Простая линейная регрессия. Основы линейной регрессии
После того как с помощью корреляционного анализа выявлено наличие статистических связей между переменными и оценена степень их тесноты, обычно переходят к математическому описанию конкретного вида зависимостей с использованием регрессионного анализа. С этой целью подбирают класс функций, связывающий результативный показатель у и аргументы х 1, х 2,…, х к отбирают наиболее информативные аргументы, вычисляют оценки неизвестных значений параметров уравнения связи и анализируют свойства полученного уравнения.
Функция f(х 1, х 2,…, х к) описывающая зависимость среднего значения результативного признака у от заданных значений аргументов, называется функцией (уравнением) регрессии. Термин «регрессия» (лат. -regression- отступление, возврат к чему-либо) введен английским психологом и антропологом Ф.Гальтоном и связан исключительно со спецификой одного из первых конкретных примеров, в котором это понятие было использовано. Так, обрабатывая статистические данные в связи с анализом наследственности роста, Ф. Гальтон нашел, что если отцы отклоняются от среднего роста всех отцов на x дюймов, то их сыновья отклоняются от среднего роста всех сыновей меньше, чем на x дюймов. Выявленная тенденция была названа «регрессией к среднему состоянию». С тех пор термин «регрессия» широко используется в статистической литературе, хотя во многих случаях он недостаточно точно характеризует понятие статистической зависимости.
Для точного описания уравнения регрессии необходимо знать закон распределения результативного показателя у. В статистической практике обычно приходится ограничиваться поиском подходящих аппроксимаций для неизвестной истинной функции регрессии, так как исследователь не располагает точным знанем условного закона распределения вероятностей анализируемого результатирующего показателя у при заданных значениях аргумента х.
Рассмотрим взаимоотношение между истинной f(х) = М(у1х), мо дельной регрессией? и оценкой y регрессии. Пусть результативный показатель у связан с аргументом х соотношением:
где - е случайная величина, имеющая нормальный закон распределения, причем Ме = 0 и D е = у 2 . Истинная функция регрессии в этом случае имеет вид: f (х) = М(у/х) = 2х 1.5 .
Предположим, что точный вид истинного уравнения регрессии нам не известен, но мы располагаем девятью наблюдениями над двумерной случайной величиной, связанной соотношением уi= 2х1,5+е, и представленной на рис. 1
Рисунок 1 - Взаимное расположение истиной f (х) и теоретической? модели регрессии
Расположение точек на рис. 1 позволяет ограничиться классом линейных зависимостей вида? = в 0 +в 1 x. С помощью метода наименьших квадратов найдем оценку уравнения регрессии у = b 0 +b 1 x. Для сравнения на рис. 1 приводятся графики истинной функции регрессии у=2х 1,5 , теоретической аппроксимирующей функции регрессии? = в 0 +в 1 x .
Поскольку мы ошиблись в выборе класса функции регрессии, а это достаточно часто встречается в практике статистических исследований, то наши статистические выводы и оценки окажутся ошибочными. И как бы мы ни увеличивали объем наблюдений, наша выборочная оценка у не будет близка к истинной функции регрессии f (х). Если бы мы правильно выбрали класс функций регрессии, то неточность в описании f(х) с помощью? объяснялась бы только ограниченностью выборки.
С целью наилучшего восстановления по исходным статистическим данным условного значения результативного показателя у(х) и неизвестной функции регрессии f(х) = М(у/х) наиболее часто используют следующие критерии адекватности (функции потерь).
Метод наименьших квадратов. Согласно ему минимизируется квадрат отклонения наблюдаемых значений результативного показателя у, (i = 1,2,..., п) от модельных значений,? = f(х i), где, х i - значение вектора аргументов в i-м наблюдении: ?(y i - f(х i) 2 > min. Получаемая регрессия называется среднеквадратической.
Метод наименьших модулей. Согласно ему минимизируется сумма абсолютных отклонений наблюдаемых значений результативного показателя от модульных значений. И получаем,? = f(х i), среднеабсолютную медианную регрессию? |y i - f(х i)| >min.
Регрессионным анализом называется метод статистического анализа зависимости случайной величины у от переменных х j = (j=1,2,..., к), рассматриваемых в регрессионном анализе как неслучайные величины, независимо от истинного закона распределения х j.
Обычно предполагается, что случайная величина у имеет нормальный закон распределения с условным математическим ожиданием у, являющимся функцией от аргументов х/ (/= 1, 2,..., к) и постоянной, не зависящей от аргументов, дисперсией у 2 .
В общем линейная модель регрессионного анализа имеет вид:
Y = Уk j=0 вj цj (x1 , x2 . . .. ,xk )+Э
где ц j - некоторая функция его переменных - x 1 , x 2 . . .. ,x k , Э - случайная величина с нулевым математическим ожиданием и дисперсией у 2 .
В регрессионном анализе вид уравнения регрессии выбирают исходя из физической сущности изучаемого явления и результатов наблюдения.
Оценки неизвестных параметров уравнения регрессии находят обычно методом наименьших квадратов. Ниже остановимся более подробно на этой проблеме.
Двумерное линейное уравнение регрессии. Пусть на основании анализа исследуемого явления предполагается, что в «среднем» у есть линейная функция от х, т. е. имеется уравнение регрессии
у=М(у/х)=в 0 + в 1 х)
где М(у1х) - условное математическое ожидание случайной величины у при заданном х; в 0 и в 1 - неизвестные параметры генеральной совокупности, которые надлежит оценить по результатам выборочных наблюдений.
Предположим, что для оценки параметров в 0 и в 1 из двухмерной генеральной совокупности (х, у) взята выборка объемом n, где (х, у,) результат i-го наблюдения (i = 1, 2,..., n). В этом случае модель регрессионного анализа имеет вид:
y j = в 0 + в 1 x+е j .
