Линейная регрессия сводится к нахождению уравнения вида:

(или
) (3)

Первое выражение позволяет по заданным значениям фактора х рассчитать теоретические значения результативного признака, подставляя в него фактические значения факторах . На графике теоретические значения лежат на прямой, которые представляют собой линию регрессии.

Построение линейной регрессии сводится к оценке ее параметров - а иb . Классический подход к оцениванию параметров линейной регрессии основан на методе наименьших квадратов (МНК).

МНК позволяет получить такие оценки параметров а иb , при которых сумма квадратов отклонений фактических значенийу от теоретических минимальна:

, или
(4)

Для нахождения минимума надо вычислить частные производные суммы (4) по каждому из параметров - а иb - и приравнять их к нулю.

(5)

Преобразуем, получаем систему нормальных уравнений:

(6)

В этой системе n - объем выборки, суммы легко рассчитываются из исходных данных. Решаем систему относительноа иb , получаем:

(7)

(8)

Выражение (7) можно записать в другом виде:

(9)

где со v (х,у) - ковариация признаков, - дисперсия факторах .

Параметр b называется коэффициентом регрессии. Его величина показывает среднее изменение результата с изменением фактора на одну единицу. Возможность четкой экономической интерпретации коэффициента регрессии сделала линейное уравнение парной регрессии достаточно распространенным в эконометрических исследованиях.

Формально а - значениеу прих=0. Еслих не имеет и не может иметь нулевого значения, то такая трактовка свободного членаа не имеет смысла. Параметра может не иметь экономического содержания. Попытки экономически интерпретировать его могут привести к абсурду, особенно приа < 0 . Интерпретировать можно лишь знак при параметреа . Еслиа > 0 , то относительное изменение результата происходит медленнее, чем изменение фактора. Сравним эти относительные изменения:

при.

Иногда линейное уравнение парной регрессии записывают для отклонений от средних значений:

y′ = b·x" , (10)

где
,
. При этом свободный член равен нулю, что и отражено в выражении (10). Этот факт следует из геометрических соображений: уравнению регрессии отвечает та же прямая (3), но при оценке регрессии в отклонениях начало координат перемещается в точку с координатами
. При этом в выражении (8) обе суммы будут равны нулю, что и повлечет равенство нулю свободного члена.

Рассмотрим в качестве примера по группе предприятий, выпускающих один вид продукции, регрессионную зависимость издержек от выпуска продукции у = a + bx + ε.

Таблица 1

Выпуск продукции тыс.ед.(x )	Затраты на производство, млн.руб.(y )		x 2	y 2

Система нормальных уравнений будет иметь вид:

Решая её, получаем а = -5,79, b = 36,84.

Уравнение регрессии имеет вид:

Подставив в уравнение значения х , найдем теоретические значенияy (последняя колонка таблицы).

Величина а не имеет экономического смысла. Если переменныех иу выразить через отклонения от средних уровней, то линия регрессии на графике пройдет через начало координат. Оценка коэффициента регрессии при этом не изменится:

, где
,

В качестве другого примера рассмотрим функцию потребления в виде:

С = К·у + L

где С - потребление,у -доход,K , L – параметры. Данное уравнение линейной регрессии обычно используется в увязке с балансовым равенством:

y = C + I – r,

где I – размер инвестиций,r – сбережения.

Для простоты предположим, что доход расходуется на потребление и инвестиции. Таким образом, рассматривается система уравнений:

Наличие балансового равенства накладывает ограничения на величину коэффициента регрессии, которая не может быть больше единицы, т.е. К ≤ 1.

Предположим, что функция потребления составила:

Коэффициент регрессии характеризует склонность к потреблению. Он показывает, что из каждой тысячи рублей дохода на потребление расходуется в среднем 650 руб., а 350 руб. инвестируется. Если рассчитать регрессию размера инвестиций от дохода, т.е.
, то уравнение регрессии составит
. Это уравнение можно и не определять, поскольку оно выводится из функции потребления. Коэффициенты регрессии этих двух уравнений связаны равенством:

Если коэффициент регрессии оказывается больше единицы, то у < С + 1, и на потребление расходуются не только доходы, но и сбережения.

