязи анализируемых показателей. Кроме того, любую исследуемую совокупность можно рассматривать как выборку из генеральной совокупности, а характеристики, полученные в ходе анализа, как оценку генеральных параметров.

Оценка статистической значимости параметров и уравнения в целом – это обоснование возможности использования построенной модели связи для принятия управленческих решений и прогнозирования (моделирования).

Статистическая значимость уравнения регрессии в целом оценивается с использованием F-критерия Фишера, который представляет собой отношение факторной и остаточных дисперсий, рассчитанных на одну степень свободы:

 

(7.5)

где - факторная дисперсия признака - результата; k – число степеней свободы факторной дисперсии (число факторов в уравнении регрессии); - среднее значение зависимой переменной; - теоретическое (полученной по уравнению регрессии) значение зависимой переменной у i – й единицы совокупности; - остаточная дисперсии признака - результата; n – объем совокупности; n-k-1 – число степеней свободы остаточной дисперсии.

Величина F-критерия Фишера, согласно формуле, характеризует соотношение между факторной и остаточной дисперсиями зависимой переменной, демонстрируя, по существу, во сколько раз величина объясненной части вариации превышает необъясненную.

F-критерий Фишера табулирован, входом в таблицу является число степеней свободы факторной и остаточной дисперсий. Сравнение расчетного значения критерия с табличным (критическим) позволяет ответить на вопрос: статистически значима ли та часть вариации признака-результата, которую удается объяснить факторами, включенными в уравнение данного вида. Если , то уравнение регрессии признается статистически значимым и, соответственно, статистически значим и коэффициент детерминации. В противном случае (), уравнение – статистически незначимо, т.е. вариация учтенных в уравнении факторов не объясняет статистически значимой части вариации признака-результата, либо не верно выбрано уравнение связи.

Оценка статистической значимости параметров уравнения осуществляется на основе t-статистики, которая рассчитывается как отношение модуля параметров уравнения регрессии к их стандартным ошибкам ():

 

, где ; (7.6)

, где ; (7.7)

где - стандартные отклонения признака - фактора и признака - результата; - коэффициент детерминации.

В специализированных статистических программах расчет параметров всегда сопровождается расчетом значений их стандартных (среднеквадратических) ошибок и t-статистики (см. таблицу 7.1). Расчетное значение t-статистики сравнивается с табличным, если объем изучаемой совокупности менее 30 единиц (безусловно малая выборка), следует обратиться к таблице t- распределения Стьюдента, если объем совокупности большой, следует воспользоваться таблицей нормального распределения (интеграла вероятностей Лапласа). Параметр уравнения признается статистически значимым, если.

Оценка параметров на основе t-статистики, по существу, является проверкой нулевой гипотезы о равенстве генеральных параметров нулю (H₀: =0; H₀: =0;), то есть о статистически не значимой величине параметров уравнения регрессии. Уровень значимости гипотезы, как правило, принимается: = 0,05. Если расчетный уровень значимости меньше 0,05, то нулевая гипотеза отвергается и принимается альтернативная - о статистической значимости параметра.

Продолжим рассмотрение примера. В таблице 7.1 в графе «B» приведены значения параметров, в графе Std.Err.ofB - величины стандартных ошибок параметров (), в графе t(77 – число степеней свободы) рассчитаны значения t - статистики с учетом числа степеней свободы. Для оценки статистической значимости параметров расчетные значения t - статистик необходимо сравнить с табличным значением. Заданному уровню значимости (0,05) в таблице нормального распределения соответствует t = 1,96. Поскольку 18,02, 10,84, т.е., следует признать статистическую значимость полученных значений параметров, т.е. эти значения сформированы под влиянием не случайных факторов и отражают тенденцию связи между анализируемыми показателями.

Для оценки статистической значимости уравнения в целом обратимся к значению F-критерия Фишера (см. таблицу 7.1). Расчетное значение F-критерия = 117,51, табличное значение критерия, исходя из соответствующего числа степеней свободы (для факторной дисперсии d.f. =1, для остаточной дисперсииd.f. =77), равно 4,00 (см. приложение.....). Таким образом, , следовательно, уравнение регрессии в целом статистически значимо. В такой ситуации можно говорить и о статистической значимости величины коэффициента детерминации, т.е. вариация среднедушевых доходов населения в регионах России на 60 процентов может быть объяснена вариацией объемов валового регионального продукта на душу населения.

Проводя оценку статистической значимости уравнения регрессии и его параметров, можем получить различное сочетание результатов.