где е j .- независимые нормально распределенные случайные величины с нулевым математическим ожиданием и дисперсией у 2 , т. е. М е j . = 0;
D е j .= у 2 для всех i = 1, 2,..., n.
Согласно методу наименьших квадратов в качестве оценок неизвестных параметров в 0 и в 1 следует брать такие значения выборочных характеристик b 0 и b 1 , которые минимизируют сумму квадратов отклонений значений результативного признака у i от условного математического ожидания? i
Методику определения влияния характеристик маркетинга на прибыль предприятия рассмотрим на примере семнадцати типичных предприятий, имеющих средние размеры и показатели хозяйственной деятельности.
При решении задачи учитывались следующие характеристики, выявленные в результате анкетного опроса как наиболее значимые (важные):
* инновационная деятельность предприятия;
* планирование ассортимента производимой продукции;
* формирование ценовой политики;
* взаимоотношения с общественностью;
* система сбыта;
* система стимулирования работников.
На основе системы сравнений по факторам были построены квадратные матрицы смежности, в которых вычислялись значения относительных приоритетов по каждому фактору: инновационная деятельность предприятия, планирование ассортимента производимой продукции, формирование ценовой политики, реклама, взаимоотношения с общественностью, система сбыта, система стимулирования работников.
Оценки приоритетов по фактору «взаимоотношения с общественностью» получены в результате анкетирования специалистов предприятия. Приняты следующие обозначения: > (лучше), > (лучше или одинаково), = (одинаково), < (хуже или одинаково), <
Далее решалась задача комплексной оценки уровня маркетинга предприятия. При расчете показателя была определена значимость (вес) рассмотренных частных признаков и решалась задача линейного свертывания частных показателей. Обработка данных производилась по специально разработанным программам.
Далее рассчитывается комплексная оценка уровня маркетинга предприятия -- коэффициент маркетинга, который вносится в таблице 1. Кроме того, в названую таблицу включены показатели, характеризующие предприятие в целом. Данные в таблице будут использованы для проведения регрессионного анализа. Результативным признаком является прибыль. В качестве факторных признаков наряду с коэффициентом маркетинга использованы следующие показатели: объем валовой продукции, стоимость основных фондов, численность работников, коэффициент специализации.
Таблица 1 - Исходные данные для регрессионного анализа
По данным таблицы и на основе факторов с наиболее существенными значениями коэффициентов корреляции были построены регрессионные функции зависимости прибыли от факторов.
Уравнение регрессии в нашем случае примет вид:
О количественном влиянии рассмотренных выше факторов на величину прибыли говорят коэффициенты уравнения регрессии. Они показывают, на сколько тысяч рублей изменяется ее величина при изменении факторного признака на одну единицу. Как следует из уравнения, увеличение коэффициента комплекса маркетинга на одну единицу дает прирост прибыли на 1547,7 тыс. руб. Это говорит о том, что в совершенствовании маркетинговой деятельности кроется огромный потенциал улучшения экономических показателей предприятий.
При исследовании эффективности маркетинга наиболее интересным и самым важным факторным признаком является фактор Х5 -- коэффициент маркетинга. В соответствии с теорией статистики достоинство имеющегося уравнения множественной регрессии является возможность оценивать изолированное влияние каждого фактора, в том числе фактора маркетинга.
Результаты проведенного регрессионного анализа имеют и более широкое применение, чем для расчета параметров уравнения. Критерий отнесения (КЭф,) предприятий к относительно лучшим или относительно худшим основан на относительном показателе результата:
где Y фактi - фактическая величина i-го предприятия, тыс. руб.;
Y расчi -величина прибыли i-го предприятия, полученная расчетным путем по уравнению регрессии
В терминах решаемой задачи величина носит название «коэффициент эффективности». Деятельность предприятия можно признать эффективной в тех случаях, когда величина коэффициента больше единицы. Это означает, что фактическая прибыль больше прибыли, усредненной по выборке.
Фактические и расчетные значения прибыли представлены в табл. 2.
Таблица 2 - Анализ результативного признака в регрессионной модели
Анализ таблицы показывает, что в нашем случае деятельность предприятий 3, 5, 7, 9, 12, 14, 15, 17 за рассматриваемый период можно признать успешной.
Основная особенность регрессионного анализа: при его помощи можно получить конкретные сведения о том, какую форму и характер имеет зависимость между исследуемыми переменными.
Последовательность этапов регрессионного анализа
Рассмотрим кратко этапы регрессионного анализа.
Формулировка задачи. На этом этапе формируются предварительные гипотезы о зависимости исследуемых явлений.
Определение зависимых и независимых (объясняющих) переменных.
Сбор статистических данных. Данные должны быть собраны для каждой из переменных, включенных в регрессионную модель.
Формулировка гипотезы о форме связи (простая или множественная, линейная или нелинейная).
Определение функции регрессии (заключается в расчете численных значений параметров уравнения регрессии)
Оценка точности регрессионного анализа.
Интерпретация полученных результатов. Полученные результаты регрессионного анализа сравниваются с предварительными гипотезами. Оценивается корректность и правдоподобие полученных результатов.
Предсказание неизвестных значений зависимой переменной.
При помощи регрессионного анализа возможно решение задачи прогнозирования и классификации. Прогнозные значения вычисляются путем подстановки в уравнение регрессии параметров значений объясняющих переменных. Решение задачи классификации осуществляется таким образом: линия регрессии делит все множество объектов на два класса, и та часть множества, где значение функции больше нуля, принадлежит к одному классу, а та, где оно меньше нуля, - к другому классу.
Задачи регрессионного анализа
Рассмотрим основные задачи регрессионного анализа: установление формы зависимости, определение функции регрессии , оценка неизвестных значений зависимой переменной.
Установление формы зависимости.
