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第二章 一元线性回归2.1思想与方法一、总体回归线一、总体回归线计量经济学：研究包含随机的经济变量间关系的学科。在回归分析中，我们希望通过一个或多个变量（解释变量：X），来解释或说明我们关注的一个变量（被解释变量：Y）。但是，随机变量不确定性。（例，收入一定条件下的消费额），不过很多情况下，虽然个体的取值不确定，但是从总体上看，变量间则呈现出一定的规律。例如，收入越高，消费一般越多；父亲越高，儿子一般也越高。用术语来讲，一般即是均值（期望）的概念，用图形表示如下：散点图发现：随着收入的增加，消费“平均地说平均地说”也在增加。这条总体均值连线称为总体回归线总体回归线。（以后假定：Y的条件均值均落在一根直线上）05001000150020002500300035005001000150020002500300035004000每月可支配收入X（元）每月消费支出Y（元）概念：在给定解释变量Xi条件下被解释变量Yi的期望轨迹称为总体回归线总体回归线（population regression line），或更一般地称为总体回归曲线总体回归曲线（population regression curve）。称为（双变量）总体回归函数总体回归函数（population regression function,PRF）。相应的函数：二、总体回归函数二、总体回归函数 回归函数（PRF）说明被解释变量Y的平均状态（总体条件期望）随解释变量X变化的规律。含义：含义：PRF函数形式函数形式：可以是线性或非线性的。（在以上人为的数字特例的中为线性）例2.1中，将居民消费支出看成是其可支配收入的线性函数时:为一线性函数。线性函数。其中，0，1是未知参数，称为回归系数回归系数（regression coefficients）。三、随机扰动项三、随机扰动项 总体回归函数说明在给定的收入水平Xi下，该社区家庭平均的消费支出水平。但对某一个别的家庭，其消费支出可能与该平均水平有偏差。称i为观察值Yi围绕它的期望值E(Y|Xi)的离差离差（deviation），是一个不可观测的随机变量，又称为随机干扰项随机干扰项（stochastic disturbance）或随机误随机误差项差项（stochastic error）。记例2.1中，个别家庭的消费支出为：（*）式称为总体回归函数总体回归函数（方程）（方程）PRFPRF的随机设的随机设定形式。表明被解释变量除了受解释变量的系统性影定形式。表明被解释变量除了受解释变量的系统性影响外，还受其他因素的随机性影响响外，还受其他因素的随机性影响。（1）该收入水平下所有家庭的平均消费支出E(Y|Xi)，称为系统性（系统性（systematic）或确定性确定性（deterministic)部分部分。（2）其他随机随机或非确定性非确定性（nonsystematic)部分部分 i。即，给定收入水平Xi,个别家庭的支出可表示为两部分之和:(*)由于方程中引入了随机项，成为计量经济学模型，因此也称为总体回归模型总体回归模型。随机误差项主要包括下列因素的影响：随机误差项主要包括下列因素的影响：1）在解释变量中被忽略的因素的影响；2）变量观测值的观测误差的影响；3）模型关系的设定误差的影响；4）其它随机因素的影响。产生并设计随机误差项的主要原因：产生并设计随机误差项的主要原因：1）理论的含糊性；2）数据的欠缺；3）节省原则。四、样本回归函数（四、样本回归函数（SRF）问题：问题：能从一次抽样中获得总体的近似的信息吗？如果可以，如何从抽样中获得总体的近似信息？问：能否从该样本估计总体回归函数PRF？回答：能 例例2.2：在例2.1的总体中有如下一个样本，总体的信息往往无法掌握，现实的情况只能是在一次观测中得到总体的一个样本。核样本的散点图散点图（scatter diagram)：样本散点图近似于一条直线，画一条直线以尽好地拟合该散点图，由于样本取自总体，可以该线近似地代表总体回归线。该线称为样本样本回归回归线线（sample regression lines）。）。记样本回归线的函数形式为：称为样本回归函数样本回归函数（sample regression function，SRF）。这里将样本回归线样本回归线看成总体回归线总体回归线的近似替代则 注意：注意：这里将样本回归线样本回归线看成总体回归线总体回归线的近似替代则 注意：注意：样本回归函数的随机形式样本回归函数的随机形式/样本回归模型样本回归模型：同样地，样本回归函数也有如下的随机形式：由于方程中引入了随机项，成为计量经济模型，因此也称为样本回归模型样本回归模型（sample regression model）。