Уравнение множественной регрессии в чистом виде

Мультиколлинеарность имеет место, если определитель матрицы межфакторной корреляции близок к нулю:

.
Если же определитель матрицы межфакторной корреляции близок к единице, то мультиколлинеарности нет.Существуют различные подходы преодоления сильной межфакторной корреляции. Простейший из них – исключение из модели фактора (или факторов), в наибольшей степени ответственных за мультиколлинеарность при условии, что качество модели при этом пострадает несущественно (а именно, теоретический коэффициент детерминации —R 2 _{y(x1. xm)} снизится несущественно).

Определение факторов, ответственных за мультиколлинеарность, может быть основано на анализе матрицы межфакторной корреляции. При этом определяют пару признаков-факторов, которые сильнее всего связаны между собой (коэффициент линейной парной корреляции максимален по модулю). Из этой пары в наибольшей степени ответственным за мультиколлинеарность будет тот признак, который теснее связан с другими факторами модели (имеет более высокие по модулю значения коэффициентов парной линейной корреляции).

Еще один способ определения факторов, ответственных за мультиколлинеарность основан на вычислении коэффициентов множественной детерминации (R 2 _{xj(x1. xj-1,xj+1. xm)}), показывающего зависимость фактора xj от других факторов модели x1. xj-1, xj+1. xm. Чем ближе значение коэффициента множественной детерминации к единице, тем больше ответственность за мультиколлинеарность фактора, выступающего в роли зависимой переменной. Сравнивая между собой коэффициенты множественной детерминации для различных факторов можно проранжировать переменные по степени ответственности за мультиколлинеарность.
При выборе формы уравнения множественной регрессии предпочтение отдается линейной функции:
y_i =a+b₁·x1_i+ b₂·x2_i+. + b_m·xm_i+u_i
в виду четкой интерпретации параметров.
Данное уравнение регрессии называют уравнением регрессии в естественном (натуральном) масштабе. Коэффициент регрессии b_jпри факторе хjназывают условно-чистым коэффициентом регрессии. Он измеряет среднее по совокупности отклонение признака-результата от его средней величины при отклонении признака-фактора хj на единицу, при условии, что все прочие факторы модели не изменяются (зафиксированы на своих средних уровнях).
Если не делать предположения о значениях прочих факторов, входящих в модель, то это означало бы, что каждый из них при изменении хj также изменялся бы (так как факторы связаны между собой), и своими изменениями оказывали бы влияние на признак-результат.

Видео:Множественная регрессияСкачать

Множественная линейная регрессия. Улучшение модели регрессии

Видео:Эконометрика. Построение модели множественной регрессии в Excel. Часть 1.Скачать

Понятие множественной линейной регрессии

Множественная линейная регрессия — выраженная в виде прямой зависимость среднего значения величины Y от двух или более других величин X 1 , X 2 , . X m . Величину Y принято называть зависимой или результирующей переменной, а величины X 1 , X 2 , . X m — независимыми или объясняющими переменными.

В случае множественной линейной регрессии зависимость результирующей переменной одновременно от нескольких объясняющих переменных описывает уравнение или модель

,

где — коэффициенты функции линейной регрессии генеральной совокупности,

— случайная ошибка.

Функция множественной линейной регрессии для выборки имеет следующий вид:

,

где — коэффициенты модели регрессии выборки,

— ошибка.

Видео:Множественная регрессия в ExcelСкачать

Уравнение множественной линейной регрессии и метод наименьших квадратов

Коэффициенты модели множественной линейной регресии, так же, как и для парной линейной регрессии, находят при помощи метода наименьших квадратов.

Разумеется, мы будем изучать построение модели множественной регрессии и её оценивание с использованием программных средств. Но на экзамене часто требуется привести формулы МНК-оценки (то есть оценки по методу наименьших квадратов) коэффициентов уравнения множественной линейной регрессии в скалярном и в матричном видах.