Характер и форма зависимости между переменными могут образовывать следующие разновидности регрессии:
положительная линейная регрессия (выражается в равномерном росте функции);
положительная равноускоренно возрастающая регрессия;
положительная равнозамедленно возрастающая регрессия;
отрицательная линейная регрессия (выражается в равномерном падении функции);
отрицательная равноускоренно убывающая регрессия;
отрицательная равнозамедленно убывающая регрессия.
Однако описанные разновидности обычно встречаются не в чистом виде, а в сочетании друг с другом. В таком случае говорят о комбинированных формах регрессии.
Определение функции регрессии.
Вторая задача сводится к выяснению действия на зависимую переменную главных факторов или причин, при неизменных прочих равных условиях, и при условии исключения воздействия на зависимую переменную случайных элементов. Функция регрессии определяется в виде математического уравнения того или иного типа.
Оценка неизвестных значений зависимой переменной.
Решение этой задачи сводится к решению задачи одного из типов:
Оценка значений зависимой переменной внутри рассматриваемого интервала исходных данных, т.е. пропущенных значений; при этом решается задача интерполяции.
Оценка будущих значений зависимой переменной, т.е. нахождение значений вне заданного интервала исходных данных; при этом решается задача экстраполяции.
Обе задачи решаются путем подстановки в уравнение регрессии найденных оценок параметров значений независимых переменных. Результат решения уравнения представляет собой оценку значения целевой (зависимой) переменной.
Рассмотрим некоторые предположения, на которые опирается регрессионный анализ.
Предположение линейности, т.е. предполагается, что связь между рассматриваемыми переменными является линейной. Так, в рассматриваемом примере мы построили диаграмму рассеивания и смогли увидеть явную линейную связь. Если же на диаграмме рассеивания переменных мы видим явное отсутствие линейной связи, т.е. присутствует нелинейная связь, следует использовать нелинейные методы анализа.
Предположение о нормальности остатков . Оно допускает, что распределение разницы предсказанных и наблюдаемых значений является нормальным. Для визуального определения характера распределения можно воспользоваться гистограммамиостатков .
При использовании регрессионного анализа следует учитывать его основное ограничение. Оно состоит в том, что регрессионный анализ позволяет обнаружить лишь зависимости, а не связи, лежащие в основе этих зависимостей.
Регрессионный анализ дает возможность оценить степень связи между переменными путем вычисления предполагаемого значения переменной на основании нескольких известных значений.
Уравнение регрессии.
Уравнение регрессии выглядит следующим образом: Y=a+b*X
При помощи этого уравнения переменная Y выражается через константу a и угол наклона прямой (или угловой коэффициент) b, умноженный на значение переменной X. Константу a также называют свободным членом, а угловой коэффициент - коэффициентом регрессии или B-коэффициентом.
В большинстве случав (если не всегда) наблюдается определенный разброс наблюдений относительно регрессионной прямой.
Остаток - это отклонение отдельной точки (наблюдения) от линии регрессии (предсказанного значения).
Для решения задачи регрессионного анализа в MS Excel выбираем в меню Сервис "Пакет анализа" и инструмент анализа "Регрессия". Задаем входные интервалы X и Y. Входной интервал Y - это диапазон зависимых анализируемых данных, он должен включать один столбец. Входной интервал X - это диапазон независимых данных, которые необходимо проанализировать. Число входных диапазонов должно быть не больше 16.
На выходе процедуры в выходном диапазоне получаем отчет, приведенный в таблице 8.3а -8.3в .
ВЫВОД ИТОГОВ
|
Таблица 8.3а. Регрессионная статистика |
|
|
Регрессионная статистика |
|
|
Множественный R | |
|
R-квадрат | |
|
Нормированный R-квадрат | |
|
Стандартная ошибка | |
|
Наблюдения | |
Сначала рассмотрим верхнюю часть расчетов, представленную в таблице 8.3а , - регрессионную статистику.
Величина R-квадрат , называемая также мерой определенности, характеризует качество полученной регрессионной прямой. Это качество выражается степенью соответствия между исходными данными и регрессионной моделью (расчетными данными). Мера определенности всегда находится в пределах интервала .
В большинстве случаев значение R-квадрат находится между этими значениями, называемыми экстремальными, т.е. между нулем и единицей.
Если значение R-квадрата близко к единице, это означает, что построенная модель объясняет почти всю изменчивость соответствующих переменных. И наоборот, значениеR-квадрата , близкое к нулю, означает плохое качество построенной модели.
В нашем примере мера определенности равна 0,99673, что говорит об очень хорошей подгонке регрессионной прямой к исходным данным.
множественный R - коэффициент множественной корреляции R - выражает степень зависимости независимых переменных (X) и зависимой переменной (Y).
Множественный R равен квадратному корню из коэффициента детерминации, эта величина принимает значения в интервале от нуля до единицы.
В простом линейном регрессионном анализе множественный R равен коэффициенту корреляции Пирсона. Действительно,множественный R в нашем случае равен коэффициенту корреляции Пирсона из предыдущего примера (0,998364).
|
Таблица 8.3б. Коэффициенты регрессии |
|||
|
Коэффициенты |
Стандартная ошибка |
t-статистика |
|
|
Y-пересечение | |||
|
Переменная X 1 | |||
|
* Приведен усеченный вариант расчетов |
|||
Теперь рассмотрим среднюю часть расчетов, представленную в таблице 8.3б . Здесь даны коэффициент регрессии b (2,305454545) и смещение по оси ординат, т.е. константа a (2,694545455).
Исходя из расчетов, можем записать уравнение регрессии таким образом:
Y= x*2,305454545+2,694545455
Направление связи между переменными определяется на основании знаков (отрицательный или положительный) коэффициентов регрессии (коэффициента b).
Если знак при коэффициенте регрессии - положительный, связь зависимой переменной с независимой будет положительной. В нашем случае знак коэффициента регрессии положительный, следовательно, связь также является положительной.