回回归归分分析析的的主主要要目目的的：根据样本回归函数SRF，估计总体回归函数PRF。注意：注意：这里PRF可能永远无法知道。即，根据 估计小结变量间的关系：确定关系、相关关系回归分析：被解释变量、解释变量总体回归函数：离差、随机误差项：总体回归模型：样本回归函数：残差：样本回归模型：第二讲第二讲 ：一元线性回归模型一元线性回归模型 经典单方程计量经济学模型经典单方程计量经济学模型2.12.1回归分析概述回归分析概述 2.22.2一元线性回归模型的参数估计一元线性回归模型的参数估计 2.32.3一元线性回归模型检验一元线性回归模型检验2.42.4一元线性回归模型预测一元线性回归模型预测2.52.5实例实例2.2 2.2 一元线性回归模型的参数估计一元线性回归模型的参数估计 一、一元线性回归模型的基本假设一、一元线性回归模型的基本假设 二、参数的普通最小二乘估计（二、参数的普通最小二乘估计（OLSOLS）三、最小二乘估计量的性质三、最小二乘估计量的性质 四、参数估计量的概率分布及随机干四、参数估计量的概率分布及随机干 扰项方差的估计扰项方差的估计 单方程计量经济学模型分为两大类：线性模型和非线性模型线性模型中，变量之间的关系呈线性关系非线性模型中，变量之间的关系呈非线性关系 一元线性回归模型一元线性回归模型：只有一个解释变量 i=1,2,nY为被解释变量，X为解释变量，0与1为待估待估参数参数，为随机干扰项随机干扰项 回归分析的主要目的回归分析的主要目的是要通过样本回归函数（模型）SRF尽可能准确地估计总体回归函数（模型）PRF。估计方法估计方法有多种，其种最广泛使用的是普通普通最小二乘法最小二乘法（ordinary least squares,OLS）。为保证参数估计量具有良好的性质，通常对为保证参数估计量具有良好的性质，通常对模型提出若干基本假设。模型提出若干基本假设。注：实际这些假设与所采用的估计方法紧密相关。一、线性回归模型的基本假设一、线性回归模型的基本假设 假设1、解释变量X是确定性变量，不是随机变量；假设2、随机误差项具有零均值、同方差和不序列相关性：E(i)=0 i=1,2,n Var(i)=2 i=1,2,n Cov(i,j)=0 ij i,j=1,2,n 假设3、随机误差项与解释变量X之间不相关：Cov(Xi,i)=0 i=1,2,n 假设4、服从零均值、同方差、零协方差的正态分布 iN(0,2)i=1,2,n 1、如果假设1、2满足，则假设3也满足;2、如果假设4满足，则假设2也满足。注意：注意：以上假设也称为线性回归模型的经典假设经典假设或高斯（高斯（Gauss）假设假设，满足该假设的线性回归模型，也称为经典线性回归模型经典线性回归模型（Classical Linear Regression Model,CLRM）。另外另外，在进行模型回归时，还有两个暗含的假设：假设5：随着样本容量的无限增加，解释变量X的方差趋于一有限常数。即 假设6：回归模型是正确设定的 假设5旨在排除时间序列数据出现持续上升或下降的变量作为解释变量，因为这类数据不仅使大样本统计推断变得无效，而且往往产生所谓的伪回归问题伪回归问题（spurious regression problem）。假设6也被称为模型没有设定偏误设定偏误（specification error）为保证模型参数有解假设7：观测值得数量大于参数的数量。在一元线性回归模型中，n2.二、参数的普通最小二乘估计（二、参数的普通最小二乘估计（OLSOLS）给定一组样本观测值（Xi,Yi）（i=1,2,n）要求样本回归函数尽可能好地拟合这组值.普通最小二乘法普通最小二乘法（Ordinary least squares,OLS）给出的判断标准是：二者之差的平方和最小。方程组（*）称为正规方程组正规方程组（normal equations）。记上述参数估计量可以写成：称为OLS估计量的离差形式离差形式（deviation form）。）。由于参数的估计结果是通过最小二乘法得到的，故称为普通普通最小二乘估计量最小二乘估计量（ordinary least squares estimators）。顺便指出，记则有 可得（*）式也称为样本回归函数样本回归函数的离差形式离差形式。（*）注意：注意：在计量经济学中，往往以小写字母表示对均值的离差。三、最小二乘估计量的性质三、最小二乘估计量的性质 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。