Коэффициент автокорреляции остатков. Обнаружение автокорреляции. Обратимся к уравнению регрессии

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.

• 1. Она может быть связана с исходными данными и вызвана наличием ошибок измерения в значениях результативного признака.
• 2. В ряде случаев автокорреляция может быть следствием неправильной спецификации модели. Модель может не включать фактор, который оказывает существенное воздействие на результат и влияние которого отражается в остатках, вследствие чего последние могут оказаться автокоррелированными.

Существуют два наиболее распространенных метода определения автокорреляции остатков:

• 1) построение графика зависимости остатков от времени и визуальное определение наличия или отсутствия автокорреляции.
• 2) использование критерия Дарбина -- Уотсона и расчет величины:

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:

• 1. Он неприменим к моделям, включающим в качестве независимых переменных лаговые значения результативного признака, т.е. к моделям авторегрессии.
• 2. Методика расчета и использования критерия Дарбина-Уотсона направлена только на выявление автокорреляции остатков первого порядка.
• 3. Критерий Дарбина-Уотсона дает достоверные результаты только для больших выборок.

В эконометрических исследованиях часто возникают ситуации, когда дисперсия остатков постоянна, но наблюдается статистическая зависимость остатков эконометрической модели между собой. Это явление называют автокорреляцией остатков .

В общем случае автокорреляция (последовательная корреляция) – это взаимосвязь упорядоченных во времени или в пространстве последовательных элементов соответственно временного или пространственного ряда данных.

На рис.5.5 показана зависимость Y от X , а также линия оцененного по этим данным уравнения парной линейной регрессии. Уже по рисунку видно, что оцененная регрессия не очень хороша: зависимость Y от X явно нелинейна. Если использовать проведенную регрессионную прямую, скажем, для прогнозирования дальнейшей динамики Y , результат будет неудовлетворительным.

Рис.5.5. К вопросу об автокорреляции остатков

Как же можно выразить формально неудовлетворительность полученного уравнения регрессии?

Мы видим, например, на рис.5.5, что в этом случае отклонения от линии регрессии не случайно распределены вокруг нее, а обладают определенной закономерностью. Эта закономерность, в частности, выражается в одинаковом, как правило, знаке каждых двух соседних отклонений . Это может являться следствием:

Неверной спецификации модели (ввиду нелинейного характера связи переменных);

Воздействием какого-то фактора, не включенного в модель в качестве объясняющей переменной. Величина такого неучтенного фактора может менять свою динамику в рассматриваемый период, отклоняясь в достаточно длительные промежутки времени в ту или иную сторону от своего среднего значения. Это, очевидно, может служить причиной длительных устойчивых отклонений зависимой переменной от линии регрессии.

Обе указанные причины свидетельствуют о том, что существует возможность улучшить уравнение регрессии путем оценивания какой-то новой нелинейной формулы или включения некоторой новой объясняющей переменной.

Зависимость, показанная на рис.5.5, очевидно, нелинейна. Но это – крайний случай. Далеко не всегда бывает столь же очевидно, что отклонения от регрессионной прямой имеют неслучайный, закономерный характер. Для оценки степени такой неслучайности необходимо ввести количественную меру .

Итак, одним из основных предполагаемых свойств отклонений наблюдаемых значений от регрессионной формулы является их статистическая независимость между собой .

Мы рассмотрим наиболее простую модель, в которой ошибки образуют так называемый авторегрессионный процесс первого порядка , т.е. когда ошибки зависят только от ошибок предыдущего периода. Применение обычного метода наименьших квадратов в этом случае дает несмещенные и состоятельные оценки параметров, однако можно показать, что оценка дисперсии оказывается смещенной вниз , что может отрицательно сказаться при проверке гипотез о значимости оценок параметров. Образно говоря, МНК рисует более оптимистичную картину, чем есть на самом деле.

Следовательно, последствия автокорреляции состоят в том, что:

- оценка дисперсии при использовании МНК является заниженной .

Большинство тестов на наличие автокорреляции в ошибках модели (наиболее широко используется тест Дарбина-Уотсона ) используют следующую идею: если корреляция есть у ошибок , то она присутствует и в остатках , получаемых после применения к модели обычного метода наименьших квадратов.

То есть, поскольку значения ошибок остаются неизвестными ввиду неизвестности истинных значений параметров модели, то проверяется статистическая независимость их аналогов – отклонений . При этом проверяется обычно их некоррелированность (являющаяся необходимым, но недостаточным атрибутом независимости ), причем некоррелированность не любых, а соседних величин .