Коэффициент регрессии в функции потребления используется для расчета мультипликатора:

.

Здесь m≈ 2,86, поэтому дополнительные вложения 1 тыс. руб. на длительный срок приведут при прочих равных условиях к дополнительному доходу 2,86 тыс. руб.

При линейной регрессии в качестве показателя тесноты связи выступает линейный коэффициент корреляции r :

(11)

Его значения находятся в границах: 0 < r ≤ 1 . Еслиb > 0 , то0 ≤ r ≤ 1 , приb < 0, – 1 ≤ r < 0 . По данным примераr =0,991, что означает очень тесную зависимость затрат на производство от величины объема выпускаемой продукции.

Для оценки качества подбора линейной функции рассчитывается коэффициент детерминации как квадрат линейного коэффициента корреляцииr 2 . Он характеризует долю дисперсии результативного признакаy , объясняемую регрессией, в общей дисперсии результативного признака:

12

Величина 1 - r 2 характеризует долю дисперсииу, вызванную влиянием остальных, не учтенных в модели факторов.

В примере σ 2 = 0,092. Уравнением регрессии объясняется 98,2% дисперсииу, а на прочие факторы приходится 1,8%, это остаточная дисперсия.

При оценке параметров уравнения регрессии применяется метод наименьших квадратов (МНК). При этом делаются определенные предпосылки относительно случайной составляющей e. В модели – случайная составляющая e представляет собой ненаблюдаемую величину. После того как произведена оценка параметров модели, рассчитывая разности фактических и теоретических значений результативного признака y , можно определить оценки случайной составляющей . Поскольку они не являются реальными случайными остатками, их можно считать некоторой выборочной реализацией неизвестного остатка заданного уравнения, т. е. ei.

При изменении спецификации модели, добавлении в нее новых наблюдений выборочные оценки остатков ei могут меняться. Поэтому в задачу регрессионного анализа входит не только построение самой модели, но и исследование случайных отклонений ei, т. е. остаточных величин.

При использовании критериев Фишера и Стьюдента делаются предположения относительно поведения остатков ei – остатки представляют собой независимые случайные величины и их среднее значение равно 0; они имеют одинаковую (постоянную) дисперсию и подчиняются нормальному распределению.

Статистические проверки параметров регрессии, показателей корреляции основаны на непроверяемых предпосылках распределения случайной составляющей ei. Они носят лишь предварительный характер. После построения уравнения регрессии проводится проверка наличия у оценок ei (случайных остатков) тех свойств, которые предполагались. Связано это с тем, что оценки параметров регрессии должны отвечать определенным критериям. Они должны быть несмещенными, состоятельными и эффективными. Эти свойства оценок, полученных по МНК, имеют чрезвычайно важное практическое значение в использовании результатов регрессии и корреляции.

Несмещенность оценки означает, что математическое ожидание остатков равно нулю. Если оценки обладают свойством несмещенности, то их можно сравнивать по разным исследованиям.

Оценки считаются эффективными , если они характеризуются наименьшей дисперсией. В практических исследованиях это означает возможность перехода от точечного оценивания к интервальному.

Состоятельность оценок характеризует увеличение их точности с увеличением объема выборки. Большой практический интерес представляют те результаты регрессии, для которых доверительный интервал ожидаемого значения параметра регрессии bi имеет предел значений вероятности, равный единице. Иными словами, вероятность получения оценки на заданном расстоянии от истинного значения параметра близка к единице.

Указанные критерии оценок (несмещенность, состоятельность и эффективность) обязательно учитываются при разных способах оценивания. Метод наименьших квадратов строит оценки регрессии на основе минимизации суммы квадратов остатков. Поэтому очень важно исследовать поведение остаточных величин регрессии ei. Условия, необходимые для получения несмещенных, состоятельных и эффективных оценок, представляют собой предпосылки МНК, соблюдение которых желательно для получения достоверных результатов регрессии.

