计量经济学第二章一元线性回归模型evjy.pptx

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1、第二章 经典单方程计量经济学模型：一元线性回归模型回归分析概述 一元线性回归模型的参数估计 一元线性回归模型的检验一元线性回归模型的预测实例5/8/2023 1 LOUYONG2.1 回归分析概述一、变量间的关系及回归分析的基本概念二、总体回归函数（PRF）三、随机扰动项四、样本回归函数（SRF）5/8/2023 2 LOUYONG一、变量间的关系及回归分析的基本概念1.变量间的关系（1）确定性关系或函数关系：研究的是确定现象非随机变量间的关系。（2）统计依赖或相关关系：研究的是非确定现象随机变量间的关系。5/8/2023 3 LOUYONGn 对变量间统计依赖关系的考察主要是通过相关分析(c

2、orrelation analysis)或回归分析(regression analysis)来完成的5/8/2023 4 LOUYONGn 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。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。5/8/2023 5 LOUYONG2.回归分析的基本概念n 回归分析(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。n 其目的在于通过后者的已知或设定值，去

3、估计和（或）预测前者的（总体）均值。n 被解释变量（Explained Variable）或应变量（Dependent Variable）。n 解释变量（Explanatory Variable）或自变量（Independent Variable）。5/8/2023 6 LOUYONGn 回归分析构成计量经济学的方法论基础，其主要内容包括：（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。5/8/2023 7 LOUYONG二、总体回归函数（PRF）n 回归分析关心的是根据解释变量的已知或给定值，考

4、察被解释变量的总体均值，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。5/8/2023 8 LOUYONGn 例2.1n 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Y与每月家庭可支配收入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。5/8/2023 9 LOUYONG5/8/2023 10 LOUYONGn 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；n 但由于调查的完备性，给定收入水平X的消

5、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（Conditional distribution）是已知的，例如：P(Y=561|X=800）=1/4。5/8/2023 11 LOUYONGn 因此，给定收入X的值Xi，可得消费支出Y的条件均值（conditional mean）或条件期望（conditional expectation）：E(Y|X=Xi)。n 该例中：E(Y|X=800)=605n 描出散点图发现：随着收入的增加，消费“平均地说”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线。5/8/2023 12 LOUYONG05001000150

6、02000250030003500500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000每月可支配收入X（元）每月消费支出Y（元）5/8/2023 13 LOUYONGn 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（population regression line），或更一般地称为总体回归曲线（population regression curve）。称为（双变量）总体回归函数（population regression function,PRF）。相应的函数：5/8/2023 14 LOUYONGn 含义：回归函数（PRF）说明被解释变量Y的平均

7、状态（总体条件期望）随解释变量X变化的规律。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。其中，0，1是未知参数，称为回归系数（regression coefficients）。5/8/2023 15 LOUYONG三、随机扰动项n 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。n 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。n 称为观察值围绕它的期望值的离差（deviation），是一个不可观测的随机变量，又称为随机干扰项（stochastic disturbance）或随机误差项（stochasti

8、c error）。5/8/2023 16 LOUYONGn 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（systematic）或确定性（deterministic)部分；（2）其他随机或非确定性（nonsystematic)部分i。5/8/2023 17 LOUYONGn 上式称为总体回归函数（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。n 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。5/8/2023 18 LOUYONGn 随机误差

9、项主要包括下列因素n 在解释变量中被忽略的因素的影响；n 变量观测值的观测误差的影响；n 模型关系的设定误差的影响；n 其他随机因素的影响。n 产生并设计随机误差项的主要原因n 理论的含糊性；n 数据的欠缺；n 节省原则。5/8/2023 19 LOUYONG四、样本回归函数（SRF）n 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？n 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？5/8/2023 20 LOUYONG 该样本的散点图（scatter diagram)：n 画一条直线以尽好地拟合该散点图，由于样本取自总

10、体，可以该直线近似地代表总体回归线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（sample regression lines）。5/8/2023 21 LOUYONGn 记样本回归线的函数形式为：称为样本回归函数（sample regression function，SRF）。5/8/2023 22 LOUYONG样本回归函数的随机形式/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（sample regression model）。5/8/2023 23 LOUYONG回 归 分 析 的 主 要 目 的：根据样本

11、回归函数SRF，估计总体回归函数PRF。即，根据 估计5/8/2023 24 LOUYONG2.2 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 二、参数的普通最小二乘估计（OLS）三、参数估计的最大似然法(ML)*四、最小二乘估计量的性质 五、参数估计量的概率分布及随机干 扰项方差的估计5/8/2023 25 LOUYONG 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 5/8/2023

12、26 LOUYONG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,n5/8/2023 27 LOUYONG1.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 以上假设也称为线性回归模型的经典假设或高斯（Gauss）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（Classical Linear Regression Model,CLRM）。5/8/2023 28 LOUYONG 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