Если знак при коэффициенте регрессии - отрицательный, связь зависимой переменной с независимой является отрицательной (обратной).
В таблице 8.3в . представлены результаты выводаостатков . Для того чтобы эти результаты появились в отчете, необходимо при запуске инструмента "Регрессия" активировать чекбокс "Остатки".
ВЫВОД ОСТАТКА
|
Таблица 8.3в. Остатки |
|||
|
Наблюдение |
Предсказанное Y |
Остатки |
Стандартные остатки |
При помощи этой части отчета мы можем видеть отклонения каждой точки от построенной линии регрессии. Наибольшее абсолютное значение остатка в нашем случае - 0,778, наименьшее - 0,043. Для лучшей интерпретации этих данных воспользуемся графиком исходных данных и построенной линией регрессии, представленными нарис. 8.3 . Как видим, линия регрессии достаточно точно "подогнана" под значения исходных данных.
Следует учитывать, что рассматриваемый пример является достаточно простым и далеко не всегда возможно качественное построение регрессионной прямой линейного вида.
Рис. 8.3. Исходные данные и линия регрессии
Осталась нерассмотренной задача оценки неизвестных будущих значений зависимой переменной на основании известных значений независимой переменной, т.е. задача прогнозирования.
Имея уравнение регрессии, задача прогнозирования сводится к решению уравнения Y= x*2,305454545+2,694545455 с известными значениями x. Результаты прогнозирования зависимой переменной Y на шесть шагов вперед представлены в таблице 8.4 .
|
Таблица 8.4. Результаты прогнозирования переменной Y |
|
|
Y(прогнозируемое) |
|
Таким образом, в результате использования регрессионного анализа в пакете Microsoft Excel мы:
построили уравнение регрессии;
установили форму зависимости и направление связи между переменными - положительная линейная регрессия, которая выражается в равномерном росте функции;
установили направление связи между переменными;
оценили качество полученной регрессионной прямой;
смогли увидеть отклонения расчетных данных от данных исходного набора;
предсказали будущие значения зависимой переменной.
Если функция регрессии определена, интерпретирована и обоснована, и оценка точности регрессионного анализа соответствует требованиям, можно считать, что построенная модель и прогнозные значения обладают достаточной надежностью.
Прогнозные значения, полученные таким способом, являются средними значениями, которые можно ожидать.
В этой работе мы рассмотрели основные характеристики описательной статистики и среди них такие понятия, каксреднее значение ,медиана ,максимум ,минимум и другие характеристики вариации данных.
Также было кратко рассмотрено понятие выбросов . Рассмотренные характеристики относятся к так называемому исследовательскому анализу данных, его выводы могут относиться не к генеральной совокупности, а лишь к выборке данных. Исследовательский анализ данных используется для получения первичных выводов и формирования гипотез относительно генеральной совокупности.
Также были рассмотрены основы корреляционного и регрессионного анализа, их задачи и возможности практического использования.
Понятия корреляции и регрессии непосредственно связаны между собой. В корреляционном и регрессионном анализе много общих вычислительных приемов. Они используются для выявления причинно-следственных соотношений между явлениями и процессами. Однако, если корреляционный анализ позволяет оценить силу и направление стохастической связи, то регрессионный анализ - еще и форму зависимости.
Регрессия может быть:
а) в зависимости от числа явлений (переменных):
Простой (регрессия между двумя переменными);
Множественной (регрессия между зависимой переменной (y) и несколькими объясняющими ее переменными (х1, х2...хn);
б) в зависимости от формы:
Линейной (отображается линейной функцией, а между изучаемыми переменными существуют линейные соотношения);
Нелинейной (отображается нелинейной функцией, между изучаемыми переменными связь носит нелинейный характер);
в) по характеру связи между включенными в рассмотрение переменными:
Положительной (увеличение значения объясняющей переменной приводит к увеличению значения зависимой переменной и наоборот);
Отрицательной (с увеличением значения объясняющей переменной значение объясняемой переменной уменьшается);
г) по типу:
Непосредственной (в этом случае причина оказывает прямое воздействие на следствие, т.е. зависимая и объясняющая переменные связаны непосредственно друг с другом);
Косвенной (объясняющая переменная оказывает опосредованное действие через третью или ряд других переменных на зависимую переменную);
Ложной (нонсенс регрессия) - может возникнуть при поверхностном и формальном подходе к исследуемым процессам и явлениям. Примером бессмысленных является регрессия, устанавливающая связь между уменьшением количества потребляемого алкоголя в нашей стране и уменьшением продажи стирального порошка.
При проведении регрессионного анализа решаются следующие основные задачи:
1. Определение формы зависимости.
2. Определение функции регрессии. Для этого используют математическое уравнение того или иного типа, позволяющее, во-первых, установить общую тенденцию изменения зависимой переменной, а, во-вторых, вычислить влияние объясняющей переменной (или нескольких переменных) на зависимую переменную.
3. Оценка неизвестных значений зависимой переменной. Полученная математическая зависимость (уравнение регрессии) позволяет определять значение зависимой переменной как в пределах интервала заданных значений объясняющих переменных, так и за его пределами. В последнем случае регрессионный анализ выступает в качестве полезного инструмента при прогнозировании изменений социально-экономических процессов и явлений (при условии сохранения существующих тенденций и взаимосвязей). Обычно длина временного отрезка, на который осуществляется прогнозирование, выбирается не более половины интервала времени, на котором проведены наблюдения исходных показателей. Можно осуществить как пассивный прогноз, решая задачу экстраполяции, так и активный, ведя рассуждения по известной схеме "если..., то" и подставляя различные значения в одну или несколько объясняющих переменных регрессии.