- соседние во времени значения (в случае временных рядов);

- соседние по возрастанию переменной Х значения (в случае перекрестных выборок).

“Первого порядка ” означает, что остатки зависят только от остатков предыдущего периода.

Практически, однако, используют тесно связанную с статистику Дарбина-Уотсона, обозначаемую как DW-статистика или как d‑статистика , и рассчитываемую по формуле:

. (5.13)

.

Рассматриваем уравнение регрессии вида:

где k - число независимых переменных модели регрессии.

Для каждого момента времени t = 1: n значение определяется по формуле

Изучая последовательность остатков как временной ряд в , можно построить график их зависимости от времени. В соответствии с предпосылками метода наименьших квадратов остатки должны быть случайными (а). Однако при моделировании временных рядов иногда встречается ситуация, когда остатки содержат тенденцию (б и в) или циклические колебания (г). Это говорит о том, что каждое следующее значение остатков зависит от предыдущих. В этом случае имеется автокорреляция остатков.

Причины автокорреляции остатков

Автокорреляция остатков может возникать по несколькими причинами:

Во-первых, иногда автокорреляция связана с исходными данными и вызвана наличием ошибок измерения в значениях Y.

Во-вторых, иногда причину следует искать в формулировке модели. В модель может быть не включен фактор, оказывающий существенное воздействие на результат, но влияние которого отражается в остатках, вследствие чего последние могут оказаться автокоррелированными . Зачастую этим фактором является фактор времени t.

Иногда, в качестве существенных факторов могут выступать лаговые значения переменных , включенных в модель. Либо в модели не учтено несколько второстепенных факторов, совместное влияние которых на результат существенно ввиду совпадения тенденций их изменения или циклических колебаний.

Методы определения автокорреляции остатков

Первый метод - это построение графика зависимостей остатков от времени и визуальное определение наличия автокорреляции остатков.

Второй метод — расчет критерия Дарбина — Уотсона

Т.е. Критерий Дарбина — Уотсона определяется как отношение суммы квадратов разностей последовательных значений остатков к сумме квадратов остатков. Практически во всех задачах по эконометрике значение критерия Дарбина - Уотсона указывается наряду с коэффициентом корреляции, значениями критериев Фишера и Стьюдента

Коэффициент автокорреляции первого порядка определяется по формуле

Соотношение между критерием Дарбина - Уотсона и коэффициентом автокорреляции остатков (r1) первого порядка определяется зависимостью

Т.е. если в остатках существует полная положительная автокорреляция r1 = 1, а d = 0, Если в остатках полная отрицательная автокорреляция, то r1 = - 1, d = 4. Если автокорреляция остатков отсутствует, то r1 = 0, d = 2. Следовательно,

Алгоритм выявления автокорреляции остатков по критерию Дарбина - Уотсона

Выдвигается гипотеза об отсутствии автокорреляции остатков . Альтернативные гипотеэы о наличии положительной или отрицательной автокорреляции в остатках. Затем по таблицам определяются критические значения критерия Дарбина - Уотсона dL и du для заданного числа наблюдений и числа независимых переменных модели при уровня значимости а (обычно 0,95). По этим значениям промежуток разбивают на пять отрезков.

Если расчетное значение критерия Дарбина — Уотсона попадает в зону неопределенности , то подтверждается существование автокорреляции остатков и гипотезу отклоняют

Существуют два наиболее распространенных метода определения автокорреляции остатков. Первый метод -- это построение графика зависимости остатков от времени и визуальное определение наличия или отсутствия автокорреляции. Второй метод - использование критерия Дарбина -- Уотсона и расчет величины

Согласно (4.1) величина d есть отношение суммы квадратов разностей последовательных значений остатков к остаточной сумме квадратов по модели регрессии. Практически во всех статистических ППП значение критерия Дарбина - Уотсона указывается наряду с коэффициентом детерминации, значениями t- и F- критериев.

Коэффициент автокорреляции остатков первого порядка определяется как

Между критерием Дарбина-Уотсона и коэффициентом автокорреляции остатков первого порядка имеет место следующее соотношение:

Таким образом, если в остатках существует полная положительная автокорреляция и = 1, то d = 0. Если в остатках полная отрицательная автокорреляция, то = - 1 и, следовательно, d = 4. Если автокорреляция остатков отсутствует, то = 0 и d = 2. Следовательно, 0 ??d ??4.