Исследования остатков ei предполагают проверку наличия следующих пяти предпосылок МНК:

1. случайный характер остатков;

2. нулевая средняя величина остатков, не зависящая от xi;

3. гомоскедастичность – дисперсия каждого отклонения ei, одинакова для всех значений x ;

4. отсутствие автокорреляции остатков – значения остатков ei распределены независимо друг от друга;

5. остатки подчиняются нормальному распределению.

Если распределение случайных остатков ei не соответствует некоторым предпосылкам МНК, то следует корректировать модель.

Прежде всего, проверяется случайный характер остатков ei – первая предпосылка МНК. С этой целью стоится график зависимости остатков ei от теоретических значений результативного признака.

Линейная регрессия находит широкое применение в экономет­рике в виде четкой экономической интерпретации ее параметров. Линейная регрессия сводится к нахождению уравнения вида

Или . (4.6)

Уравнение вида позволяет по заданным значени­ям фактора х иметь теоретические значения результативного признака, подставляя в него фактические значения фактора x . На графике теоретические значения представляют линию регрессии (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Графическая оценка параметров линейной регрессии

Построение линейной регрессии сводится к оценке ее пара­метров и .Оценки параметров линейной регрессии могут быть найдены разными методами. Можно обратиться к полю корреляции и, выбрав на графике две точки, провести через них прямую линию (см. рис. 4.2). Далее по графику можно опреде­лить значения параметров. Параметр определим как точку пе­ресечения линии регрессии с осью ,а параметр оценим, исхо­дя из угла наклона линии регрессии, как ,где прираще­ние результата у, a приращение фактора х, т. е.

Классический подход к оцениванию параметров линейной регрессии основан на методе наименьших квадратов (МНК).

МНК позволяет получить такие оценки параметров и ,при которых сумма квадратов отклонений фактических значений ре­зультативного признака (у) от расчетных (теоретических) ми­нимальна:

Иными словами, из всего множества линий линия регрессии на графике выбирается так, чтобы сумма квадратов расстояний по вертикали между точками и этой линией была бы минимальной:

cследовательно,

Чтобы найти минимум функции (4.7), надо вычислить част­ные производные по каждому из параметров а и b и приравнять их к нулю.

Обозначим через S , тогда:

Преобразуя эту систему, получим следующую систему нор­мальных уравнений для оценки параметров и :

. (4.8)

Решая систему нормальных уравнений (4.8) либо методом последовательного исключения переменных, либо методом оп­ределителей, найдем числовые значения искомых параметров и . Можно воспользоваться следующими готовыми формулами:

. (4.9)

Формула (4.9) получена из первого уравнения системы (4.8), если все его члены разделить на п.

где ковариация признаков;

Дисперсия признака x .

Ввиду того, что , ,получим следующую формулу расчета оценки параметра b :

. (4.10)

Параметр называется коэффициентом регрессии. Его вели­чина показывает среднее изменение результата с изменением фактора на одну единицу. Так, если в функции издержек (у - издержки (тыс. руб.), х - количество единиц продукции). То, следовательно, с увеличением объема продукции (х) на 1 ед. издержки производства возрастают в среднем на 2 тыс. руб., т. е. дополнительный прирост продукции на 1 ед. потребует увеличения затрат в среднем на 2 тыс. руб.

Возможность четкой экономической интерпретации коэф­фициента регрессии сделала линейное уравнение регрессии достаточно распространенным в эконометрических исследова­ниях.

Формально - значение у при х = 0. Если признак-фактор не имеет и не может иметь нулевого значения, то вышеуказанная трактовка свободного члена не имеет смысла. Параметр может не иметь экономического содержания. Попытки экономически интерпретировать параметр а могут привести к абсурду, особен­но при < 0.

Корреляционный анализ .

Уравнение парной регрессии .

Использование графического метода .