Для построения регрессии используется специальный метод, получивший название метода наименьших квадратов . Этот метод имеет преимущества перед другими методами сглаживания: сравнительно простое математическое определение искомых параметров и хорошее теоретическое обоснование с вероятностной точки зрения.
При выборе модели регрессии одним из существенных требований к ней является обеспечение наибольшей возможной простоты, позволяющей получить решение с достаточной точностью. Поэтому для установления статистических связей вначале, как правило, рассматривают модель из класса линейных функций (как наиболее простейшего из всех возможных классов функций):
где bi, b2...bj - коэффициенты, определяющие влияние независимых переменных хij на величину yi; аi - свободный член; ei - случайное отклонение, которое отражает влияние неучтенных факторов на зависимую переменную; n - число независимых переменных; N число наблюдений, причем должно соблюдаться условие (N . n+1).
Линейная модель может описывать весьма широкий класс различных задач. Однако на практике, в частности в социально-экономических системах, подчас затруднительно применение линейных моделей из-за больших ошибок аппроксимации. Поэтому нередко используются функции нелинейной множественной регрессии, допускающие линеаризацию. К их числу, например, относится производственная функция (степенная функция Кобба-Дугласа), нашедшая применение в различных социально-экономических исследованиях. Она имеет вид:
где b 0 - нормировочный множитель, b 1 ...b j - неизвестные коэффициенты, e i - случайное отклонение.
Используя натуральные логарифмы, можно преобразовать это уравнение в линейную форму:
Полученная модель позволяет использовать стандартные процедуры линейной регрессии, описанные выше. Построив модели двух видов (аддитивные и мультипликативные), можно выбрать наилучшие и провести дальнейшие исследования с меньшими ошибками аппроксимации.
Существует хорошо развитая система подбора аппроксимирующих функций - методика группового учета аргументов (МГУА) .
О правильности подобранной модели можно судить по результатам исследования остатков, являющихся разностями между наблюдаемыми величинами y i и соответствующими прогнозируемыми с помощью регрессионного уравнения величинами y i . В этом случае для проверки адекватности модели рассчитывается средняя ошибка аппроксимации:
Модель считается адекватной, если e находится в пределах не более 15%.
Особо подчеркнем, что применительно к социально-экономическим системам далеко не всегда выполняются основные условия адекватности классической регрессионной модели.
Не останавливаясь на всех причинах возникающей неадекватности, назовем лишь мультиколлинеарность - самую сложную проблему эффективного применения процедур регрессионного анализа при изучении статистических зависимостей. Под мультиколлинеарностью понимается наличие линейной связи между объясняющими переменными.
Это явление:
а) искажает смысл коэффициентов регрессии при их содержательной интерпретации;
б) снижает точность оценивания (возрастает дисперсия оценок);
в) усиливает чувствительность оценок коэффициентов к выборочным данным (увеличение объема выборки может сильно повлиять на значения оценок).
Существуют различные приемы снижения мультиколлинеарности. Наиболее доступный способ - устранение одной из двух переменных, если коэффициент корреляции между ними превышает значение, равное по абсолютной величине 0,8. Какую из переменных оставить решают, исходя из содержательных соображений. Затем вновь проводится расчет коэффициентов регрессии.
Использование алгоритма пошаговой регрессии позволяет последовательно включать в модель по одной независимой переменной и анализировать значимость коэффициентов регрессии и мультиколлинеарность переменных. Окончательно в исследуемой зависимости остаются только те переменные, которые обеспечивают необходимую значимость коэффициентов регрессии и минимальное влияние мультиколлинеарности.
Регрессионный анализ исследует зависимость определенной величины от другой величины или нескольких других величин. Регрессионный анализ применяется преимущественно в среднесрочном прогнозировании, а также в долгосрочном прогнозировании. Средне- и долгосрочный периоды дают возможность установления изменений в среде бизнеса и учета влияний этих изменений на исследуемый показатель.
Для осуществления регрессионного анализа необходимо:
наличие ежегодных данных по исследуемым показателям,
наличие одноразовых прогнозов, т.е. таких прогнозов, которые не поправляются с поступлением новых данных.
Регрессионный анализ обычно проводится для объектов, имеющих сложную, многофакторную природу, таких как, объем инвестиций, прибыль, объемы продаж и др.
При нормативном методе прогнозирования определяются пути и сроки достижения возможных состояний явления, принимаемых в качестве цели. Речь идет о прогнозировании достижения желательных состояний явления на основе заранее заданных норм, идеалов, стимулов и целей. Такой прогноз отвечает на вопрос: какими путями можно достичь желаемого? Нормативный метод чаще применяется для программных или целевых прогнозов. Используются как количественное выражение норматива, так и определенная шкала возможностей оценочной функции
В случае использования количественного выражения, например физиологических и рациональных норм потребления отдельных продовольственных и непродовольственных товаров, разработанных специалистами для различных групп населения, можно определить уровень потребления этих товаров на годы, предшествующие достижению указанной нормы. Такие расчеты называют интерполяцией. Интерполяция - это способ вычисления показателей, недостающих в динамическом ряду явления, на основе установленной взаимосвязи. Принимая фактическое значение показателя и значение его нормативов за крайние члены динамического ряда, можно определить величины значений внутри этого ряда. Поэтому интерполяцию считают нормативным методом. Ранее приведенная формула (4), используемая в экстраполяции, может применяться в интерполяции, где у п будет характеризовать уже не фактические данные, а норматив показателя.
В случае использования в нормативном методе шкалы (поля, спектра) возможностей оценочной функции, т. е. функции распределения предпочтительности, указывают примерно следующую градацию: нежелательно - менее желательно - более желательно - наиболее желательно - оптимально (норматив).
Нормативный метод прогнозирования помогает выработать рекомендации по повышению уровня объективности, следовательно, эффективности решений.