13、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 5/8/2023 29 LOUYONG二、参数的普通最小二乘估计（OLS）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（Ordinary least squares,OLS）给出的判断标准是：二者之差的平方和最小。5/8/2023 30 LOUYONG方程组（*）称为正规方程组（normal equations）。5/8/2023 31 LOUYONG记上述参数估计量可以写成：称为OLS估计量的离差形式（deviation form）。由于参数的估计结果是通过最

14、小二乘法得到 的，故称为普通最小二乘估计量（ordinary least squares estimators）。5/8/2023 32 LOUYONG 例2.2.1：在上述家庭可支配收入-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。5/8/2023 33 LOUYONG因此，由该样本估计的回归方程为：15/8/2023 34 LOUYONG 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，即它是否是另一

15、随机变量的线性函数；5/8/2023 35 LOUYONG（2）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，即它是否在所有线性无偏估计量中具有最小方差。n 这三个准则也称作估计量的小样本性质。拥有这类性质的估计量称为最佳线性无偏估计量（best liner unbiased estimator,BLUE）。5/8/2023 36 LOUYONG（4）渐近无偏性，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）一致性，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）渐近有效性，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

16、小样本性质时，需进一步考察估计量的大样本或渐近性质：5/8/2023 37 LOUYONG 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。高斯马尔可夫定理(Gauss-Markov theorem)5/8/2023 38 LOUYONG5/8/2023 39 LOUYONG五、参数估计量的概率分布及随机干扰项方差的估计 5/8/2023 40 LOUYONG2.随机误差项的方差2的估计2又称为总体方差。5/8/2023 41 LOUYONG由于随机项i不可观测，只能从i的估计残差ei出发，对总体方差进行估计。可以证明，2的最小二乘估计量为它是关于2的无偏估计量。5/

17、8/2023 42 LOUYONG5/8/2023 43 LOUYONG2.3 一元线性回归模型的统计检验 一、拟合优度检验 二、变量的显著性检验 三、参数的置信区间 5/8/2023 44 LOUYONGn 在抽样中，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。n 主要包括拟合优度检验、变量的显著性检验及参数的区间估计。5/8/2023 45 LOUYONG 一、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：判定系数（可决系数）R2 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

18、合程度？5/8/2023 46 LOUYONG 1、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 5/8/2023 47 LOUYONG5/8/2023 48 LOUYONG 如果Yi=i 即实际观测值落在样本回归“线”上，则拟合最好。可认为，“离差”全部来自回归线，而与“残差”无关。5/8/2023 49 LOUYONGTSS=ESS+RSS记总体平方和（Total Sum of Squares）回归平方和（Explained Sum of Squares）残差平方和（Residual Sum of Squares）5/8/2023 50 LOU

19、YONG2、可决系数R2统计量 称 R2 为（样本）可决系数/判定系数（coefficient of determination)。可决系数的取值范围：0，1 R2越接近1，说明实际观测点离样本线越近，拟合优度越高。5/8/2023 51 LOUYONG 在例2.1.1的收入消费支出例中，5/8/2023 52 LOUYONG 二、变量的显著性检验 回归分析是要判断解释变量X是否是被解释变量Y的一个显著性的影响因素。在一元线性模型中，就是要判断X是否对Y具有显著的线性影响。这就需要进行变量的显著性检验。变量的显著性检验所应用的方法是数理统计学中的假设检验。计量经济学中，主要是针对变量的参数真值

20、是否为零来进行显著性检验的。5/8/2023 53 LOUYONG 1、假设检验 所谓假设检验，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。5/8/2023 54 LOUYONGn 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。n 判断结果合理与否，是基于“小概率事件不易发生”这一原理的5/8/2023 55 LOUYONG 2、变量的显著性检验 5/8/2023 56 LOUYONG 检验步骤：（1）对

21、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)5/8/2023 57 LOUYONG(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；5/8/2023 58 LOUYONG在上述收入消费支出例中，首先计算2的估计值 5/8/2023 59 LOUYONGt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95%的置信度下显著，即是消费支出的

22、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。5/8/2023 60 LOUYONG 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”。三、参数的置信区间 5/8/2023 61 LOUYONG 如果存在这样一个区间，称之为置信区间（confidence interval）；1-称为置信系数（置信度）（confidence coefficient），称为显著性水平（level of significance）；置信区间的端点称为置信限（confidence lim

23、it）或临界值（critical values）。5/8/2023 62 LOUYONG一元线性模型中，i(i=1，2）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5/8/2023 63 LOUYONG于是得到:(1-)的置信度下,i的置信区间是 在上述收入-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）5/8/2023 64 LOUYONGn 由于置信区间一定程度地给出了