Этот метод применяют для наглядного изображения формы связи между изучаемыми экономическими показателями. Для этого в прямоугольной системе координат строят график, по оси ординат откладывают индивидуальные значения результативного признака Y, а по оси абсцисс - индивидуальные значения факторного признака X.

Совокупность точек результативного и факторного признаков называется полем корреляции .

На основании поля корреляции можно выдвинуть гипотезу (для генеральной совокупности) о том, что связь между всеми возможными значениями X и Y носит линейный характер.

Линейное уравнение регрессии имеет вид y = bx + a + ε

Здесь ε - случайная ошибка (отклонение, возмущение).

Причины существования случайной ошибки:

1. Невключение в регрессионную модель значимых объясняющих переменных;

2. Агрегирование переменных. Например, функция суммарного потребления – это попытка общего выражения совокупности решений отдельных индивидов о расходах. Это лишь аппроксимация отдельных соотношений, которые имеют разные параметры.

3. Неправильное описание структуры модели;

4. Неправильная функциональная спецификация;

5. Ошибки измерения.

Так как отклонения ε i для каждого конкретного наблюдения i – случайны и их значения в выборке неизвестны, то:

1) по наблюдениям x i и y i можно получить только оценки параметров α и β

2) Оценками параметров α и β регрессионной модели являются соответственно величины а и b, которые носят случайный характер, т.к. соответствуют случайной выборке;

Тогда оценочное уравнение регрессии (построенное по выборочным данным) будет иметь вид y = bx + a + ε, где e i – наблюдаемые значения (оценки) ошибок ε i , а и b соответственно оценки параметров α и β регрессионной модели, которые следует найти.

Для оценки параметров α и β - используют МНК (метод наименьших квадратов). Метод наименьших квадратов дает наилучшие (состоятельные, эффективные и несмещенные) оценки параметров уравнения регрессии.

Но только в том случае, если выполняются определенные предпосылки относительно случайного члена (ε) и независимой переменной (x).

Формально критерий МНК можно записать так:

S = ∑(y i - y * i) 2 → min

Система нормальных уравнений.

a n + b∑x = ∑y

a∑x + b∑x 2 = ∑y x

Для наших данных система уравнений имеет вид

15a + 186.4 b = 17.01

186.4 a + 2360.9 b = 208.25

Из первого уравнения выражаем а и подставим во второе уравнение:

Получаем эмпирические коэффициенты регрессии: b = -0.07024, a = 2.0069

Уравнение регрессии (эмпирическое уравнение регрессии):

y = -0.07024 x + 2.0069

Эмпирические коэффициенты регрессии a и b являются лишь оценками теоретических коэффициентов β i , а само уравнение отражает лишь общую тенденцию в поведении рассматриваемых переменных.

Для расчета параметров регрессии построим расчетную таблицу (табл. 1)

1. Параметры уравнения регрессии.

Выборочные средние.

Выборочные дисперсии:

Среднеквадратическое отклонение

1.1. Коэффициент корреляции

Ковариация .

Рассчитываем показатель тесноты связи. Таким показателем является выборочный линейный коэффициент корреляции, который рассчитывается по формуле:

Линейный коэффициент корреляции принимает значения от –1 до +1.

Связи между признаками могут быть слабыми и сильными (тесными). Их критерии оцениваются по шкале Чеддока:

0.1 < r xy < 0.3: слабая;

0.3 < r xy < 0.5: умеренная;

0.5 < r xy < 0.7: заметная;

0.7 < r xy < 0.9: высокая;

0.9 < r xy < 1: весьма высокая;

В нашем примере связь между признаком Y фактором X высокая и обратная.

Кроме того, коэффициент линейной парной корреляции может быть определен через коэффициент регрессии b:

1.2. Уравнение регрессии (оценка уравнения регрессии).

Линейное уравнение регрессии имеет вид y = -0.0702 x + 2.01

Коэффициентам уравнения линейной регрессии можно придать экономический смысл.