Моделирование , пожалуй, самый сложный метод прогнозирования. Математическое моделирование означает описание экономического явления посредством математических формул, уравнений и неравенств. Математической аппарат должен достаточно точно отражать прогнозный фон, хотя полностью отразить всю глубину и сложность прогнозируемого объекта довольно трудно. Термин "модель" образован от латинского слова modelus, что означает "мера". Поэтому моделирование правильнее было бы считать не методом прогнозирования, а методом изучения аналогичного явления на модели.
В широком смысле моделями называются заместители объекта исследования, находящиеся с ним в таком сходстве, которое позволяет получить новое знание об объекте. Модель следует рассматривать как математическое описание объекта. В этом случае модель определяется как явление (предмет, установка), которое находиться в некотором соответствии с изучаемым объектом и может его замещать в процессе исследования, представляя информацию об объекте.
При более узком понимании модели она рассматривается как объект прогнозирования, ее исследование позволяет получить информацию о возможных состояниях объекта в будущем и путях достижения этих состояний. В этом случае целью прогнозной модели является получение информации не об объекте вообще, а только о его будущих состояниях. Тогда при построении модели бывает невозможно провести прямую проверку ее соответствия объекту, так как модель представляет собой только его будущее состояние, а сам объект в настоящее время может отсутствовать или иметь иное существование.
Модели могут быть материальными и идеальными.
В экономике используются идеальные модели. Наиболее совершенной идеальной моделью количественного описания социально-экономического (экономического) явления является математическая модель, использующая числа, формулы, уравнения, алгоритмы или графическое представление. С помощью экономических моделей определяют:
зависимость между различными экономическими показателями;
различного рода ограничения, накладываемые на показатели;
критерии, позволяющие оптимизировать процесс.
Содержательное описание объекта может быть представлено в виде его формализованной схемы, которая указывает, какие параметры и исходную информацию нужно собрать, чтобы вычислить искомые величины. Математическая модель в отличие от формализованной схемы содержит конкретные числовые данные, характеризующие объект Разработка математической модели во многом зависит от представления прогнозиста о сущности моделируемого процесса. На основе своих представлений он выдвигает рабочую гипотезу, с помощью которой создается аналитическая запись модели в виде формул, уравнений и неравенств. В результате решения системы уравнений получают конкретные параметры функции, которыми описывается изменение искомых переменных величин во времени.
Порядок и последовательность работы как элемент организации прогнозирования определяется в зависимости от применяемого метода прогнозирования. Обычно эта работа выполняется в несколько этапов.
1-й этап - прогнозная ретроспекция, т. е. установление объекта прогнозирования и прогнозного фона. Работа на первом этапе выполняется в такой последовательности:
формирование описания объекта в прошлом, что включает предпрогнозный анализ объекта, оценку его параметров, их значимости и взаимных связей,
определение и оценка источников информации, порядка и организации работы с ними, сбор и размещение ретроспективной информации;
постановка задач исследования.
Выполняя задачи прогнозной ретроспекции, прогнозисты исследуют историю развития объекта и прогнозного фона с целью получения их систематизированного описания.
2-й этап - прогнозный диагноз, в ходе которого исследуется систематизированное описание объекта прогнозирования и прогнозного фона с целью выявления тенденций их развития и выбора моделей и методов прогнозирования. Работа выполняется в такой последовательности:
разработка модели объекта прогноза, в том числе формализованное описание объекта, проверка степени адекватности модели объекту;
выбор методов прогнозирования (основного и вспомогательных), разработка алгоритма и рабочих программ.
3-й этап - протекция, т. е. процесс обширной разработки прогноза, в том числе: 1) расчет прогнозируемых параметров на заданный период упреждения; 2) синтез отдельных составляющих прогноза.
4-й этап - оценка прогноза, в том числе его верификация, т. е. определение степени достоверности, точности и обоснованности.
В ходе проспекции и оценки на основании предыдущих этапов решаются задачи прогноза и его оценка.
Указанная этапность является примерной и зависит от основного метода прогнозирования.
Результаты прогноза оформляются в виде справки, доклада или иного материала и представляются заказчику.
В прогнозировании может быть указана величина отклонения прогноза от действительного состояния объекта, которая называется ошибкой прогноза, которая рассчитывается по формуле:
;
;
.
(9.3)
Источники ошибок в прогнозировании
Основными источниками могут быть:
1. Простое перенесение (экстраполяция) данных из прошлого в будущее (например, отсутствие у фирмы иных вариантов прогноза, кроме 10% роста продаж).
2. Невозможность точно определить вероятность события и его воздействия на исследуемый объект.
3. Непредвиденные трудности (разрушительные события), влияющие на осуществление плана, например, внезапное увольнение начальника отдела сбыта.
В целом точность прогнозирования повышается по мере накопления опыта прогнозирования и отработки его методов.
Основная цель регрессионного анализа состоит в определении аналитической формы связи, в которой изменение результативного признака обусловлено влиянием одного или нескольких факторных признаков, а множество всех прочих факторов, также оказывающих влияние на результативный признак, принимается за постоянные и средние значения.Задачи регрессионного анализа :
а) Установление формы зависимости. Относительно характера и формы зависимости между явлениями, различают положительную линейную и нелинейную и отрицательную линейную и нелинейную регрессию.
б) Определение функции регрессии в виде математического уравнения того или иного типа и установление влияния объясняющих переменных на зависимую переменную.
в) Оценка неизвестных значений зависимой переменной. С помощью функции регрессии можно воспроизвести значения зависимой переменной внутри интервала заданных значений объясняющих переменных (т. е. решить задачу интерполяции) или оценить течение процесса вне заданного интервала (т. е. решить задачу экстраполяции). Результат представляет собой оценку значения зависимой переменной.
Парная регрессия - уравнение связи двух переменных у и х: , где y - зависимая переменная (результативный признак); x - независимая, объясняющая переменная (признак-фактор).