· Уравнение по F-критерию статистически значимо и все параметры уравнения по t-статистике тоже статистически значимы. Данное уравнение может быть использовано как для принятия управленческих решений (на какие факторы следует воздействовать, чтобы получить желаемый результат), так и для прогнозирования поведения признака-результата при тех или иных значениях факторов.

· По F-критерию уравнение статистически значимо, но незначимы параметры (параметр) уравнения. Уравнение может быть использовано для принятия управленческих решений (касающихся тех факторов, по которым получено подтверждение статистической значимости их влияния), но уравнение не может быть использовано для прогнозирования.

· Уравнение по F-критерию статистически незначимо. Уравнение не может быть использовано. Следует продолжить поиск значимых признаков-факторов или аналитической формы связи аргумента и отклика.

Если подтверждена статистическая значимость уравнения и его параметров, то может быть реализован, так называемый, точечный прогноз, т.е. получена оценка значения признака-результата (y) при тех или иных значениях фактора (x).

Совершенно очевидно, что прогнозное значение зависимой переменной, рассчитанное на основе уравнения связи, не будет совпадать с фактическим ее значением ().Графически эта ситуация подтверждается тем, что не все точки поля корреляции лежат на линии регрессии,лишь при функциональной связи линия регрессии пройдет через все точки диаграммы рассеивания. Наличие расхождений между фактическими и теоретическими значениями зависимой переменной связано, прежде всего, с самой сутью корреляционной зависимости:одновременно на результат воздействует множество факторов, из которых только часть может быть учтена в конкретном уравнении связи. Кроме того, может быть неверно выбрана форма связи результата и фактора (тип уравнения регрессии). В связи с этим возникает вопрос, насколько информативно построенное уравнение связи. На этот вопрос отвечают два показателя: коэффициент детерминации (о нем уже говорилось выше) и стандартная ошибка оценивания.

Разность между фактическими и теоретическими значениями зависимой переменной называют отклонениями или ошибками, или остатками. На основе этих величин рассчитывается остаточная дисперсия. Квадратный корень из остаточной дисперсии и является среднеквадратической (стандартной) ошибкой оценивания:

= (7.8)

 

Стандартная ошибка уравнения измеряется в тех же единицах, что и прогнозируемый показатель. Если ошибки уравнения подчиняются нормальному распределению (при больших объемах данных), то 95 процентов значений должны находиться от линии регрессии на расстоянии, не превышающем 2S (исходя из свойства нормального распределения - правила трех сигм). Величина стандартной ошибки оценивания используется при расчете доверительных интервалов при прогнозировании значения признака - результата для конкретной единицы совокупности.

В практических исследованиях часто возникает необходимость в прогнозе среднего значения признака - результата при том или ином значении признака - фактора. В этом случае в расчете доверительного интервала для среднего значения зависимой переменной()

учитывается величина средней ошибки:

(7.9)

 

Использование разных величин ошибок объясняется тем, что изменчивость уровней показателей у конкретных единиц совокупности гораздо выше, чем изменчивость среднего значения, следовательно, ошибка прогноза среднего значения меньше.

Доверительный интервал прогноза среднего значения зависимой переменной:

 

, (7.10)

 

где - предельная ошибка оценки (см. теорию выборки); t – коэффициент доверия, значение которого находится в соответствующей таблице, исходя из принятого исследователем уровня вероятности (числа степеней свободы) (см. теорию выборки).

Доверительный интервал для прогнозируемого значения признака-результата может быть рассчитан и с учетом поправки на смещение (сдвиг) линии регрессии. Величина поправочного коэффициента определяется:

 

(7.11)

 

 

где - значение признака-фактора, исходя из которого, прогнозируется значение признака-результата.

Отсюда следует, что чем больше значение отличается от среднего значения признака-фактора, тем больше величина корректирующего коэффициента, тем больше ошибка прогноза. С учетом данного коэффициента доверительный интервал прогноза будет рассчитываться:

(7.12)

 

 

На точность прогноза на основе уравнения регрессии могут влиять разные причины. Прежде всего, следует учитывать, что оценка качества уравнения и его параметров проводится, исходя из предположения о нормальном распределении случайных остатков. Нарушение этого допущения может быть связано с наличием резко отличающихся значений в данных, с неравномерной вариацией, с наличием нелинейной зависимости. В этом случае качество прогноза снижается. Второй момент, о котором следует помнить, - значения факторов, учитываемые при прогнозировании результата, не должны выходить за пределы размаха вариации данных, на основе которых построено уравнение.