МНК-оценка коэффиентов уравнения множественной регрессии в скалярном виде

Метод наименьших квадратов позволяет найти такие значения коэффициентов, что сумма квадратов отклонений будет минимальной. Для нахождения коэффициентов решается система нормальных уравнений

Решение системы можно получить, например, методом Крамера:

.

Определитель системы записывается так:

МНК-оценка коэффиентов уравнения множественной регрессии в матричном виде

Данные наблюдений и коэффициенты уравнения множественной регрессии можно представить в виде следующих матриц:

Формула коэффициентов множественной линейной регрессии в матричном виде следующая:

,

где — матрица, транспонированная к матрице X,

— матрица, обратная к матрице .

Решая это уравнение, мы получим матрицу-столбец b, элементы которой и есть коэффициенты уравнения множественной линейной регрессии, для нахождения которых и был изобретён метод наименьших квадратов.

Видео:Уравнение множественной регрессии в ExcelСкачать

Построение наилучшей (наиболее качественной) модели множественной линейной регрессии

Пусть при обработке данных некоторой выборки в пакете программных средств STATISTICA получена первоначальная модель множественной линейной регрессии. Предстоит проанализировать полученную модель и в случае необходимости улучшить её.

Качество модели множественной линейной регрессии оценивается по тем же показателям качества, что и в случае модели парной линейной регрессии: коэффициент детерминации , F-статистика (статистика Фишера), сумма квадратов остатков RSS, стандартная ошибка регрессии (SEE). В случае множественной регрессии следует использовать также скорректированный коэффициент детерминации (adjusted ), который применяется при исключении или добавлении в модель наблюдений или переменных.

Важный показатель качества модели линейной регрессии — проверка на выполнение требований Гаусса-Маркова к остаткам. В качественной модели линейной регрессии выполняются все условия Гаусса-Маркова:

• условие 1: математическое ожидание остатков равно нулю для всех наблюдений ( ε(e i ) = 0 );
• условие 2: теоретическая дисперсия остатков постоянна (равна константе) для всех наблюдений ( σ²(e i ) = σ²(e i ), i = 1, . n );
• условие 3: отсутствие систематической связи между остатками в любых двух наблюдениях;
• условие 4: отсутствие зависимости между остатками и объясняющими (независимыми) переменными.

В случае выполнения требований Гаусса-Маркова оценка коэффициентов модели, полученная методом наименьших квадратов является

Затем необходимо провести анализ значимости отдельных переменных модели множественной линейной регрессии с помощью критерия Стьюдента.

В случае наличия резко выделяющихся наблюдений (выбросов) нужно последовательно по одному исключить их из модели и проанализировать наличие незначимых переменных в модели и, в случае необходимости исключить их из модели по одному.

В исследованиях поведения человека, как и во многих других, чтобы они претендовали на объективность, важно не только установить зависимость между факторами, но и получить все необходимые статистические показатели для результата проверки соответствующей гипотезы.

Кроме того, требуется на основе тех же данных построить две нелинейные модели регрессии — с квадратами двух наиболее значимых переменных и с логарифмами тех же наиболее значимых переменных. Они также будут сравниваться с линейными моделями, полученных на разных шагах.

Также требуется построить модели с применением пошаговых процедур включения (FORWARD STEPWISE) и исключения (BACKWARD STEPWISE).

Все полученные модели множественной регрессии нужно сравнить и выбрать из них наилучшую (наиболее качественную). Теперь разберём перечисленные выше шаги последовательно и на примере.

Видео:Эконометрика. Множественная регрессия и корреляция.Скачать

Оценка качества модели множественной линейной регрессии в целом

Пример. Задание 1. Получено следующее уравнение множественной линейной регрессии:

и следующие показатели качества описываемой этим уравнением модели:

	adj.	RSS	SEE	F	p-level
0,426	0,279	2,835	1,684	2,892	0,008

Сделать вывод о качестве модели в целом.

Ответ. По всем показателям модель некачественная. Значение не стремится к единице, а значение скорректированного ещё более низкое. Значение RSS, напротив, высокое, а p-level — низкое.