Различают линейные и нелинейные регрессии.
Линейная регрессия: y = a + bx + ε
Нелинейные регрессии делятся на два класса: регрессии, нелинейные относительно включенных в анализ объясняющих переменных, но линейные по оцениваемым параметрам, и регрессии, нелинейные по оцениваемым параметрам.
Регрессии, нелинейные по объясняющим переменным:
.
Для линейных и нелинейных уравнений, приводимых к линейным, решается следующая система относительно a и b:
Можно воспользоваться готовыми формулами, которые вытекают из этой системы:
Тесноту связи изучаемых явлений оценивает линейный коэффициент парной корреляции для линейной регрессии :
и индекс корреляции - для нелинейной регрессии:
Оценку качества построенной модели даст коэффициент (индекс) детерминации, а также средняя ошибка аппроксимации .
Средняя ошибка аппроксимации - среднее отклонение расчетных значений от фактических:
.
Допустимый предел значений - не более 8-10%.
Средний коэффициент эластичности 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:
.
Задача дисперсионного анализа состоит в анализе дисперсии зависимой переменной:
,
где - общая сумма квадратов отклонений;
- сумма квадратов отклонений, обусловленная регрессией («объясненная» или «факторная»);
- остаточная сумма квадратов отклонений.
Долю дисперсии, объясняемую регрессией, в общей дисперсии результативного признака у характеризует коэффициент (индекс) детерминации R 2:
Коэффициент детерминации - квадрат коэффициента или индекса корреляции.
F-тест - оценивание качества уравнения регрессии - состоит в проверке гипотезы Но о статистической незначимости уравнения регрессии и показателя тесноты связи. Для этого выполняется сравнение фактического F факт и критического (табличного) F табл значений F-критерия Фишера. F факт определяется из соотношения значений факторной и остаточной дисперсий, рассчитанных на одну степень свободы:
,
где n - число единиц совокупности; m - число параметров при переменных х.
F табл - это максимально возможное значение критерия под влиянием случайных факторов при данных степенях свободы и уровне значимости a. Уровень значимости a - вероятность отвергнуть правильную гипотезу при условии, что она верна. Обычно a принимается равной 0,05 или 0,01.
Если F табл < F факт, то Н о - гипотеза о случайной природе оцениваемых характеристик отклоняется и признается их статистическая значимость и надежность. Если F табл > F факт, то гипотеза Н о не отклоняется и признается статистическая незначимость, ненадежность уравнения регрессии.
Для оценки статистической значимости коэффициентов регрессии и корреляции рассчитываются t-критерий Стьюдента и доверительные интервалы каждого из показателей. Выдвигается гипотеза Н о о случайной природе показателей, т.е. о незначимом их отличии от нуля. Оценка значимости коэффициентов регрессии и корреляции с помощью t-критерия Стьюдента проводится путем сопоставления их значений с величиной случайной ошибки:
; ; .
Случайные ошибки параметров линейной регрессии и коэффициента корреляции определяются по формулам:
Сравнивая фактическое и критическое (табличное) значения t-статистики - t табл и t факт - принимаем или отвергаем гипотезу Н о.
Связь между F-критерием Фишера и t-статистикой Стьюдента выражается равенством
Если t табл < t факт то H o отклоняется, т.е. a, b и не случайно отличаются от нуля и сформировались под влиянием систематически действующего фактора х. Если t табл > t факт то гипотеза Н о не отклоняется и признается случайная природа формирования а, b или .
Для расчета доверительного интервала определяем предельную ошибку D для каждого показателя:
, .
Формулы для расчета доверительных интервалов имеют следующий вид:
; ;
; ;
Если в границы доверительного интервала попадает ноль, т.е. нижняя граница отрицательна, а верхняя положительна, то оцениваемый параметр принимается нулевым, так как он не может одновременно принимать и положительное, и отрицательное значения.
Прогнозное значение определяется путем подстановки в уравнение регрессии соответствующего (прогнозного) значения . Вычисляется средняя стандартная ошибка прогноза :
,
где 
и строится доверительный интервал прогноза:
; 
; 
где 
.
Пример решения
Задача №1 . По семи территориям Уральского района За 199Х г. известны значения двух признаков.Таблица 1.
Требуется: 1. Для характеристики зависимости у от х рассчитать параметры следующих функций:
а) линейной;
б) степенной (предварительно нужно произвести процедуру линеаризации переменных, путем логарифмирования обеих частей);
в) показательной;
г) равносторонней гиперболы (так же нужно придумать как предварительно линеаризовать данную модель).
2. Оценить каждую модель через среднюю ошибку аппроксимации и F-критерий Фишера.
Решение (Вариант №1)
Для расчета параметров a и b линейной регрессии (расчет можно проводить с помощью калькулятора).решаем систему нормальных уравнений относительно а и b:
По исходным данным рассчитываем
:
| y | x | yx | x 2 | y 2 | A i | |||
| l | 68,8 | 45,1 | 3102,88 | 2034,01 | 4733,44 | 61,3 | 7,5 | 10,9 |
| 2 | 61,2 | 59,0 | 3610,80 | 3481,00 | 3745,44 | 56,5 | 4,7 | 7,7 |
| 3 | 59,9 | 57,2 | 3426,28 | 3271,84 | 3588,01 | 57,1 | 2,8 | 4,7 |
| 4 | 56,7 | 61,8 | 3504,06 | 3819,24 | 3214,89 | 55,5 | 1,2 | 2,1 |
| 5 | 55,0 | 58,8 | 3234,00 | 3457,44 | 3025,00 | 56,5 | -1,5 | 2,7 |
| 6 | 54,3 | 47,2 | 2562,96 | 2227,84 | 2948,49 | 60,5 | -6,2 | 11,4 |
| 7 | 49,3 | 55,2 | 2721,36 | 3047,04 | 2430,49 | 57,8 | -8,5 | 17,2 |
| Итого | 405,2 | 384,3 | 22162,34 | 21338,41 | 23685,76 | 405,2 | 0,0 | 56,7 |
| Ср. знач. (Итого/n) | 57,89 | 54,90 | 3166,05 | 3048,34 | 3383,68 | X | X | 8,1 |
| s | 5,74 | 5,86 | X | X | X | X | X | X |
| s 2 | 32,92 | 34,34 | X | X | X | X | X | X |
Уравнение регрессии: у =
76,88 - 0,35х.