（4）渐渐近近无无偏偏性性，即样本容量趋于无穷大时，是否它的均值序列趋于总体真值；（5）一一致致性性，即样本容量趋于无穷大时，它是否依概率收敛于总体的真值；（6）渐渐近近有有效效性性，即样本容量趋于无穷大时，是否它在所有的一致估计量中具有最小的渐近方差。这三个准则也称作估计量的小样本性质。小样本性质。拥有这类性质的估计量称为最佳线性无偏估计最佳线性无偏估计量量（best liner unbiased estimator,BLUE）。当不满足小样本性质时，需进一步考察估计量的大样本大样本或或渐近性质渐近性质：高斯高斯马尔可夫定理马尔可夫定理(Gauss-Markov theorem)在给定经典线性回归的假定下，最小二乘估计量是具有最小方差的线性无偏估计量。证：证：易知故同样地，容易得出（2）证明最小方差性其中，ci=ki+di，di为不全为零的常数则容易证明 普通最小二乘估计量普通最小二乘估计量（ordinary least Squares Estimators）称为最佳线性无偏估计量最佳线性无偏估计量（best linear unbiased estimator,BLUE）由于最小二乘估计量拥有一个由于最小二乘估计量拥有一个“好好”的估计量的估计量所应具备的小样本特性，它自然也拥有大样本特性所应具备的小样本特性，它自然也拥有大样本特性。四、参数估计量的概率分布及随机干扰四、参数估计量的概率分布及随机干扰项方差的估计项方差的估计 2、随机误差项、随机误差项 的方差的方差 2的估计的估计 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。2又称为总体方差总体方差。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它是关于2的无偏估计量。2.3 一元线性回归模型的统一元线性回归模型的统计检验计检验 一、拟合优度检验一、拟合优度检验 二、变量的显著性检验二、变量的显著性检验 三、参数的置信区间三、参数的置信区间 回归分析回归分析是要通过样本所估计的参数来代替总体的真实参数，或者说是用样本回归线代替总体回归线。尽管从统计性质统计性质上已知，如果有足够多的重复 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统计检验统计检验。主要包括拟合优度检验拟合优度检验、变量的显著性检验显著性检验及参数的区间估计区间估计。一、拟合优度检验一、拟合优度检验 拟合优度检验拟合优度检验：对样本回归直线与样本观测值之间拟合程度的检验。度量拟合优度的指标度量拟合优度的指标：判定系数判定系数（可决可决系数系数）R2 2 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？1 1、总离差平方和的分解、总离差平方和的分解 已知由一组样本观测值（Xi,Yi），i=1,2,n得到如下样本回归直线 如果Yi=i 即实际观测值落在样本回归“线”上，则拟合最好拟合最好。可认为，“离差”全部来自回归线，而与“残差”无关。对于所有样本点，则需考虑这些点与样本均值离差的平方和,可以证明：记总体平方和总体平方和（Total Sum of Squares）回归回归解释平方和解释平方和（Explained Sum of Squares）残差平方和残差平方和（Residual Sum of Squares）TSS=ESS+RSS Y的观测值围绕其均值的总离差总离差(total variation)可分解为两部分：一部分来自回归线一部分来自回归线(ESS)，另一部分则来自随机势力另一部分则来自随机势力(RSS)。在给定样本中，TSS不变，如果实际观测点离样本回归线越近，则ESS在TSS中占的比重越大，因此 拟合优度拟合优度：回归平方和：回归平方和ESS/YESS/Y的总离差的总离差TSSTSS2、可决系数、可决系数R2 2统计量统计量 称 R2 为（样本）（样本）可决系数可决系数/判定系数判定系数（coefficient of determination)。可决系数可决系数的取值范围取值范围：0，1 R2 2越接近越接近1 1，说明实际观测点离样本线越近，拟，说明实际观测点离样本线越近，拟合优度越高合优度越高。在例2.1.1的收入收入-消费支出消费支出例中，注：可决系数注：可决系数是一个非负的统计量。它也是随是一个非负的统计量。它也是随着抽样的不同而不同。为此，对可决系数的统计着抽样的不同而不同。为此，对可决系数的统计可靠性也应进行检验，这将在第可靠性也应进行检验，这将在第3章中进行。章中进行。二、变量的显著性检验二、变量的显著性检验 回归分析回归分析是要判断解释变量解释变量X是否是被解释变被解释变量量Y的一个显著性的影响因素。