Для анализа на выполнение условий Гаусса-Маркова воспользуемся диаграммой рассеивания наблюдений (для увеличения рисунка щёлкнуть по нему левой кнопкой мыши):

Результаты проверки графика показывают: условие равенства нулю математического ожидания остатков выполняется, а условие на постоянство дисперсии — не выполняется. Достаточно невыполнения хотя бы одного условия Гаусса-Маркова, чтобы заключить, что оценка коэффициентов модели линейной регрессии не является несмещённой, эффективной и состоятельной.

Видео:Построение модели множественной регрессии в программе GretlСкачать

Анализ значимости коэффициентов модели множественной линейной регрессии

С помощью критерия Стьюдента проверяется гипотеза о том, что соответствующий коэффициент незначимо отличается от нуля, и соответственно, переменная при этом коэффициенте имеет незначимое влияние на зависимую переменную. В свою очередь, в колонке p-level выводится вероятность того, что основная гипотеза будет принята. Если значение p-level больше уровня значимости α, то основная гипотеза принимается, иначе – отвергается. В нашем примере установлен уровень значимости α=0,05.

Пример. Задание 2. Получены следующие значения критерия Стьюдента (t) и p-level, соответствующие переменным уравнения множественной линейной регрессии:

Сделать вывод о значимости коэффициентов модели.

Ответ. В построенной модели присутствуют коэффициенты, которые незначимо отличаются от нуля. В целом же у переменной X8 коэффициент самый близкий к нулю, а у переменной X9 — самое высокое значение коэффициента. Коэффициенты модели линейной регрессии можно ранжировать по мере убывания незначимости с возрастанием значения t-критерия Стьюдента.

Видео:Критерий Стьюдента и Фишера в Excel, проверка уравнения множественной регрессии в ExcelСкачать

Исключение резко выделяющихся наблюдений

Пример. Задание 3. Выявлены несколько резко выделяющихся наблюдений (выбросов, то есть наблюдений с нетипичными значениями): 10, 3, 4 (соответствуют строкам исходной таблицы данных). Эти наблюдения следует последовательно исключить из модели и по мере исключения заполнить таблицу с показателями качества модели. Исключили наблюдение 10 — заполнили значение показателей, далее исключили наблюдение 3 — заполнили и так далее. По мере исключения STATISTICA будет выдавать переменные, которые остаются значимыми в модели множественной линейной регрессии — они будут выделены красном цветом. Те, что не будут выделены красным цветом — незначимые переменные и их также нужно внести в соответствующую ячейку таблицы. По завершении исключения выбросов записать уравнение конечной множественной линейной регрессии.

№	adj.	SEE	F	p- level	незнач. пер.
10	0,411	2,55	2,655	0,015	X3, X4, X5, X6, X7, X8, X10
3	0,21	2,58	2,249	0,036	X3, X4, X5, X6, X7, X8, X10
4	0,16	2,61	1,878	0,082	X3, X4, X5, X6, X7, X8, X10

Уравнение конечной множественной линейной регрессии:

Случается однако, когда после исключения некоторого наблюдения исключение последующих наблюдений приводит к ухудшению показателей качества модели. Причина в том, что с исключением слишком большого числа наблюдений выборка теряет информативность. Поэтому в таких случаях следует вовремя остановиться.

Видео:Множественная регрессия в Excel и мультиколлинеарностьСкачать

Исключение незначимых переменных из модели

Пример. Задание 4. По мере исключения из модели множественной линейной регрессии переменных с незначимыми коэффициентами (получены при выполнении предыдущего задания, занесены в последнюю колонку таблицы) заполнить таблицу с показателями качества модели. Последняя колонка, обозначенная звёздочкой — список переменных, имеющих значимое влияние на зависимую переменную. Эти переменные STATISTICA будет выдавать выделенными красным цветом. По завершении исключения незначимых переменных записать уравнение конечной множественной линейной регрессии.

