计量经济学：3第三章双变量模型 假设检验.ppt

1、1 1 回归分析概述 参数估计 模型检验 模型预测 第三章第三章 双变量模型：假设检验 2 古典线性回归模型的基本假定 最小二乘估计量的性质 普通最小二乘估计量的方差与标准误 参数的普通最小二乘估计 iii XY 10 i=1,2,n 见第二章 2 第二节 参数估计 3 3.1古典线性回归模型的基本假定 3.2普通最小二乘估计量的方差与标准误 3.3最小二乘估计量的性质-为什么使用OLS 3.5假设检验3.5.1置信区间法 3.5.2变量的显著性检验 3.6拟合优度检验 3.7回归分析结果的报告3.8计算机输出结果 3.9正态性检验 3.11模型预测 3.4 OLS估计量的抽样分布或概率分布

2、4 3.1古典线性回归模型的基本假设 原因1：只有符合这些基本假定，才能保证OLS参 数估计量具有良好的性质； 原因3：随机误差项加上一个非随机项X生成了Y， 因而Y也是随机变量。在根据SRF进行假设检验时， 如果不对随机误差项的生成做一些特殊的假定， 则无法进行假设检验。 原因2：如果不满足这些假定，第二部分会进一步 进行处理。这是基于学习的由浅入深、由理想状 态到现实实际的步骤。 4 5 3.1古典线性回归模型的基本假定 假定1：回归模型是参数线性的 假定2：随机误差项与解释变量X之间不相关。 Cov(Xi, i)=0 i=1,2, ,n 如果X是非随机的（即为固定值），则该假定自动满足。

3、 我们所指的回归分析是条件回归分析，即给定X条件下 的回归分析，即我们一直假定X是非随机的。 区别：古典线性回归模型（固定回归元模型）；新古典线性回 归模型（随即回归元模型） 5 6 假定3：给定X i，随机误差项的期望或均值为零。 E(i X i)=0 i=1,2, ,n 随机误差项（其他影响因素）与Xi （纳入模型的变量）之间不相关。 6 如果在给定一个随机变量的情况下另一个随机变量的条件均值为0，那么这两 个变量之间的协方差就是0，说明这两个变量是无关的。 7 假定4：随机误差项i具有同方差，即方差为常数。 Var (i)=2 i=1,2, ,n 与给定X相对应的每个Y的条件分布具有同方

4、差，即每 个Y值以相同的方差分布在其均值周围。 7 8 假定5：无自相关。即随机误差项之间不相关。 Cov(i, j)=0 ij i,j= 1,2, ,n 表明误差项之间没有系统关系，即误差是随机的。 8 9 假定6：回归模型是正确设定的。即实证分析的 模型不存在设定偏差。 9 10 小结-古典线性回归模型的基本假设 假定1：回归模型是参数线性的 假定2：随机误差项与解释变量X之间不相关。 假定6：回归模型是正确设定的。即实证分析的 模型不存在设定偏差。 假定3、4、5：随机误差项是服从零均值、同 方差、零协方差的分布。 iii XY 10 i=1,2,n 10 11 3.2普通最小二乘估计量

5、的方差与标准误 基于1-6假定，可以估计OLS估计量的方差和标准误。 OLS估计量是随机变量，因为随着样本的不同，OLS 估计量是不同的。 OLS估计量是如何随样本变化而变化的呢，即这些估 计量的抽样变异性是怎样的呢？ 这种抽样变异性通常由估计量的方差或其标准误 （方差的平方根）来度量。 11 12 XY x yx i ii 10 2 1 参数估计量的方差和标准误 12 3.2普通最小二乘估计量的方差与标准误 13 )var()var()var() var( 2 10 2 1iiiiiii kXkYk 2 2 2 2 2 ii i xx x 22 10 2 0 )/1 ()var()var()

