Введение
1. Суть и причины автокорреляции
2. Обнаружение автокорреляции
3. Последствия автокорреляции
4. Методы устранения
4.1 Определение
на основе статистики Дарбина-УотсонаЗаключение
Список использованной литературы
Введение
Модели, построенные по данным, характеризующим один объект за ряд последовательных моментов (периодов), называются моделями временных рядов. Временной ряд – это совокупность значений какого-либо показателя за несколько последовательных моментов или периодов. Применение традиционных методов корреляционно-регрессионного анализа для изучения причинно-следственных зависимостей переменных, представленных в форме временных рядов, может привести к ряду серьезных проблем, возникающих как на этапе построения, так и на этапе анализа эконометрических моделей. В первую очередь эти проблемы связаны со спецификой временных рядов как источника данных в эконометрическом моделировании.
Предполагается, что в общем случае каждый уровень временного ряда содержит три основные компоненты: тенденцию (Т), циклические или сезонные колебания (S) и случайную компоненту (E). Если временные ряды содержат сезонные или циклические колебания, то перед проведением дальнейшего исследования взаимосвязи необходимо устранить сезонную или циклическую компоненту из уровней каждого ряда, поскольку ее наличие приведет к завышению истинных показателей силы и связи изучаемых временных рядов в случае, если оба ряда содержат циклические колебания одинаковой периодичности, либо к занижению этих показателей в случае, если сезонные или циклические колебания содержит только один из рядов или периодичность колебаний в рассматриваемых временных рядах различна. Устранение сезонной компоненты из уровней временных рядов можно проводить в соответствии с методикой построения аддитивной и мультипликативной моделей. Если рассматриваемые временные ряды имеют тенденцию, коэффициент корреляции по абсолютной величине будет высоким, что в данном случае есть результат того, что х и у зависят от времени, или содержат тенденцию. Для того чтобы получить коэффициенты корреляции, характеризующие причинно-следственную связь между изучаемыми рядами, следует избавиться от так называемой ложной корреляции, вызванной наличием тенденции в каждом ряде. Влияние фактора времени будет выражено в корреляционной зависимости между значениями остатков
за текущий и предыдущие моменты времени, которая получила название «автокорреляция в остатках».1.Суть и причины автокорреляции
Автокорреляция - это взаимосвязь последовательных элементов временного или пространственного ряда данных. В эконометрических исследованиях часто возникают и такие ситуации, когда дисперсия остатков постоянная, но наблюдается их ковариация. Это явление называют автокорреляцией остатков.
Автокорреляция остатков чаще всего наблюдается тогда, когда эконометрическая модель строится на основе временных рядов. Если существует корреляция между последовательными значениями некоторой независимой переменной, то будет наблюдаться и корреляция последовательных значений остатков. Автокорреляция может быть также следствием ошибочной спецификации эконометрической модели. Кроме того, наличие автокорреляции остатков может означать, что необходимо ввести в модель новую независимую переменную.
Автокорреляция в остатках есть нарушение одной из основных предпосылок МНК – предпосылки о случайности остатков, полученных по уравнению регрессии. Один из возможных путей решения этой проблемы состоит в применении к оценке параметров модели обобщенного МНК.
Среди основных причин, вызывающих появление автокорреляции, можно выделить ошибки спецификации, инерцию в изменении экономических показателей, эффект паутины, сглаживание данных.
Ошибки спецификации. Неучет в модели какой-либо важной объясняющей переменной либо неправильный выбор формы зависимости обычно приводит к системным отклонениям точек наблюдений от линии регрессии, что может обусловить автокорреляцию.
Инерция. Многие экономические показатели (например, инфляция, безработица, ВНП и т.п.) обладают определенной цикличностью, связанной с волнообразностью деловой активности. Действительно, экономический подъем приводит к росту занятости, сокращению инфляции, увеличению ВНП и т.д. Этот рост продолжается до тех пор, пока изменение конъюктуры рынка и ряда экономических характеристик не приведет к замедлению роста, затем остановке и движению вспять рассматриваемых показателей. В любом случае эта трансформация происходит не мгновенно, а обладает определенной инертностью.