在一元线性模型一元线性模型中，就是要判断X是否对Y具有显著的线性性影响。这就需要进行变量的显著性变量的显著性检验。检验。变量的显著性检验所应用的方法是数理统计学变量的显著性检验所应用的方法是数理统计学中的中的假设检验假设检验。计量经计学中计量经计学中，主要是针对变量的参数真值是，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。否为零来进行显著性检验的。1、假设检验、假设检验 所谓假设检验假设检验，就是事先对总体参数或总体分就是事先对总体参数或总体分布形式作出一个假设，然后利用样本信息来判断布形式作出一个假设，然后利用样本信息来判断原假设是否合理，即判断样本信息与原假设是否原假设是否合理，即判断样本信息与原假设是否有显著差异，从而决定是否接受或否定原假设有显著差异，从而决定是否接受或否定原假设。假设检验采用的逻辑推理方法是反证法。假设检验采用的逻辑推理方法是反证法。先假定原假设正确，然后根据样本信息，观察由此假设而导致的结果是否合理，从而判断是否接受原假设。判断结果合理与否，是基于判断结果合理与否，是基于“小概率事件不易小概率事件不易发生发生”这一原理的这一原理的 2、变量的显著性检验、变量的显著性检验 检验步骤：检验步骤：（1）对总体参数提出假设 H0：1=0，H1：10（2）以原假设H0构造t统计量，并由样本计算其值（3）给定显著性水平，查t分布表，得临界值t/2(n-2)(4)比较，判断 若|t|t/2(n-2)，则拒绝H0，接受H1；若|t|t/2(n-2)，则拒绝H1，接受H0；对于一元线性回归方程中的0，可构造如下t统计量进行显著性检验：在上述收入-消费支出例中，首先计算2的估计值 t统计量的计算结果分别为：给定显著性水平=0.05，查t分布表得临界值 t 0.05/2(8)=2.306|t1|2.306，说明家庭可支配收入在家庭可支配收入在95%95%的置信的置信度下显著，即是消费支出的主要解释变量；度下显著，即是消费支出的主要解释变量；|t2|2.306,表明在95%的置信度下，无法拒绝截距项为零的假设。假设检验假设检验可以通过一次抽样的结果检验总体参数可能的假设值的范围（如是否为零），但它并没有指出在一次抽样中样本参数值到底离总体参数的真值有多“近”。要判断样本参数的估计值在多大程度上可以“近似”地替代总体参数的真值，往往需要通过构造一个以样本参数的估计值为中心的“区间”，来考察它以多大的可能性（概率）包含着真实的参数值。这种方法就是参数检验的置信区间估置信区间估计计。三、参数的置信区间三、参数的置信区间 如 果 存 在 这 样 一 个 区 间，称 之 为 置置 信信 区区 间间（confidence interval）；1-称为置置信信系系数数（置置信信度度）（confidence coefficient），称为显显著著性性水水平平（level of significance）；置 信 区 间 的 端 点 称 为 置置 信信 限限（confidence limit）或临界值临界值（critical values）。一元线性模型中一元线性模型中，i(i=1，2）的置信区间的置信区间:在变量的显著性检验中已经知道：意味着，如果给定置信度（1-），从分布表中查得自由度为(n-2)的临界值，那么t值处在(-t/2,t/2)的概率是(1-)。表示为：即于是得到:(1-)的置信度下,i的置信区间是 在上述收入收入-消费支出消费支出例中，如果给定=0.01，查表得：由于于是，1、0的置信区间分别为：（0.6345,0.9195)（-433.32,226.98）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。要缩小置信区间，需 （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。2.4 一元线性回归分析的应用：预测问一元线性回归分析的应用：预测问题题 一、一、0 0是条件均值是条件均值E(Y|X=X0)或个值或个值Y0的一个的一个无偏估计无偏估计二、总体条件均值与个值预测值的置信区间二、总体条件均值与个值预测值的置信区间 对于一元线性回归模型 给定样本以外的解释变量的观测值X0，可以得到被解释变量的预测值 0 0，可以此作为其条件均条件均值值E(Y|X=X0)或个别值个别值Y0的一个近似估计。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；（2）随机项的影响 一、一、0 0是条件均值是条件均值E(Y|X=X0)或个值或个值Y0的一个无偏估计的一个无偏估计对总体回归函数总体回归函数E(Y|X=X0)=0+1X，X=X0时 E(Y|X=X0)=0+1X0于是可可见见，0是条件均值是条件均值E(Y|X=X0)的无偏的无偏估计。