6、 var( iiiiii kXnXwYw 2 2 2 2222 2 211 2 1 i i iii x x XkX nn kXkX nn 2 2 2 2 2 22 2 2 2 1 i i i i i xn X xn Xnx x X n 13 14 随机误差项的方差2的估计 由于随机项 i不可观测，只能从 i的估计残 差ei i出发，对总体方差进行估计。 3.2普通最小二乘估计量的方差与标准误 2又称为总体方差总体方差。 14 15 可以证明可以证明，2的最小二乘估计量最小二乘估计量为 2 2 2 n ei 3.2普通最小二乘估计量的方差与标准误 随机误差项的方差2的估计 是2 的估计量 是残差

7、平方和，即Y的真 实值与估计值之差的平方和 （n-2）称为自由度，可简单看做 观测值个数减去待估参数的个数 2 2 2 i e 称为回归的标准误 （SER，standard error of the regression） 该值越小，说明Y的实际值越接近根据 回归模型得到的估计值。 15 16 在 随 机 误 差 项 的 方 差 2 估 计 出 后 ， 参 数0 和 1 的 方方 差差 和 标标 准准 差差 的 估 计 量 分 别 是 ： 1 的样本方差： 222 1 i xS 1 的样本标准差： 2 1 i xS 0 的样本方差： 2222 0 ii xnXS 0 的样本标准差： 22 0

8、ii xnXS 标准误 标准误 方差 方差 3.2普通最小二乘估计量的方差与标准误 16 17 3.2普通最小二乘估计量的方差与标准误 17 18 Se= (16.9061)(0.000245) 3.2普通最小二乘估计量的方差与标准误 数学S.A.T一例P45 文章中回归结果的输出形式 参数估计值 标准误 18 432.41380.0013 ii YX 19 当模型参数估计出后，需考虑参数估计值的精度，即是否能 代表总体参数的真值，或者说需考察参数估计量的统计性质。 一个用于考察总体的估计量，可从如下几个方面考察 其优劣性： （1）线性性）线性性，即它是否是另一随机变量的线性函数； （2）无偏

9、性）无偏性，即它的均值或期望值是否等于总体的真 实值； （3）有效性）有效性，即它是否在所有线性无偏估计量中具有 最小方差。 3.3最小二乘估计量的性质-为什么使用OLS 19 20 3.3最小二乘估计量的性质-为什么使用OLS 高斯高斯马尔柯夫定理（马尔柯夫定理（Gauss-Markov theorem） 如果满足古典线性回归模型的基本假定， 则在所有线性估计量中， OLS估计是最优线性无偏估计量 （Best Linear Unbiased Estimator, BLUE） 简单易行很强的理论性质 20 2121 22 2 2、无无偏偏性性，即估计量 0 、 1 的均值（期望）等于总体回归

10、参数真值0与1 1111 )()() ( iiii EkkEE 0000 )()()() ( iiii EwEwEE 平均而言，参数估计值与其真值是一致的。 22 E 平均而言，误差方差的估计值收敛于其真值 ；误差方差的估计量也是无偏的 22 23 证明最小方差性 假设 * 1 是其他估计方法得到的关于1的线性无偏估计量： iiY c * 1 其中，ci=ki+di，di为不全为零的常数 则容易证明 ) var() var( 1 * 1 同理，可证明0的最小二乘估计量 0 具有最的小方差 3 3、有有效效性性（最最小小方方差差性性） ，即在所有线性无偏估计量 中，最小二乘估计量0 、 1 具有

11、最小方差。 23 24 第二节 参数估计-小结 古典线性回归模型的基本假设 最小二乘估计量的性质 普通最小二乘估计量的方差与标准误 参数的普通最小二乘估计 iii XY 10 i=1,2,n 24 结构参数结构参数 分布参数分布参数 2525 假定7：随机误差项i服从零均值、同方差的正态分布正态分布。 iN(0, 2 ) i=1,2, ,n 中心极限定理：随着变量个数增加， iid随机变量近似服从正态分布 Yi服从正态分布 服从正态分布 01 、 正态变量的线性函数仍然服从正态分布 ),( 2 2 11 i x N ),( 2 2 2 00 i i xn X N “线性性”: 是Yi的线性组合