Эффект паутины. Во многих производственных и других сферах экономические показатели реагируют на изменение экономических условий с запаздыванием (временным лагом). Например, предложение сельскохозяйственной продукции реагирует на изменение цены с запаздыванием (равным периоду созревания урожая). Большая цена сельскохозяйственной продукции в прошедшем году вызовет (скорее всего) ее перепроизводство в текущем году, а следовательно, цена на нее снизится и т.д.
Сглаживание данных. Зачастую данные по некоторому продолжительному временному периоду получают усреднением данных по составляющим его подынтервалам. Это может привести к определенному сглаживанию колебаний, которые имелись внутри рассматриваемого периода, что в свою очередь может послужить причиной автокорреляции.
2.Обнаружение автокорреляции
В силу неизвестности значений параметров уравнения регрессии неизвестными будут также и истинные значения отклонений
,t=1,2…T. Поэтому выводы об их независимости осуществляются на основе оценок ,t=1,2…T, полученные из эмпирического уравнения регрессии. Рассмотрим возможные методы определения автокорреляции.2.1.Графический метод
Существует несколько вариантов графического определения автокорреляции. Один из них, указывающий отклонения
с моментами t их получении (их порядковыми номерами i), приведен на рис. 2.1.Это так называемые последовательно-временные графики. В этом случае по оси абсцисс обычно откладывают либо время (момент) получения статистических данных, либо порядковый номер наблюдения, а по оси ординат- отклонения (либо оценки отклонений )
Рис.2.1.
Естественно предположить, что на рис 2.1. а-г имеются определенные связи между отклонениями, т.е. автокорреляция имеет место. Отсутствие зависимости на рис. д скорее всего свидетельствует об отсутствии автокорреляции.
Например, на рис. 2.1.б отклонения вначале в основном отрицательные, затем положительные, потом снова отрицательные. Это свидетельствует о наличии между отклонениями определенной зависимости.
2.2. Метод рядов
Этот метод достаточно прост: последовательно определяются знаки отклонений
,t=1,2…T. Например,(-----)(+++++++)(---)(++++)(-),
Т.е. 5 «-», 7 «+», 3 «-», 4 «+», 1 «-» при 20 наблюдениях.
Ряд определяется как непрерывная последовательность одинаковых знаков. Количество знаков в ряду называется длиной ряда.
Визуальное распределение знаков свидетельствует о неслучайном характере связей между отклонениями. Если рядов слишком мало по сравнению с количеством наблюдений n, то вполне вероятна положительная автокорреляция. Если же рядов слишком много, то вероятна отрицательная автокорреляция.
2.3 Критерий Дарбина-Уотсона
Наиболее известным критерием обнаружения автокорреляции первого порядка является критерий Дарбина- Уотсона и расчет величины
(2.3.1)
Согласно (2.3.1) величина d есть отношение суммы квадратов разностей последовательных значений остатков к остаточной сумме квадратов по модели регрессии. Значение критерия Дарбина – Уотсона указывается наряду с коэффициентом детерминации, значениями t- и F- критериев.
3 Проверка автокорреляции остатков
При наличии автокорреляции в остатках et оценки коэффициентов регрессии модели, полученные МНК, не будут иметь оптимальные статистические свойства (стандартная ошибка уравнения регрессии и построенные на ее основе доверительные интервалы ненадежны). Автокорреляция в остатках свидетельствует о неудачном подборе модели, о ее несовершенстве. Классические методы математической статистики лишь тогда применимы, когда отдельные члены статистического ряда независимы (некоррелированы). Но и при предпосылке нормального распределения и отсутствия автокорреляции в генеральной совокупности, из которой временной ряд взят, нельзя, к сожалению, разработать точной проверки автокорреляции при малых выборках. Ниже рассмотрены три приема проверки автокорреляции.
1. Один из возможных путей приближенной оценки автокорреляции основывается на использовании первого эмпирического нециклического коэффициента автокорреляции . К сожалению, распределение этого коэффициента для выборок из нормально распределенной, не автокоррелированной генеральной совокупности неизвестно. Поэтому мы пользуемся введенным Р.Л. Андерсоном циклическим коэффициентом автокорреляции, который определяется следующим образом:
(4.14)
Циклическим коэффициентом автокорреляции для сдвига является коэффициент автокорреляции между рядами и . При этом мы предполагаем, что временной ряд повторяется, т.е. что за последним членом xn
снова следуют члены x1,x2,...