Коэффициент регрессии b = -0.0702 показывает среднее изменение результативного показателя (в единицах измерения у) с повышением или понижением величины фактора х на единицу его измерения. В данном примере с увеличением на 1 единицу y понижается в среднем на -0.0702.

Коэффициент a = 2.01 формально показывает прогнозируемый уровень у, но только в том случае, если х=0 находится близко с выборочными значениями.

Но если х=0 находится далеко от выборочных значений х, то буквальная интерпретация может привести к неверным результатам, и даже если линия регрессии довольно точно описывает значения наблюдаемой выборки, нет гарантий, что также будет при экстраполяции влево или вправо.

Подставив в уравнение регрессии соответствующие значения х, можно определить выровненные (предсказанные) значения результативного показателя y(x) для каждого наблюдения.

Связь между у и х определяет знак коэффициента регрессии b (если > 0 – прямая связь, иначе - обратная). В нашем примере связь обратная.

1.3. Коэффициент эластичности .

Коэффициенты регрессии (в примере b) нежелательно использовать для непосредственной оценки влияния факторов на результативный признак в том случае, если существует различие единиц измерения результативного показателя у и факторного признака х.

Для этих целей вычисляются коэффициенты эластичности и бета - коэффициенты.

Средний коэффициент эластичности E показывает, на сколько процентов в среднем по совокупности изменится результат у от своей средней величины при изменении фактора x на 1% от своего среднего значения.

Коэффициент эластичности находится по формуле:

Коэффициент эластичности меньше 1. Следовательно, при изменении Х на 1%, Y изменится менее чем на 1%. Другими словами - влияние Х на Y не существенно.

Бета – коэффициент

Бета – коэффициент показывает, на какую часть величины своего среднего квадратичного отклонения изменится в среднем значение результативного признака при изменении факторного признака на величину его среднеквадратического отклонения при фиксированном на постоянном уровне значении остальных независимых переменных:

Т.е. увеличение x на величину среднеквадратического отклонения S x приведет к уменьшению среднего значения Y на 0.82 среднеквадратичного отклонения S y .

1.4. Ошибка аппроксимации .

Оценим качество уравнения регрессии с помощью ошибки абсолютной аппроксимации. Средняя ошибка аппроксимации - среднее отклонение расчетных значений от фактических:

Ошибка аппроксимации в пределах 5%-7% свидетельствует о хорошем подборе уравнения регрессии к исходным данным.

Поскольку ошибка меньше 7%, то данное уравнение можно использовать в качестве регрессии.

Линейная регрессия сводится к нахождению уравнения вида:

Первое выражение позволяет по заданным значениям фактора х рассчитать теоретические значения результативного признака, подставляя в него фактические значения факторах. На графике (рис. 1.2) теоретические значения лежат на прямой, которая представляет собой линию регрессии.

Построение линейной регрессии сводится к оценке ее параметров - а и Ь. Классический подход к оцениванию параметров линейной регрессии основан на методе наименьших квадратов (МНК).

МНК позволяет получить такие оценки параметров а и Ь, при которых сумма квадратов отклонений фактических значений у от теоретических у х минимальна:

Рис. 1.2.

Для нахождения минимума надо вычислить частные производные суммы (1.4) по каждому из параметров (а и ft) и приравнять их к нулю:

После преобразования получаем систему нормальных уравнений:

В системе п - объем выборки, суммы легко рассчитываются из исходных данных. Решая систему относительно а и Ь, получаем:

Выражение (1.7) можно записать в другом виде:

где cov(x, у) - ковариация признаков; су* - дисперсия фактора х.

Параметр b называется коэффициентом регрессии. Его величина показывает среднее изменение результата с увеличением фактора на одну единицу. Возможность четкой экономической интерпретации коэффициента регрессии сделала линейное уравнение парной регрессии достаточно распространенным в эконометрических исследованиях.