24、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。n 要缩小置信区间，需要n（1）增大样本容量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；5/8/2023 65 LOUYONG（2）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。5/8/2023 66 LOUYONG2.4 一元线性回归分析的应用：预测问题 一、0是条件均值E(Y|X=X0)或个值Y0的一个无偏估计二、总体条件均值与个值预测值的置信区间5/8/2023 67 LOUYONG 对于一元线性回

25、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，可以此作为其条件均值E(Y|X=X0)或个别值Y0的一个近似估计。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）随机项的影响说 明5/8/2023 68 LOUYONG一、0是条件均值E(Y|X=X0)或个值Y0的一个无偏估计对总体回归函数E(Y|X=X0)=0+1X，X=X0时 E(Y|X=X0)=0+1X0于是可见，0是条件均值E(Y|X=X0)的无偏估计。5/8/2023 69 LOUYONG对总体回归模型Y=0+1X+，当X=X0时于是5/8/2023 70 LOU

26、YONG二、总体条件均值与个值预测值的置信区间 1、总体均值预测值的置信区间 由于 于是可以证明 5/8/2023 71 LOUYONG因此 故 5/8/2023 72 LOUYONG于是，在1-的置信度下，总体均值E(Y|X0)的置信区间为 其中5/8/2023 73 LOUYONG2、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的置信区间为 5/8/2023 74 LOUYONG在上述收入消费支出例中，得到的样本回归函数为:则在 X0=1000处，0=103.172+0.7771000=673.84 而5/8/2023 75 LOUYONG 因

27、此，总体均值E(Y|X=1000)的95%的置信区间为：673.84-2.306 61.05 E(Y|X=1000)673.84+2.306 61.05或（533.05,814.62）同样地，对于Y在X=1000的个体值，其95%的置信区间为：673.84-2.306 61.05Yx=1000 673.84+2.306 61.05或(372.03,975.65)5/8/2023 76 LOUYONG 总体回归函数的置信带（域）（confidence band）个体的置信带（域）5/8/2023 77 LOUYONG 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

28、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。5/8/2023 78 LOUYONG2.5 实例：时间序列问题 一、中国居民人均消费模型 二、时间序列问题 5/8/2023 79 LOUYONG 一、中国居民人均消费模型 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（1990年不变价）CONSP：人均居民消费（以居民消费价格指数（1990=100）缩减）。5/8/2023 80 LOUYONG5/8/2023 81 LOUYONG 1.建立模型

29、 拟建立如下一元回归模型 采用Eviews软件进行回归分析的结果见下表 该两组数据是19782000年的时间序列数据（time series data）；前述收入消费支出例中的数据是截面数据（cross-sectional data）。5/8/2023 82 LOUYONG5/8/2023 83 LOUYONG一般可写出如下回归分析结果：(13.51)(53.47)R2=0.9927 F=2859.23DW=0.5503 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 2.模型检验 5/8/202

30、3 84 LOUYONG3.预测 2001年：GDPP=4033.1（元）（1990年不变价）点估计：CONSP2001=201.107+0.3862 4033.1=1758.7（元）2001年实测的CONSP（1990年价）:1782.2元，相对误差:-1.32%。5/8/2023 85 LOUYONG2001年人均居民消费的预测区间 人均GDP的样本均值与样本方差：E(GDPP)=1823.5 Var(GDPP)=982.042=964410.4 在95%的置信度下，E(CONSP2001)的预测区间为：=1758.7 40.13或：（1718.6,1798.8）5/8/2023 86 L

31、OUYONG 同样地，在95%的置信度下，CONSP2001的预测区间为：=1758.7 86.57或（1672.1,1845.3）5/8/2023 87 LOUYONG 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。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？5/8/2023 88 LOUYONG 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”的部分。这里“解释”能否换为“引起”?第二，关于“伪回归问题”（spurious regression

32、problem）。5/8/2023 89 LOUYONG 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”或“虚假回归”。5/8/2023 90 LOUYONG本章小结线性回归模型概述(相关/回归分析，PRF/SRF，s随机干扰项）参数的最小二乘估计（估计参数的公式）最小二乘估计量的性质及分布（线性、无偏性、最小方差、一致性）两变量线性回归模型的统计检验（R2检验、T检验）预测（点预测、区间预测）5/8/2023 91 LOUYONG两变量线性回归分析主要步骤n 建立回归模型n 确定具有因果关系的两个变量n 作散点图以确定模型的具体形式n 估计参数n 估计结果的检验n 经济意义检验n 统计意义检验n 利用回归方程作经济预测5/8/2023 92 LOUYONG回归分析结果的一般报告形式5/8/2023 93 LOUYONG思考及练习n 思考：教材52-54：1-6n 练习：10-11n 上机练习：从给定的东莞市和广东省宏观经济数据中选择适当变量，进行两变量线性回归；进行经济、拟合优度、参数显著性检验；并预测解释变量和应变量的值。5/8/2023 94 LOUYONG