Для циклический коэффициент автокорреляции первого порядка будет коэффициентом корреляции между рядами 
и x2
,x3
,...,xn
, x1
. Для больших выборок циклический коэффициент автокорреляции и нециклический коэффициент автокорреляции практически совпадают, для малых выборок их равенство приблизительно. Расчетное значение сравнивается при данной численности наблюдений n
с граничными значениями (табл. П.5 Приложения). При положительной автокорреляции оно признается существенным для , если выполняется неравенство > , в противном случае, если , она отсутствует. При отрицательной автокорреляции оно признается существенным, если < , а несущественной - при . Изложенный выше метод может быть использован и для проверки автокорреляции остатков . В последнем случае автокорреляционная функция принимает более простой вид:
(4.15)
2. Для проверки значимости автокорреляции чаще всего используют критерий Дарбина-Уотсона (иногда его обозначают DW). Построенный на основе гипотезы о существовании автокорреляции первого порядка: 
(4.16)
Где n
- длина временного ряда. Величина d
имеет симметрическое распределение со средней, равный 2. При отсутствии автокорреляции значение , при полной положительной - d=0
, при полной отрицательной - d=4
.
Расчетное значение d
сравнивают с граничными его значениями dL
и dU
, при этом возможны следующие случаи:
Таблица 4.3
Значение d |
Суждение |
0 £ d < dL |
имеется положительная автокорреляция |
|
неопределенность |
Значения dL и dU табулированы (табл. П.7 Приложения) для значений n в интервале 7-100. В этой таблице v означает число независимых переменных в уравнении регрессии. Для функции вида xt =x (t) , v=1 .
3. Иногда вместо статистики Дарбина-Уотсона используется средняя Неймана Q:
(4.17)
(4.18)
(4.19)
Если вычисленное по формуле (4.17) значение Q
меньше некоторого критического для данного числа наблюдений n
значения (для ), то мы говорим о положительной автокорреляции остатков, если больше значения - то об отрицательной автокорреляции. Эти значения приводятся в табл. П.8 Приложения.
Пример 20.
Проверим наличие автокорреляции остатков, полученных в результате моделирования временного ряда примера 1 (см. пример 18).
Прием 1.
(через циклический коэффициент автокорреляции).
Первый эмпирический нециклический коэффициент автокорреляции рассчитываем по следующим данным:
1 9 |
12,051 8,541 |
В силу неизвестности значений параметров регрессии неизвестными будут также и истинные значения отклонений , поэтому выводы об их независимости осуществляются на основе оценок , полученных из эмпирического уравнения регрессии. Рассмотрим возможные методы определения автокорреляции.
Графический метод . Существует несколько вариантов графического определения автокорреляции. Один из них состоит в анализе последовательно-временных графиков. По оси абсцисс откладывают время, либо порядковый номер наблюдения, а по оси ординат – отклонения (Рис. 1).
Естественно предположить, что на рис. 1, а - г имеются определенные связи между отклонениями, т.е. автокорреляция имеет место. Отсутствие зависимости на рис. 1, д скорее всего свидетельствует об отсутствии автокорреляции.
Например, на рис. 1, б отклонения вначале в основном отрицательные, затем положительные, потом снова отрицательные. Это свидетельствует о наличии между отклонениями определенной зависимости. Более того, можно утверждать, что в этом случае имеет место положительная автокорреляция остатков. Она становится весьма наглядной, если график 1, б дополнить графиком зависимости от (рис. 2).
Подавляющее большинство точек на этом графике расположено в I и III четвертях декартовой системы координат, подтверждая положительную зависимость между соседними отклонениями.
Современные ППП решение задач построения регрессии дополняют графическим представлением результатов: график реальных колебаний зависимой переменной накладывается на график колебаний переменной по уравнению регрессии. Сопоставление этих графиков часто дает возможность выдвинуть гипотезу о наличии автокорреляции.
Метод рядов . Последовательно определяются знаки отклонений . Например,
(-----)(+++++++)(---)(++++)(-), т.е. 5 «-», 7 «+», 3 «-», 4 «+», 1 «-» при 20 наблюдениях.