С увеличением среднедневной заработной платы на 1 руб. доля расходов на покупку продовольственных товаров снижается в среднем на 0,35 %-ных пункта.
Рассчитаем линейный коэффициент парной корреляции:
Связь умеренная, обратная.
Определим коэффициент детерминации:
Вариация результата на 12,7% объясняется вариацией фактора х. Подставляя в уравнение регрессии фактические значения х,
определим теоретические (расчетные) значения
.
Найдем величину средней ошибки аппроксимации :
В среднем расчетные значения отклоняются от фактических на 8,1%.
Рассчитаем F-критерий:
поскольку 1< F
<
¥
, следует рассмотреть F
-1 .
Полученное значение указывает на необходимость принять гипотезу Но о
случайной природе выявленной зависимости и статистической незначимости параметров уравнения и показателя тесноты связи.
1б.
Построению степенной модели предшествует процедура линеаризации переменных. В примере линеаризация производится путем логарифмирования обеих частей уравнения:
где
Y=lg(y), X=lg(x), C=lg(a).
Для расчетов используем данные табл. 1.3.
Таблица 1.3
| Y | X | YX | Y 2 | X 2 | A i | ||||
| 1 | 1,8376 | 1,6542 | 3,0398 | 3,3768 | 2,7364 | 61,0 | 7,8 | 60,8 | 11,3 |
| 2 | 1,7868 | 1,7709 | 3,1642 | 3,1927 | 3,1361 | 56,3 | 4,9 | 24,0 | 8,0 |
| 3 | 1,7774 | 1,7574 | 3,1236 | 3,1592 | 3,0885 | 56,8 | 3,1 | 9,6 | 5,2 |
| 4 | 1,7536 | 1,7910 | 3,1407 | 3,0751 | 3,2077 | 55,5 | 1,2 | 1,4 | 2,1 |
| 5 | 1,7404 | 1,7694 | 3,0795 | 3,0290 | 3,1308 | 56,3 | -1,3 | 1,7 | 2,4 |
| 6 | 1,7348 | 1,6739 | 2,9039 | 3,0095 | 2,8019 | 60,2 | -5,9 | 34,8 | 10,9 |
| 7 | 1,6928 | 1,7419 | 2,9487 | 2,8656 | 3,0342 | 57,4 | -8,1 | 65,6 | 16,4 |
| Итого | 12,3234 | 12,1587 | 21,4003 | 21,7078 | 21,1355 | 403,5 | 1,7 | 197,9 | 56,3 |
| Среднее значение | 1,7605 | 1,7370 | 3,0572 | 3,1011 | 3,0194 | X | X | 28,27 | 8,0 |
| σ | 0,0425 | 0,0484 | X | X | X | X | X | X | X |
| σ 2 | 0,0018 | 0,0023 | X | X | X | X | X | X | X |
Рассчитаем С иb:
Получим линейное уравнение:
.
Выполнив его потенцирование, получим:
Подставляя в данное уравнение фактические значения х,
получаем теоретические значения результата. По ним рассчитаем показатели: тесноты связи - индекс корреляции и среднюю ошибку аппроксимации 
Характеристики степенной модели указывают, что она несколько лучше линейной функции описывает взаимосвязь.
1в . Построению уравнения показательной кривой
предшествует процедура линеаризации переменных при логарифмировании обеих частей уравнения:
Для расчетов используем данные таблицы.
| Y | x | Yx | Y 2 | x 2 | A i | ||||
| 1 | 1,8376 | 45,1 | 82,8758 | 3,3768 | 2034,01 | 60,7 | 8,1 | 65,61 | 11,8 |
| 2 | 1,7868 | 59,0 | 105,4212 | 3,1927 | 3481,00 | 56,4 | 4,8 | 23,04 | 7,8 |
| 3 | 1,7774 | 57,2 | 101,6673 | 3,1592 | 3271,84 | 56,9 | 3,0 | 9,00 | 5,0 |
| 4 | 1,7536 | 61,8 | 108,3725 | 3,0751 | 3819,24 | 55,5 | 1,2 | 1,44 | 2,1 |
| 5 | 1,7404 | 58,8 | 102,3355 | 3,0290 | 3457,44 | 56,4 | -1,4 | 1,96 | 2,5 |
| 6 | 1,7348 | 47,2 | 81,8826 | 3,0095 | 2227,84 | 60,0 | -5,7 | 32,49 | 10,5 |
| 7 | 1,6928 | 55,2 | 93,4426 | 2,8656 | 3047,04 | 57,5 | -8,2 | 67,24 | 16,6 |
| Итого | 12,3234 | 384,3 | 675,9974 | 21,7078 | 21338,41 | 403,4 | -1,8 | 200,78 | 56,3 |
| Ср. зн. | 1,7605 | 54,9 | 96,5711 | 3,1011 | 3048,34 | X | X | 28,68 | 8,0 |
| σ | 0,0425 | 5,86 | X | X | X | X | X | X | X |
| σ 2 | 0,0018 | 34,339 | X | X | X | X | X | X | X |
Значения параметров регрессии A и В
составили:
Получено линейное уравнение: 
.
Произведем потенцирование полученного уравнения и запишем его в обычной форме:
Тесноту связи оценим через индекс корреляции :