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 таблице (приложение А) определяются критические значения критерия Дарбина-Уотсона dL и dU для заданного числа наблюдений n , числа независимых переменных модели k и уровня значимости a . По этим значениям числовой промежуток разбивают на пять отрезков. Принятие или отклонение каждой из гипотез с вероятностью (1-a ) рассматривается на рис. 4.1.

Рис. 4.1.

Если фактическое значение критерия Дарбина - Уотсона попадает в зону неопределенности, то на практике предполагают существование автокорреляции остатков и отклоняют гипотезу H0.

Пример 4.1. Проверка гипотезы о наличии автокорреляции в остатках.

Исходные данные, значения?t и результаты промежуточных расчетов

представлены в табл. 4.1.

Таблица 4.1 - Расчет критерия Дарбина-Уотсона для модели зависимости потребления от дохода

Фактическое значение критерия Дарбина-Уотсона для этой модели составляет d = 4,1233/1,6624 = 2,48. Сформулируем гипотезы:

Н0 - в остатках нет автокорреляции;

Н1 - в остатках есть положительная автокорреляция;

Н1* - в остатках есть отрицательная автокорреляция.

Зададим уровень значимости a = 0,05. По таблицам значений критерия Дарбина-Уотсона определим для числа наблюдений n = 7 и числа независимых переменных модели k " = 1 критические d L = 0,700 и d U = 1,356. Получим следующие промежутки внутри интервала

Рис. 4.2.

Фактическое значение d = 2,48 попадает в промежуток от d U до 4 - d U. Следовательно, нет оснований отклонять гипотезу H0 об отсутствии автокорреляции в остатках.

Есть несколько существенных ограничений на применение критерия Дарбина-Уотсона. Во-первых, он неприменим к моделям, включающим в качестве независимых переменных лаговые значения результативного признака, т. е. к моделям авторегрессии. Во-вторых, методика расчета и использования критерия Дарбина - Уотсона направлена только на выявление автокорреляции остатков первого порядка. При проверке остатков на автокорреляцию более высоких порядков следует применять другие методы. В-третьих, критерий Дарбина-Уотсона дает достоверные результаты только для больших выборок.

1. 0ценивание параметров уравнения регрессии при наличии автокорреляции в остатках

Обратимся к уравнению регрессии

Примем некоторые допущения относительно этого уравнения:

• 1. пусть уt и хt не содержат тенденции, например, представляют собой отклонения выравненных по трендам значений от исходных уровней временных рядов;
• 2. пусть оценки а и b параметров уравнения регрессии найдены обычным МНК;
• 3. пусть критерий Дарбина - Уотсона показал наличие автокорреляции в остатках первого порядка.

Основной подход к оценке параметров модели регрессии в случае, когда имеет место автокорреляция остатков, заключается в следующем: исходная модель регрессии (5.1) с помощью замены переменных приводится к виду

Здесь - коэффициент автокорреляции первого порядка.

Поскольку ut, - случайная ошибка, то для оценки параметров преобразованного уравнения можно применять обычный МНК.

Итак, если остатки по исходному уравнению регрессии содержат автокорреляцию, то для оценки параметров уравнения используют обобщенный МНК.

Его реализация разбивается на следующие этапы:

• 1. Перейти от исходных переменных уt и хt к переменным у"t их"t по формулам (5.3).
• 2. Применив обычный МНК к уравнению (5.2), определить оценки параметров а " и b .
• 3. Рассчитать параметр а исходного уравнения из соотношения (4.9) как

4. Выписать исходное уравнение (5.1).

Обобщенный метод наименьших квадратов аналогичен методу последовательных разностей. Однако мы вычитаем из уt (или хt) не все значение предыдущего уровня уt-1 (или x t-1), а некоторую его долю r ?1· уt-1 (или r ?1· x t-1). Если r ?1 = 1, то данный метод есть просто метод первых разностей, так как

Поэтому в случае, если значение критерия Дарбина - Уотсона близко к нулю, применение метода первых разностей вполне обоснованно.

Основная проблема, связанная с применением данного метода, заключается в том, как получить оценку r ?1. Основными способами являются оценка этого коэффициента непосредственно по остаткам, полученным по исходному уравнению регрессии, и получение его приближенного значения из соотношения между коэффициентом автокорреляции остатков первого порядка и критерием Дарбина-Уотсона

Автокорреляция остатков обычно встречается в регрессионном анализе при использовании данных временных рядов. Поэтому в дальнейших выкладках вместо символа i используется символ t, отражающий момент наблюдения, объем выборки при этом будем обозначать символом T. В экономических задачах значительно чаще встречается так называемая положительная автокорреляция (), нежели отрицательная автокорреляция ().