Ряд определяется как непрерывная последовательность одинаковых знаков. Количество знаков в ряду называют длиной ряда. Визуальное распределение знаков свидетельствует о неслучайном характере связей между отклонениями. Если рядов слишком мало по сравнению с количеством наблюдений n, то вполне вероятна положительная автокорреляция. Если рядов слишком много, то вероятна отрицательная автокорреляция. Пусть n – объем выборки, n1 и n2 – общее количество, соответственно, знаков «+» и «-», k – количество рядов.
При достаточно большом количестве наблюдений (n1 > 10,
n2 > 10) и отсутствии автокорреляции случайная величина k имеет асимптотически нормальное распределение с
; 
.
Тогда, если , то гипотеза об отсутствии автокорреляции не отклоняется.
Число определяется по таблице функции стандартного нормального распределения из равенства F() = . Например, при , =1,96 и при , =2,58.
Для небольшого числа наблюдений (n1 < 20, n2 < 20) разработаны таблицы критических значений количества рядов при n наблюдениях. Суть таблиц в следующем.
На пересечении строки n1 и столбца n2 определяются нижнее k1 и верхнее k2 значения при уровне значимости (Рис.3).
автокорреляция > 0 автокорреляция = 0 автокорреляция < 0
Kk1_________k1 Пример 1.
Пусть изучается зависимость среднедушевых расходов на конечное потребление y
от среднедушевого дохода х
по данным некоторой страны за 16 лет. Исходные (и расчетные для примера 3) данные (усл.ед.) представлены в следующей таблице: Пусть исходная модель имеет вид: По исходным данным с использованием МНК получено следующее оцененное уравнение регрессии: ВЫВОД ИТОГОВ Регрессионная статистика
Множественный R R-квадрат Нормированный R-квадрат Стандартная ошибка Наблюдения Дисперсионный анализ Значимость F
Регрессия Рассматривая последовательность остатков как временной ряд, можно построить график их зависимости от времени. В соответствии с предпосылками МНК остатки должны быть случайными. Однако при моделировании временных рядов нередко встречается ситуация, когда остатки содержат тенденцию или циклические колебания. Это свидетельствует о том, что каждое следующее значение остатков зависит от предшествующих. В этом случае говорят об автокорреляции остатков.
Автокорреляция в остатках может быть вызвана несколькими причинами, имеющими различную природу. Существуют два наиболее распространенных метода определения автокорреляции остатков: Таким образом, d есть отношение суммы квадратов разностей последовательных значений остатков к остаточной сумме квадратов по модели регрессии. Алгоритм выявления автокорреляции остатков на основе критерия Дарбина -- Уотсона следующий. Выдвигается гипотеза Н0
об отсутствии автокорреляции остатков. Альтернативные гипотезы Н1
и Н1*
состоят, соответственно, в наличии положительной или отрицательной автокорреляции в остатках. Далее по специальным таблицам определяются критические значения критерия Дарбина -- Уотсона dL
и dU
для
заданного числа наблюдений n, числа независимых переменных модели k
и уровня значимости б
. По этим значениям числовой промежуток разбивают на пять отрезков. Принятие или отклонение каждой из гипотез с вероятностью осуществляется следующим образом: есть положительная автокорреляция. Принимается гипотеза H1 с вероятностью (1- б
). зона неопределенности. автокорреляция остатков нет. зона неопределенности. есть отрицательная автокорреляция. Принимается гипотеза H1* с вероятностью (1-б). Если фактическое значение критерия Дарбина -- Уотсона попадает в зону неопределенности, то на практике предполагают существование автокорреляции остатков и отклоняют гипотезу Hо. Есть несколько существенных ограничений на применение критерия Дарбина -- Уотсона: Решение
находим с помощью калькулятора .
Прежде чем перейти к определению нахождения оценок коэффициентов регрессии, необходимо проверить ряд предпосылок МНК. Эмпирическое уравнение множественной регрессии представим в виде: Для оценки параметров уравнения множественной регрессии применяют МНК. Матрица Y Матрица X T Умножаем матрицы, (X T X) Вектор оценок коэффициентов регрессии равен Если коэффициент автокорреляции r ei 3. Критерий Дарбина-Уотсона
. Для анализа коррелированности отклонений используют статистику Дарбина-Уотсона
:
.
Задание
. Приведены данные за 15 лет по темпам прироста заработной платы Y(%), производительности труда X 1 (%), а также по уровню инфляции X 1 (%).