Формально а - значение у при х = 0. Если х не имеет и не может иметь нулевого значения, то такая трактовка свободного члена а не имеет смысла. Параметр а чаще всего не имеет экономического содержания. Попытки экономически интерпретировать его могут привести к абсурду, особенно при а 0. Интерпретировать можно лишь знак при параметре а. Если а > 0, то относительное изменение результата происходит медленнее, чем изменение фактора. Сравним эти относительные изменения:

Иногда линейное уравнение парной регрессии записывают для отклонений от средних значений:

где

При этом свободный член равен нулю, что и отражено в выражении (1.10). Этот факт следует из геометрических соображений: уравнению регрессии отвечает та же прямая (1.3), но при оценке регрессии в отклонениях начало координат перемещается в точку с координатами (Зс, у). При этом в выражении (1.8) обе суммы будут равны нулю, что и повлечет равенство нулю свободного члена. Выражения (1.7) и (1.9) при этом также упрощаются.

В качестве примера рассмотрим на группе предприятий, выпускающих один вид продукции, регрессионную зависимость издержек от выпуска продукции у = а + Ьх + е (табл. 1.1).

Система нормальных уравнений будет иметь вид

Решая ее, получаем а - -5,79, b - 36,84.

Уравнение регрессии имеет вид

Таблица 1.1

Исходные данные для оценки параметров парной линейной модели

Выпуск продукции (х), тыс. ед.	Затраты на производство (у), млн руб.

Подставив в уравнение регрессии значения х, найдем теоретические значения у (последняя колонка табл. 1.1).

Величина а не имеет экономического смысла. Если переменные х и у выразить через отклонения от средних уровней, то линия регрессии на графике пройдет через начало координат. Оценка коэффициента регрессии при этом не изменится: у" = 36,84х", где у" = у-у, х" = х-х.

В качестве другого примера рассмотрим функцию потребления в виде:

где С - потребление; у - доход; К, L - параметры.

Данное уравнение линейной регрессии обычно используется в увязке с балансовым равенством

где / - размер инвестиций; г - сбережения.

Для простоты предположим, что доход расходуется на потребление и инвестиции. Таким образом, рассматривается система уравнений

Наличие балансового равенства накладывает ограничения на величину коэффициента регрессии, которая не может быть больше единицы, т.е. К 1.

Предположим, что функция потребления составила С = 1,9 + 0,65у.

Коэффициент регрессии характеризует склонность к потреблению. Он показывает, что из каждой тысячи рублей дохода на потребление расходуется в среднем 650 руб., а 350 руб. инвестируется. Если рассчитать регрессию размера инвестиций от дохода, т.е. I = а + by, то уравнение регрессии будет I = -1,9 + 0,35у. Его можно и не определять, поскольку оно выводится из функции потребления. Коэффициенты регрессии этих двух уравнений связаны равенством 0,65 + 0,35 = 1. Если коэффициент регрессии оказывается больше единицы, то у и на потребление расходуются не только доходы, но и сбережения.

Коэффициент регрессии К в функции потребления используется для расчета мультипликатора:

где т » 2,86, поэтому дополнительные вложения 1 тыс. руб. на длительный срок приведут при прочих равных условиях к дополнительному доходу 2,86 тыс. руб.

При линейной регрессии в качестве показателя тесноты связи выступает линейный коэффициент корреляции г.

Его значения находятся в границах: - 1 r 1. Если 6>0,то0 г b 0-1 г 0. По данным примера расчет выражения (1.11) дает г = 0,991, что означает очень тесную зависимость затрат на производство от величины объема выпускаемой продукции.

Для оценки качества подбора линейной функции рассчитывается коэффициент детерминации как квадрат линейного коэффициента корреляции I 2 . Он характеризует долю дисперсии результативного признака у, объясняемую регрессией, в общей дисперсии результативного признака:

Величина 1 - г 2 характеризует долю дисперсии у, вызванную влиянием остальных, не учтенных в модели факторов.

В примере г 2 = 0,982. Уравнением регрессии объясняется 98,2% дисперсии у, а на прочие факторы приходится 1,8% - это остаточная дисперсия.