12、 01 、 3.4 OLS估计量的抽样分布或概率分布 26 3.5假设检验 尽管尽管从统计性质上已知，若有足够多的重复抽样，参数 的估计值的期望（均值）就等于其总体的参数真值， 但但在一次抽样中，估计值不一定就等于该真值。 那么，在一次抽样中，参数的估计值与真值的差异有 多大，是否显著，这就需要进一步进行假设检验假设检验。 26 若知道某个估计量的概率分布，则可建立从样本到总 体的联系。 第三节 假设检验 2727 3.5假设检验 由于 服从正态分布，则变量Z服从标准正态分布 ),( 2 2 11 i x N ),( 2 2 2 00 i i xn X N 1 1 1111 2 - =0 1

13、/ i ZN S x ， 由于 未知，需用 代替，则变量t服从t分布 11 2 2 - / n i tt x 如何建立从样本到总体间的联系 数学S.A.T一例 2828 假设检验 先给定对总体参数值的原假设和备择假设， 然后根据样本信息，对原假设下的结果进行分析， 判断是否拒绝原假设。（拒绝原假设；不拒接原假设） 2929 3.5.1置信区间法 数学S.A.T一例 设定自由度为d.f；假定显著性水平为 ，可得 /2/2 .1Ptd fttd f 1 1111 2 - / i t S x 11 11 /2/2/2/2 1/211/2 - . .1 Ptd fttd fPtd ftd f S Pt

14、d fStd fS 因为 H0： 1= ，H1：1 Step1: Step2: /2 .td f Step3: Step4:如果原假设的 值落在该区间中，则不拒绝原假设， 否则，拒绝原假设。 * * * 30 检验步骤：检验步骤： H0： 1=*， H1：1 * （2）以原假设H0构造t统计量，并由样本计算其值 1 * 1 - =t S 估计量 假设值 估计量的标准误 （3）给定显著性水平，查t分布表，得临界值 |t| t /2(n-2)，则拒绝H0 |t| t /2(n-2)，则不拒绝H0 （1）对总体参数提出假设 (4) 比较 判断 3.5.2变量的显著性检验 计量经计学中，主要是针对变量

15、的参 数真值是否为零来进行显著性检验的 双边检验 t /2(n-2)t (n-2) 单边检验 右侧检验t t (n-2)或左侧检 验t临界值3.355:在1%的显著性水平下拒绝1=0的零假设。 t=5.4354所对应的P值约为0.0006。P值越低越能拒绝原假设。 P值：统计量的 精确显著水平； 拒绝零假设最低 的显著水平 双边检验 P377 3636 3.5.2变量的显著性检验 数学S.A.T一例单边检验 H0： 10， H1：10这是因为预期的收入系数为正 1 1 0.0013 =5.4354 0.000245 t S 显著性水平临界值 0.011% 0.055% 0.1010% 2.89

16、6 1.860 1.397 t=5.43542.896:在1%的显著性水平下拒绝零假设。 给定显著性水平 ，查临界值：t (8) 对应的P值非常小 3737 二、变量的显著性检验 说明： 2、在经验分析中，常用的显著性水平 有1%、5%、10%。 为了避免选择显著水平的随意性，通常求出P值（精确地 显著水平）。如果计算的P值充分小，则拒绝零假设。 1、计量经计学中，主要是针对变量的参数真值是否 为零来进行显著性检验的，以判断X是否对Y具有显 著的线性性影响。 即H0： 1=0 3838 四、回归分析结果的报告P56 Se= (16.9061)(0.000245) t= (25.5774)(0.