Постройте уравнение линейной регрессии прироста заработной платы от производительности труда и уровня инфляции. Проверьте качество построенного уравнения регрессии с надежностью 0,95. Проведите проверку наличия в модели автокорреляции на уровне значимости 0,05.
Уравнение множественной регрессии может быть представлено в виде:
Y = f(β , X) + ε
где X = X(X 1 , X 2 , ..., X m) - вектор независимых (объясняющих) переменных; β - вектор параметров (подлежащих определению); ε - случайная ошибка (отклонение); Y - зависимая (объясняемая) переменная.
теоретическое линейное уравнение множественной регрессии имеет вид:
Y = β 0 + β 1 X 1 + β 2 X 2 + ... + β m X m + ε
β 0 - свободный член, определяющий значение Y, в случае, когда все объясняющие переменные X j равны 0.
Предпосылки МНК.
1. Математическое ожидание случайного отклонения ε i равно 0 для всех наблюдений (M(ε i) = 0).
2. Гомоскедастичность (постоянство дисперсий отклонений). Дисперсия случайных отклонений ε i постоянна: D(ε i) = D(ε j) = S 2 для любых i и j.
3. отсутствие автокорреляции.
4. Случайное отклонение должно быть независимо от объясняющих переменных: Y eixi = 0.
5. Модель является линейное относительно параметров.
6. отсутствие мультиколлинеарности. Между объясняющими переменными отсутствует строгая (сильная) линейная зависимость.
7. Ошибки ε i имеют нормальное распределение. Выполнимость данной предпосылки важна для проверки статистических гипотез и построения доверительных интервалов.
Y = b 0 + b 1 X 1 + b 1 X 1 + ... + b m X m + e
Здесь b 0 , b 1 , ..., b m - оценки теоретических значений β 0 , β 1 , β 2 , ..., β m коэффициентов регрессии (эмпирические коэффициенты регрессии); e - оценка отклонения ε.
При выполнении предпосылок МНК относительно ошибок ε i , оценки b 0 , b 1 , ..., b m параметров β 0 , β 1 , β 2 , ..., β m множественной линейной регрессии по МНК являются несмещенными, эффективными и состоятельными (т.е. BLUE-оценками).
1. Оценка уравнения регрессии
.
Определим вектор оценок коэффициентов регрессии. Согласно методу наименьших квадратов, вектор s
получается из выражения:
s = (X T X) -1 X T Y
Матрица X 1
3.5
4.5
1
2.8
3
1
6.3
3.1
1
4.5
3.8
1
3.1
3.8
1
1.5
1.1
1
7.6
2.3
1
6.7
3.6
1
4.2
7.5
1
2.7
8
1
4.5
3.9
1
3.5
4.7
1
5
6.1
1
2.3
6.9
1
2.8
3.5
9
6
8.9
9
7.1
3.2
6.5
9.1
14.6
11.9
9.2
8.8
12
12.5
5.7
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
3.5
2.8
6.3
4.5
3.1
1.5
7.6
6.7
4.2
2.7
4.5
3.5
5
2.3
2.8
4.5
3
3.1
3.8
3.8
1.1
2.3
3.6
7.5
8
3.9
4.7
6.1
6.9
3.5
Находим обратную матрицу (X T X) -1 0.99
-0.12
-0.1
-0.12
0.0246
0.00393
-0.1
0.00393
0.0194
s = (X T X) -1 X T Y = y(x) =
0,99
-0,12
-0,1
-0,12
0,0246
0,00393
-0,1
0,00393
0,0194
*
133,5
552,41
659,84
=
0,27
0,53
1,48
Уравнение регрессии (оценка уравнения регрессии)
Y = 0.27 + 0.53X 1 + 1.48X 2
Проверка на наличие автокорреляции остатков
.
Важной предпосылкой построения качественной регрессионной модели по МНК является независимость значений случайных отклонений от значений отклонений во всех других наблюдениях. Это гарантирует отсутствие коррелированности между любыми отклонениями и, в частности, между соседними отклонениями.
Автокорреляция (последовательная корреляция)
определяется как корреляция между наблюдаемыми показателями, упорядоченными во времени (временные ряды) или в пространстве (перекрестные ряды). Автокорреляция остатков (отклонений) обычно встречается в регрессионном анализе при использовании данных временных рядов и очень редко при использовании перекрестных данных.
