计量经济学之一元线性回归模型演示教学.ppt
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1、计量经济学之一元线性回归模型一、变量间的关系及回归分析的基本概念一、变量间的关系及回归分析的基本概念1.变量间的关系变量间的关系(1)确定性关系确定性关系或函数关系函数关系:研究的是确定现象非随机变量间的关系。(2)统计依赖)统计依赖或相关关系:相关关系:研究的是非确定现象随机变量间的关系。对变量间对变量间统计依赖关系统计依赖关系的考察主要是通过的考察主要是通过相关相关分析分析(correlation analysis)或或回归分析回归分析(regression analysis)来完成的来完成的注意注意不线性相关并不意味着不相关。有相关关系并不意味着一定有因果关系。回归分析回归分析/相关分析
2、相关分析研究一个变量对另一个(些)变量的统计依赖关系,但它们并不意味着一定有因果关系。相关分析相关分析对称地对待任何(两个)变量,两个变量都被看作是随机的。回归分析回归分析对变量的处理方法存在不对称性,即区分应变量(被解释变量)和自变量(解释变量):前者是随机变量,后者不是。2.回归分析的基本概念回归分析的基本概念回归分析回归分析(regression analysis)(regression analysis)是研究一个变量关于另一个(些)变量的具体依赖关系的计算方法和理论。其目的其目的在于通过后者的已知或设定值,去估计和(或)预测前者的(总体)均值。被解释变量被解释变量(Explained
3、 Variable)或应变量应变量(Dependent Variable)。解释变量解释变量(Explanatory Variable)或自变量自变量(Independent Variable)。回归分析构成计量经济学的方法论基础,其主回归分析构成计量经济学的方法论基础,其主要内容包括:要内容包括:(1)根据样本观察值对经济计量模型参数进行估计,求得回归方程;(2)对回归方程、参数估计值进行显著性检验;(3)利用回归方程进行分析、评价及预测。二、总体回归函数二、总体回归函数回归分析回归分析关心的是根据解释变量的已知或关心的是根据解释变量的已知或给定值,考察被解释变量的总体均值给定值,考察被解释
4、变量的总体均值,即当解释变量取某个确定值时,与之统计相关的被解释变量所有可能出现的对应值的平均值。例例2.1:一个假想的社区有100户家庭组成,要研究该社区每月家庭消费支出家庭消费支出Y与每月家庭可家庭可支配收入支配收入X的关系。即如果知道了家庭的月收入,能否预测该社区家庭的平均月消费支出水平。为达到此目的,将该100户家庭划分为组内收入差不多的10组,以分析每一收入组的家庭消费支出。由于不确定因素的影响,对同一收入水平X,不同家庭的消费支出不完全相同;但由于调查的完备性,给定收入水平X的消费支出Y的分布是确定的,即以X的给定值为条件的Y的条件分布条件分布(Conditional distri
5、bution)是已知的,例如:P(Y=561|X=800)=1/4。因此,给定收入X的值Xi,可得消费支出Y的条件均值条件均值(conditional mean)或条件期望条件期望(conditional expectation):E(Y|X=Xi)。该例中:E(Y|X=800)=561描出散点图发现:随着收入的增加,消费“平平均地说均地说”也在增加,且Y的条件均值均落在一根正斜率的直线上。这条直线称为总体回归总体回归线线。05001000150020002500300035005001000150020002500300035004000每月可支配收入X(元)每月消费支出Y(元)在给定解释变
6、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:含义:含义: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。函数形式:函数形式:可以是线性或非线性的。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
7、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。称为观察值围绕它的期望值的离差离差(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)或随机误差项随机误差项(stochastic error)。例2.1中,给定收入水平Xi,个别家庭的支出可表示为两部分之和:(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
8、性(deterministic)部分;部分;(2)其他随机随机或非确定性非确定性(nonsystematic)部部分分 i。称为总体回归函数(PRF)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响外,还受其他因素的随机性影响。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。随机误差项主要包括下列因素:随机误差项主要包括下列因素:在解释变量中被忽略的因素的影响;变量观测值的观测误差的影响;模型关系的设定误差的影响;其他随机因素的影响。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:理论的含糊性;数据的欠缺;节省原则。四、样本回归函数(四、样本回归函数
9、(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?例例2.2:在例2.1的总体中有如下一个样本,能否从该样本估计总体回归函数PRF?回答:能 该样本的散点图散点图(scatter diagram):画一条直线以尽好地拟合该散点图,由于样本取自总体,可以该直线近似地代表总体回归线。该直线称为样本回归线样本回归线(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)。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
10、的近似替代则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。即,根据 估计注意:注意:这里PRF可能永远无法知道。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、一元线性回归模型的基本假设一元线性回归模型的基本假设 二、二、参数的普通最小二乘估计(参数的普通最小二乘估计(OLSOLS)三、
11、三、参数估计的最大或然法参数估计的最大或然法(ML)(ML)四、四、最小二乘估计量的性质最小二乘估计量的性质 五、五、参数估计量的概率分布及随机干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 说说 明明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: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
12、有多种,其中最广泛使用的是普通最普通最小二乘法小二乘法(ordinary least squares,OLS)。为保证参数估计量具有良好的性质,通常对模型提出若干基本假设。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
13、分布 iN(0,2)i=1,2,n1.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经典假设设或高斯(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的样本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
14、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)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
15、(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、参数估计的最大或然法三、参数估计的最大或然法(ML)最大或然法最大或然法(Maximum Likelihood,简称ML),也称最大似然法最大似然法,是不同于最小二乘法的另一种参数估计方法,是从最大或然原理出发发展起来的其他估计方法的基础。基本原理基本
16、原理:对于最大或然法最大或然法,当从模型总体随机抽取n组样本观测值后,最合理的参数估计量应该使得从模型中抽取该n组样本观测值的概率最大。在满足基本假设条件下,对一元线性回归模型:随机抽取n组样本观测值(Xi,Yi)(i=1,2,n)。那么Yi服从如下的正态分布:于是,Y的概率函数为(i=1,2,n)假如模型的参数估计量已经求得,为因为Yi是相互独立的,所以的所有样本观测值的联合概率,也即或然函数或然函数(likelihood function)(likelihood function)为:将该或然函数极大化,即可求得到模型参数的极大或然估计量。由于或然函数的极大化与或然函数的对数的极大化是等价
17、的,所以,取对数或然函数如下:解得模型的参数估计量为:可见,在满足一系列基本假设的情况下,模型结构参数的最最大大或或然然估估计计量量与普普通通最最小小二二乘乘估估计计量量是相同的。例例2.2.1:在上述家庭可支配收入可支配收入-消费支出消费支出例中,对于所抽出的一组样本数,参数估计的计算可通过下面的表2.2.1进行。因此,由该样本估计的回归方程为:四、最小二乘估计量的性质四、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
18、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。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)。(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。当不满足小样本性质
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