估计。对总体回归模型总体回归模型Y=0+1X+，当X=X0时于是 二、总体条件均值与个值预测值的置信二、总体条件均值与个值预测值的置信区间区间 1、总体均值预测值的置信区间、总体均值预测值的置信区间 由于 于是可以证明 因此 故 其中于是，在1-的置信度下，总体均值总体均值E(Y|X0)的置信区间为的置信区间为 2、总体个值预测值的预测区间、总体个值预测值的预测区间 由 Y0=0+1X0+知:于是 式中:从而在1-的置信度下，Y0的置信区间的置信区间为 在上述收入收入-消费支出消费支出例中，得到的样本回归函数为 则在 X0=1000处，0=103.172+0.7771000=673.84 而 因此，总体均值总体均值E(Y|X=1000)的95%的置信区间为：673.84-2.30661.05 E(Y|X=1000)673.84+2.30661.05或 （533.05,814.62）同样地，对于Y在X=1000的个体值个体值，其95%的置信区间为：673.84-2.30661.05Yx=1000 673.84+2.30661.05或 (372.03,975.65)总体回归函数的置信带（域）置信带（域）（confidence band）个体的置信带（域）置信带（域）对于Y的总体均值E(Y|X)与个体值的预测区间（置信区间）:（1）样本容量n越大，预测精度越高，反之预测精度越低；（2）样本容量一定时，置信带的宽度当在X均值处最小，其附近进行预测（插值预测）精度越大；X越远离其均值，置信带越宽，预测可信度下降。2.5 实例：时间序列问题实例：时间序列问题 一、中国居民人均消费模型一、中国居民人均消费模型 二、时间序列问题二、时间序列问题 一、中国居民人均消费模型一、中国居民人均消费模型 例例2.5.1 考察中国居民收入与消费支出的关系。GDPP：人均国内生产总值人均国内生产总值（1990年不变价）CONSP：人均居民消费人均居民消费（以居民消费价格指数（1990=100）缩减）。该两组数据是19782000年的时时间间序序列列数数据据（time series data）；1、建立模型、建立模型 拟建立如下一元回归模型 采用Eviews软件软件进行回归分析的结果见下表 前述收入收入-消费支出例消费支出例中的数据是截面数据截面数据（cross-sectional data）。一般可写出如下回归分析结果：(13.51)(53.47)R2=0.9927 F=2859.23 DW=0.5503 2、模型检验、模型检验 R2=0.9927T值：C：13.51，GDPP：53.47 临界值:t0.05/2(21)=2.08斜率项：00.38621，符合绝对收入假说3、预测、预测 2001年：GDPP=4033.1（元）（90年不变价）点估计：CONSP2001=201.107+0.38624033.1=1758.7（元）2001年实测实测的CONSP（1990年价）:1782.2元，相对误差相对误差:-1.32%。2001年人均居民消费的预测区间预测区间 人均GDP的样本均值样本均值与样本方差样本方差：E(GDPP)=1823.5 Var(GDPP)=982.042=964410.4 在95%的置信度下，E(CONSP2001)的预测区间的预测区间为：=1758.740.13或：（1718.6,1798.8）同样地，在95%的置信度下，CONSP2001的预测区间的预测区间为：=1758.786.57或 （1672.1,1845.3）二、时间序列问题二、时间序列问题 上述实例表明，时间序列完全可以进行类似于截面数据的回归分析。然而，在时间序列回归分析中，有两个需注意的问题：第一，关于抽样分布的理解问题。第一，关于抽样分布的理解问题。能把表2.5.1中的数据理解为是从某个总体中抽出的一个样本吗？可决系数R2，考察被解释变量Y的变化中可由解释变量X的变化“解释解释”的部分。这里“解释解释”能否换为“引起引起”?第二，关于第二，关于“伪回归问题伪回归问题”（spurious spurious regression problemregression problem）。）。在现实经济问题中，对时间序列数据作回归，即使两个变量间没有任何的实际联系，也往往会得到较高的可决系数，尤其对于具有相同变化趋具有相同变化趋势（同时上升或下降）的变量势（同时上升或下降）的变量，更是如此。这种现象被称为“伪回归伪回归”或“虚假回归虚假回归”。