В экономических задачах значительно чаще встречается положительная автокорреляция
, нежели отрицательная автокорреляция
. В большинстве случаев положительная автокорреляция вызывается направленным постоянным воздействием некоторых неучтенных в модели факторов.
Отрицательная автокорреляция
фактически означает, что за положительным отклонением следует отрицательное и наоборот. Такая ситуация может иметь место, если ту же зависимость между спросом на прохладительные напитки и доходами рассматривать по сезонным данным (зима-лето).
Среди основных причин, вызывающих автокорреляцию
, можно выделить следующие:
1. Ошибки спецификации. Неучет в модели какой-либо важной объясняющей переменной либо неправильный выбор формы зависимости обычно приводят к системным отклонениям точек наблюдения от линии регрессии, что может обусловить автокорреляцию.
2. Инерция. Многие экономические показатели (инфляция, безработица, ВНП и т.д.) обладают определенной цикличностью, связанной с волнообразностью деловой активности. Поэтому изменение показателей происходит не мгновенно, а обладает определенной инертностью.
3. Эффект паутины. Во многих производственных и других сферах экономические показатели реагируют на изменение экономических условий с запаздыванием (временным лагом).
4. Сглаживание данных. Зачастую данные по некоторому продолжительному временному периоду получают усреднением данных по составляющим его интервалам. Это может привести к определенному сглаживанию колебаний, которые имелись внутри рассматриваемого периода, что в свою очередь может служить причиной автокорреляции.
Последствия автокорреляции схожи с последствиями гетероскедастичности : выводы по t- и F-статистикам, определяющие значимость коэффициента регрессии и коэффициента детерминации, возможно, будут неверными.
Обнаружение автокорреляции
1. Графический метод
Есть ряд вариантов графического определения автокорреляции. Один из них увязывает отклонения ε i с моментами их получения i. При этом по оси абсцисс откладывают либо время получения статистических данных, либо порядковый номер наблюдения, а по оси ординат – отклонения ε i (либо оценки отклонений).
Естественно предположить, что если имеется определенная связь между отклонениями, то автокорреляция имеет место. Отсутствие зависимости скорее всего будет свидетельствовать об отсутствии автокорреляции.
Автокорреляция становится более наглядной, если построить график зависимости ε i от ε i-1
2. Коэффициент автокорреляции
.
Этот критерий является наиболее известным для обнаружения автокорреляции.
При статистическом анализе уравнения регрессии на начальном этапе часто проверяют выполнимость одной предпосылки: условия статистической независимости отклонений между собой. При этом проверяется некоррелированность соседних величин e i . y
y(x)
e i = y-y(x)
e 2
(e i - e i-1) 2
9
8.77
0.23
0.053
0
6
6.18
-0.18
0.0332
0.17
8.9
8.17
0.73
0.53
0.83
9
8.26
0.74
0.55
0.000109
7.1
7.52
-0.42
0.18
1.35
3.2
2.69
0.51
0.26
0.88
6.5
7.67
-1.17
1.37
2.83
9.1
9.12
-0.0203
0.000412
1.32
14.6
13.58
1.02
1.05
1.09
11.9
13.53
-1.63
2.65
7.03
9.2
8.41
0.79
0.63
5.86
8.8
9.07
-0.27
0.0706
1.12
12
11.93
0.0739
0.00546
0.12
12.5
11.69
0.81
0.66
0.54
5.7
6.92
-1.22
1.49
4.13
9.53
27.27
DW = 27.27/9.53 = 2.86
Критические значения d 1 и d 2 определяются на основе специальных таблиц для требуемого уровня значимости α, числа наблюдений n = 15 и количества объясняющих переменных m=1.
Автокорреляция отсутствует, если выполняется следующее условие:
d 1 Не обращаясь к таблицам, можно пользоваться приблизительным правилом и считать, что автокорреляция остатков отсутствует, если 1.5 2.5, то автокорреляция остатков присутствует
.
Для более надежного вывода целесообразно обращаться к табличным значениям.
По таблице Дарбина-Уотсона для n=15 и k=1 (уровень значимости 5%) находим: d 1 = 1.08; d 2 = 1.36.
Поскольку 1.08 присутствует.