Искл. пер.	adj.	SEE	F	p- level	*
X3	0,18	1,71	2,119	0,053	X4, X5, X6, X7, X8, X10
X4	0,145	1,745	1,974	0,077	X5, X6, X7, X8, X10
X5	0,163	2,368	2,282	0,048	X6, X7, X8, X10
X6	0,171	2,355	2,586	0,033	X7, X8, X10
X7	0,167	2,223	2,842	0,027	X8, X10
X8	0,184	1,705	3,599	0,013	X10

Когда осталась одна переменная, имеющая значимое влияние на зависимую переменную, больше не исключаем переменные, иначе получится, что в модели все переменные незначимы.

Уравнение конечной множественной линейной регрессии после исключения незначимых переменных:

Переменные X1 и X2 в задании 3 не вошли в список незначимых переменных, поэтому они вошли в уравнение конечной множественной линейной регрессии «автоматически».

Видео:Эконометрика Линейная регрессия и корреляцияСкачать

Нелинейные модели для сравнения

Пример. Задание 5. Построить две нелинейные модели регрессии — с квадратами двух наиболее значимых переменных и с логарифмами тех же наиболее значимых переменных.

Так как в наблюдениях переменных X9 и X10 имеется 0, а натуральный логарифм от 0 вычислить невозможно, то берутся следующие по значимости переменные: X1 и X2.

Полученное уравнение нелинейной регрессии с квадратами двух наиболее значимых переменных:

Показатели качества первой модели нелинейной регрессии:

	adj.	RSS	SEE	F	p-level
0,17	0,134	159,9	1,845	4,8	0,0127

Вывод: модель некачественная, так как RSS и SEE принимают высокие значения, p-level стремится к нулю, коэффициент детерминации незначимо отличается от нуля.

Полученное уравнение нелинейной регрессии с логарифмами двух наиболее значимых переменных:

Показатели качества второй модели нелинейной регрессии:

	adj.	RSS	SEE	F	p-level
0,182	0,148	157,431	1,83	5,245	0

Вывод: модель некачественная, так как RSS и SEE принимают высокие значения, p-level стремится к нулю, коэффициент детерминации незначимо отличается от нуля.

Видео:Множественная линейная регрессия, часть 1Скачать

Применение пошаговых алгоритмов включения и исключения переменных

Пример. Задание 6. Настроить пакет STATISTICA для применения пошаговых процедур включения (FORWARD STEPWISE) и исключения (BACKWARD STEPWISE). Для этого в диалоговом окне MULTIPLE REGRESSION указать Advanced Options (stepwise or ridge regression). В поле Method выбрать либо Forward Stepwise (алгоритм пошагового включения), либо Backward Stepwise (алгоритм пошагового исключения). Необходимо настроить следующие параметры:

• в окне Tolerance необходимо установить критическое значение для уровня толерантности (оставить предложенное по умолчанию);
• в окне F-remove необходимо установить критическое значение для статистики исключения (оставить предложенное по умолчанию);
• в окне Display Results необходимо установить режим At each step (результаты выводятся на каждом шаге процедуры).

Построить, как описано выше, модели множественной линейной регрессии автоматически.

В результате применения пошагового алгоритма включения получено следующее уравнение множественной линейной регрессии:

Показатели качества модели нелинейной регрессии, полученной с применением пошаговой процедуры включения:

	adj.	RSS	SEE	F	p-level
0,41	0,343	113,67	1,61	6,11	0,002

В результате применения пошагового алгоритма исключения получено следующее уравнение множественной линейной регрессии:

Показатели качества модели нелинейной регрессии, полученной с применением пошаговой процедуры исключения:

	adj.	RSS	SEE	F	p-level
0,22	0,186	150,28	1,79	6,61	0

Видео:Регрессия - как строить и интерпретировать. Примеры линейной и множественной регрессии.Скачать

Выбор самой качественной модели множественной линейной регрессии

Пример. Задание 7. Сравнить модели, полученные на предыдущих шагах и определить самую качественную.