17、0006) r2=0.7849 P值=（5.85*10-9）（0.0006） d.f.=8 数学S.A.T一例 样本回归函数 估计的回归系数的标准误 t值=估计的系数/其标准误 t值所对应的P值 判定系数 如果没有设定特殊的零假设，习惯性地规定零假设：总体参数为零。 若拒绝零假设，检验统计量是显著的，说明真实的总体参数不为零。 H0： 1=0，H1：10 H0： 0=0，H1：00 预先设定一个可接 受的P值水平，通常 为1%、5%、10% 临界P值计算P值 不能拒绝零假设 拒绝零假设 432.41380.0013 ii YX 3939 P值=（5.85*10-9）（0.0006） d.f.=

18、8 H0： 1=0，H1：10 H0： 0=0，H1：00 H0： 0=450，H1：0450 接上例： 如果： 432.4138450 1.0402 16.9061 t 对应的P值为0.3287 若设定的临界P值为10% 由于本例中计算的P值大于临界P值，所以不拒绝零假设 若设定的临界P值为1% 由于本例中计算的P值 小于临界P值，所以拒 绝零假设，即每个估 计系数是统计显著的。 40 3.6拟合优度检验 对样本回归直线与样本观测值之间拟合程度的检验。 问题：问题：采用普通最小二乘估计方法，已 经保证了模型最好地拟合了样本观测值， 为什么还要检验拟合程度？ 判定系数判定系数（可决系数可决系数

19、）R2 2 40 41 总离差平方和的分解总离差平方和的分解 样本回归直线 ii XY 10 iiiiiii yeYYYYYYy) () ( 由X的变异所 解释的部分 Yi的变异未解释部分或 残差的变异 41 4242 如果Yi=i 即实际观测值落在样本回归“线”上，则拟合拟合 最好最好。即“离差”全部来自回归线，而与“残差”无关。 43 22 )(YYyTSS ii总体平方和 22 ) (YYyESS ii 回归平方和 22 () iii RSSeYY 残差平方和 43 （Total Sum of Squares） （Explained Sum of Squares） （Residual S

20、um of Squares ） TSS=ESS+RSS 4444 1 E S SR S S T S ST S S T S SE S SR S S 总体平方和回归平方和残差平方和 2 1 R S S r T S S 2 2 2 i i e r y 度量的是回归模型对Y变异的解释比例 拟合优度、（样本）可决系数拟合优度、（样本）可决系数/ /判定系数判定系数 （coefficient of determination)coefficient of determination) 判定系数判定系数 2 ESS r TSS 4545 r r2 2越接近越接近1 1，说明实际观测点离样本线越近，拟合优度越

21、高，说明实际观测点离样本线越近，拟合优度越高。 判定系数是一个非负的统计量判定系数是一个非负的统计量 判定系数判定系数的取值范围取值范围：0，1 2 ESS r TSS 3.6拟合优度检验 4646 数学S.A.T一例 判定系数判定系数 22 2 22 () 7801.0776 1110.7869 ()36610 iii ii YYe r YYy 即收入变量X解释了数学分数79%的变异。 因此可以认为该样本回归线很好地拟合了总体回归函数 4747 四、回归分析结果的报告 r2=0.7849 数学S.A.T一例 判定系数 432.41380.0013 ii YX P56P57 4848 判定系数

22、r2相关系数r 2 rr 度量了两个变量X与Y之间的线性相关程度 数学S.A.T一例 2 0.78690.8871rr 说明数学分数与家庭年收入高度正相关 4949 第四节 模型预测数学S.A.T一例 回归分析的目的之一是： 00 YE Y X的估计量 根据解释变量的值解释变量的值应变量的均值应变量的均值 预测 假定解释变量的值解释变量的值 为某一固定值X0 需要估计 注意：注意：严格地说，这只是 被解释变量的预测值的估 计值，而不是预测值。 原因1：参数估计量不确定 原因2：随机项的影响 5050 第四节 模型预测数学S.A.T一例 根据前述（3-46）的回归分析的结果可知，参数估计量是显著