В большинстве случаев положительная автокорреляция вызывается направленным постоянным воздействием некоторых неучтенных в модели факторов.

Среди основных причин, вызывающих появление автокорреляции, можно выделить ошибки спецификации, инерцию в изменении экономических показателей, эффект паутины, сглаживание данных.

Последствия автокорреляции в определенной степени сходны с последствиями гетероскедастичности. Среди них при применении МНК обычно выделяют следующие:

1. Оценки параметров, оставаясь линейными и несмещенными, перестают быть эффективными. Следовательно, они перестают обладать свойствами наилучших линейных несмещенных оценок (BLUE-оценок).

2. Дисперсии оценок являются смещенными. Часто дисперсии, вычисляемые по стандартным формулам, являются заниженными, что влечет за собой увеличение -статистик. Это может привести к признанию статистически значимыми объясняющие переменные, которые в действительности таковыми могут и не являться.

3. Оценка дисперсии регрессии является смещенной оценкой истинного значения , во многих случаях занижая его.

4. В силу вышесказанного выводы по - и -статистикам, определяющим значимость коэффициентов регрессии и коэффициента детерминации, возможно, будут неверными. Вследствие этого ухудшаются прогнозные качества модели.

В силу неизвестности значений параметров уравнения 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.

1) Графический метод.

Существует несколько вариантов графического определения автокорреляции. Один из них, увязывающий отклонения с моментами их получения (их порядковыми номерами ), приведен на рис. 5.5. Это так называемые последовательно-временные графики. В этом случае по оси абсцисс обычно откладываются либо время (момент) получения статистических данных, либо порядковый номер наблюдения, а по оси ординат – отклонения (либо оценки отклонений ).

Рис. 5. 5

Естественно предположить, что на рис. 5.5, а-г имеются определенные связи между отклонениями, т.е. автокорреляция имеет место. Отсутствие зависимости на рис. 5.5,д скорее всего свидетельствует об отсутствии автокорреляции.

Например, на рис. 5.5,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 5.5,б дополнить графиком зависимости от (рис. 5.6).

Рис. 5. 6

Подавляющее большинство точек на этом графике расположено в I и III четвертях декартовой системы координат, подтверждая положительную зависимость между соседними отклонениями.

Следует заметить, что в современных компьютерных прикладных программах для решения задач по эконометрике аналитическое выражение регрессии дополняется графическим представлением результатов. На график реальных колебаний зависимой переменной накладывается график колебаний переменной по уравнению регрессии. Сопоставив эти два графика, можно выдвинуть гипотезу о наличии автокорреляции остатков. Если эти графики пересекаются редко, то можно предположить наличие положительной автокорреляции остатков.

2) метод рядов.

Этот метод достаточно прост: 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 называется длиной ряда .

Визуальное распределение знаков свидетельствует о неслучайном характере связей между отклонениями. Если рядов слишком мало по сравнению с количеством наблюдений , то вполне вероятна положительная автокорреляция. Если же рядов слишком мало, то вероятна отрицательная автокорреляция. Для более детального анализа предлагается следующая процедура. Пусть

– объем выборки;

– общее количество знаков «+» при наблюдениях (количество положительных отклонений );

– общее количество знаков «-» при наблюдениях (количество положительных отклонений );

– количество рядов.

При достаточно большом количестве наблюдений () и отсутствии автокорреляции СВ имеет асимптотически нормальное распределение с

Тогда, если , то гипотеза об отсутствии автокорреляции не отклоняется.

Для небольшого числа наблюдений () Свед и Эйзенхарт разработали таблицы критических значений количества рядов при наблюдениях. Суть таблиц в следующем.

На пересечении строки и столбца определяются нижнее и верхнее значения при уровне значимости .

При установлении автокорреляции необходимо в первую очередь

проанализировать правильность спецификации модели.Если после ряда

усовершенсвований регрессии автокорреляция по-прежнему имеет место, то возможны определенные преобразования, устраняющие автокорреляцию. Среди них выделяется авторегрессионная схема первого порядка AR(1).

Контрольные вопросы:

1. В чем суть гетероскедастичности?

2. Приведите аргументы в пользу графического теста, теста Парка и теста Глейзера.

3. Приведите схему теста Голдфельда-Квандта.

4. В чем суть метода взвешенных наименьших квадратов (ВНК)?

5. Что такое автокорреляция?

6. Назовите основные причины автокорреляции.

7. Перечислите основные методы обнаружения автокорреляции.

8. Каковы последствия автокорреляции?