Модель	Ручная	Кв. перем.	Лог. перем.	forward stepwise	backward stepwise
	0,255	0,17	0,182	0,41	0,22
adj.	0,184	0,134	0,148	0,343	0,186
RSS	122,01	159,9	157,43	113,67	150,28
SEE	1,705	1,845	1,83	1,61	1,79
F	3,599	4,8	5,245	6,11	6,61
p-level	0,013	0,0127	0	0,002	0

Самая качественная модель множественной линейной регрессии — модель, построенная методом FORWARD STEPWISE (пошаговое включение переменных), так как коэффициент детерминации у неё самый высокий, а RSS и SEE наименьшие в сравнении значений оценок качества других регрессионных моделей.

Видео:Эконометрика. Построение модели множественной регрессии в Excel.Скачать

Множественная регрессия и корреляция

МНОЖЕСТВЕННАЯ РЕГРЕССИЯ И КОРРЕЛЯЦИЯ

2.1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Множественная регрессия — уравнение связи с несколькими независимыми переменными

где у— зависимая переменная (результативный признак);

— независимые переменные (факторы).

Для построения уравнения множественной регрессии чаще ис­пользуются следующие функции:

• линейная — ;

• степенная –

• экспонента —

• гипербола —

Можно использовать и другие функции, приводимые к линейно­му виду.

Для оценки параметров уравнения множественной регрессии применяют метод наименьших квадратов (МНК). Для линейных уравнений и нелинейных уравнений, приводимых к линейным, строится следующая система нормальных уравнений, решение кото­рой позволяет получить оценки параметров регрессии:

Для ее решения может быть применён метод определителей:

, ,…, ,

где — определитель системы;

— частные определители, которые получаются путем замены соответствующего столбца матрицы определителя системы данными левой части системы.

Другой вид уравнения множественной регрессии — уравнение регрессии в стандартизованном масштабе:

,

где , — стандартизованные переменные;

— стандартизованные коэффициенты регрессии.

К уравнению множественной регрессии в стандартизованном масштабе применим МНК. Стандартизованные коэффициенты регрессии (β-коэффициенты) определяются из следующей системы уравнений:

Связь коэффициентов множественной регрессии со стандартизованными коэффициентами описывается соотношением

Параметр a определяется как

Средние коэффициенты эластичности для линейной регрессии рассчитываются по формуле:

.

Для расчета частных коэффициентов эластичности применяется следующая формула:

.

Тесноту совместного влияния факторов на результат оценивает индекс множественной корреляции:

=.

Значение индекса множественной корреляции лежит в пределах от 0 до 1 и должно быть больше или равно максимальному парному индексу корреляции:

.

Индекс множественной корреляции для уравнения в стандартизованном масштабе можно записать в виде:

=.

При линейной зависимости коэффициент множественной корреляции можно определить через матрицу парных коэффициентов корреляции:

=,

-определитель матрицы

парных коэффициентов корреляции;

-определитель матрицы

Частные коэффициенты (или индексы) корреляции, измеряющие влияние на у фактора х1 при неизменном уровне других факторов, можно определить по формуле

или по рекуррентной формуле

Частные коэффициенты корреляции изменяются в пределах от -1 до 1.

Качество построенной модели в целом оценивает коэффициент (индекс) детерминации. Коэффициент множественной детерминации рассматривается как квадрат индекса множественной корреляции:

.

Скорректированный индекс множественной детерминации содержит поправку на число степеней свободы и рассчитывается по формуле

где n — число наблюдений;

m- число факторов.

Значимость уравнения множественной регрессии в целом оценивается с помощью F — критерия Фишера:

Частный F-критерий оценивает статистическую значимость присутствия каждого из факторов в уравнении. В общем виде для фактора xi частный F-критерий определится как

Оценка значимости коэффициентов чистой регрессии с помощью t-критерия Съюдента сводится к вычислению значения

где mbi — средняя квадратическая ошибка коэффициента регрессии bi, она может быть определена по формуле:

.