23、 的，模型通过了统计检验，可以进行预测。 432.41380.0013 ii YX 需要估计该收入下数学分的实际均值 假定家庭年收 入值X0=78000 780000 =78000 X YE Y X 的估计量 78000 432.41380.0013 78000533.8138 X Y 当家庭年收入为78000美元时，预测的数学平均分数为534分。 5151 0是条件均值E(Y|X=X0) 的一个无偏估计 当X=X0时, 0100 XY 0101000100 ) () () () (XEXEXEYE 可见，0是条件均值E(Y|X=X0)的无偏估计。 010 0 E Y XXX 但对于任一给定样

24、本， 是一个估计量， , 两者之差称为预测误差。 00 YE Y XX 为了估计这个误差，需要求出 的抽样分布 0 Y 0 Y 一方面一方面 另一方面另一方面 5252 ) )(1 (,( 2 2 02 0100 i x XX n XNY 第四节 模型预测 总体均值预测值的置信区间 由于 0100 XY ),( 2 2 11 i x N ),( 2 2 2 00 i i xn X N 可以 证明 )2( )( 0 0100 nt S XY t Y 在1-的置信度下，总体均值E(Y|X0)的置信区间为： 0 2 0 2 000 )|( YY StYXYEStY 以 代 替 2 2 5353 第四

25、节 模型预测 总体均值预测值的置信区间 总体均值E(Y|X0)95%的置信区间为： 0 2 0 2 000 )|( YY StYXYEStY 数学S.A.T一例 78000 432.41380.0013 78000533.8138 X Y 78000 =126.5754 X Var Y 78000 =11.2506 X S Y 533.8138-2.306 11.250678000533.81382.306 1 1.2506E Y X（）（） 507.869978000559.7577E Y X 若家庭年收入为78000美元，预测的数学平均分数以95%的 置信度落在507.9559.8之间，一

26、个最优估计值为533.8。 （3-55） 5454 第四节 模型预测 总体回归线的置信带 如果对表2-2中的每个X值建立诸如（3-55）的一个95%的置信 区间，则可以得到对应于每个家庭年收入水平下的真实数学分 数的置信区间或置信带，即总体回归线的置信带。 5555 第四节 模型预测 总体回归线的置信带 当 时，置信带的 宽度最小，在此附近进 行预测精度越大 越远离均值，置 信带越宽，预测 可信度下降 0 XX 56 56 五、正态性检验 上述的统计检验过程以误差项服从正态分布为基础 真实的误差项无法直接观察，因此，通过残差来获 悉误差项的正态性。检验方法有： 然而，上例中的误差项是否服从正态

27、分布呢？ 残差直方图 雅克-贝拉检验（JB test) 正态概率图 5757 回归分析概述 参数估计 模型检验 模型预测 双变量线性回归模型-小结 5858 双变量线性回归模型-小结 这两章介绍了回归分析的基本思想与基本 方法。从总体回归模型与总体回归函数、样本 回归模型和样本回归函数这两组概念开始，建 立了回归分析的基本思想。 总体回归函数是对总体变量间关系的定量 表述，由总体回归模型若干基本假设下得到， 但它只是建立在理论之上，在现实中只能先从 总体中抽取一个样本，获得样本回归函数，并 用它对总体回归函数做出统计推断。 59 由于置信区间一定程度地给出了样本 参数估计值与总体参数真值的“接近” 程度，因此置信区间越小越好。 如何缩小置信区间？ 59 60 如何缩小置信区间？ （1 1）增大样本容量）增大样本容量n n，因为在同样的置信水平 下，n越大，t分布表中的临界值越小；同时，增大 样本容量，还可使样本参数估计量的标准差减小； （2 2）提高模型的拟合优度）提高模型的拟合优度，因为样本参数估计 量的标准差与残差平方和呈正比，模型拟合优度越 高，残差平方和应越小。 60 61 作业 复习时思考3.10综合实例、问题 练习本作业3.7；3.8；3.11；3.14（其中b、 c两问不用做在练习本上）；3.20；3.21