При построении уравнения множественной регрессии может возникнуть проблема мультиколлинеарности факторов, их тесной линейной связанности.

Считается, что две переменные явно коллинеарны, т. е. находятся между собой в линейной зависимости, если rxixj≥0,7.

По величине парных коэффициентов корреляции обнаруживается лишь явная коллинеарность факторов. Наибольшие трудности в использовании аппарата множественной регрессии возникают при наличии мультиколлинеарности факторов. Чем сильнее мультиколлинеарность факторов, тем менее надежна оценка распределения суммы объясненной вариации по отдельным факторам с помощью метода наименьших квадратов.

Для оценки мультиколлинеарности факторов может использоваться определитель матрицы парных коэффициентов корреляции между факторами.

Если бы факторы не коррелировали между собой, то матрица парных коэффициентов корреляции между факторами была бы единичной матрицей, поскольку все недиагональные элементы rxixj (xi≠xj) были бы равны нулю. Так, для включающего три объясняющих переменные уравнения

матрица коэффициентов корреляции между факторами имела бы определитель, равный 1:

,

так как и

Если же, наоборот, между факторами существует полная линейная зависимость и все коэффициенты корреляции равны 1, то определитель такой матрицы равен 0:

.

Чем ближе к 0 определитель матрицы межфакторной корреляции, тем сильнее мультиколлинеарность факторов и надежнее результаты множественной регрессии. И наоборот, чем ближе к 1 определитель матрицы межфакторной корреляции, тем меньше мультиколлинеарность факторов.

Проверка мультиколлинеарности факторов может быть проведена методом испытания гипотезы о независимости переменных Ho: . Доказано, что величина имеет приближенное распределение x2 c степенями свободы. Если фактическое значение х2 превосходит табличное (критическое) , то гипотеза Ho отклоняется. Это означает, что ,недиагональные ненулевые коэффициенты корреляции указывают на коллинеарность факторов. Мультиколлинеарность считается доказанной.

Для применения МНК требуется, чтобы дисперсия остатков была гомоскедастичной. Это означает, что для каждого значения фактора xj остатки имеют одинаковую дисперсию. Если это условие не соблюдается, то имеет место гетероскедастичность.

При нарушении гомоскедастичности мы имеем неравенства

.

При малом объеме выборки для оценки гетероскедастичности может использоваться метод Гольдфельда-Квандта. Основная идея теста Гольдфельда-Квандта состоит в следующем:

1) упорядочение n элементов по мере взрастания переменной x;

2) исключение из рассмотрения С центральных наблюдений; при этом (n—C):2>p, где p-число оцениваемых параметров;

3) разделение совокупности из (n—C) наблюдений на две группы (соответственно с малыми и с большими значениями фактора х) и определение по каждой из групп уравнений регрессии;

При выполнении нулевой гипотезы о гомоскедастичности отношение R будет удовлетворять F-критерию со степенями свободы ((n—C-2p):2) для каждой остаточной суммы квадратов Чем больше величина R превышает табличное значения F-критерия, тем более нарушена предпосылка о равенстве дисперсий остаточных величин.

Уравнения множественной регрессии могут включать в качестве независимых переменных качественные признаки (например, профессия, пол, образование, климатические условия, отдельные регионы и т. д.). Чтобы вест такие переменные в регрессионную модель, их необходимо упорядочить и присвоить им те или иные значения, т. е. качественные переменные преобразовать в количественные.

🎥 Видео

Уравнение множественной регрессии в Excel (устар.)Скачать

Эконометрика. Линейная парная регрессияСкачать

Множественная регрессия в MS Excel. Быстрое решение. И подробное решение. Калькулятор!Скачать

Множественная регрессия в программе Statistica (Multiple regression)Скачать

Множественная степенная регрессияСкачать

EViews. Урок 1. Построение модели множественной регрессии.Скачать

Эконометрика. Оценка значимости уравнения регрессии. Критерий ФишераСкачать

Множественная Линейная Регрессия || Машинное ОбучениеСкачать