Гетероскедастичность, способы выявления и устранения

Если остатки модели имеют постоянную дисперсию, они называются гомоскедастичными, но если они непостоянны, то гетероскедастичными.

Если условие гомоскедастичности не выполняется, то надо использовать взвешенный метод наименьших квадратов или ряд других методов, которые освещаются в более продвинутых курсах статистики и эконометрики, или преобразовывать данные.

Например, нас интересуют факторы, влияющие на выпуск продукции на предприятиях определенной отрасли. Мы собрали данные о величине фактического выпуска, численности работников и стоимости основных фондов (основного капитала) предприятий. Предприятия различаются по величине и мы вправе ожидать, что для тех из них, объем выпускаемой продукции в которых выше, термин ошибки в рамках постулируемой модели будет так же в среднем больше, чем для малых предприятий. Следовательно, вариация ошибки не будет одинаковой для всех предприятий, она, скорее всего, будет возрастающей функцией от размера предприятия. В такой модели оценки не будут эффективными. Обычные процедуры построения доверительных интервалов, проверки гипотез для этих коэффициентов не будут надежными. Поэтому важно знать приемы определения гетероскедастичности.

Влияние гетероскедастичности на оценку интервала прогнозирования и проверку гипотезы заключается в том, что хотя коэффициенты не смещены, дисперсии и, следовательно, стандартные ошибки этих коэффициентов будут смещены. Если смещение отрицательно, то стандартные ошибки оценки будут меньше, чем они должны быть, а критерий проверки будет больше, чем в реальности. Таким образом, мы можем сделать вывод, что коэффициент значим, когда он таковым не является. И наоборот, если смещение положительно, то стандартные ошибки оценки будут больше, чем они должны быть, а критерии проверки – меньше. Значит, мы можем принять нулевую гипотезу о значимости коэффициента регрессии, в то время как она должна быть отклонена.

Обсудим формальную процедуру определения гетероскедастичности, когда условие постоянства дисперсии нарушено.

Предположим, что регрессионная модель связывает зависимую переменную и с k незавввисимыми переменными в наборе из n наблюдений. Пусть - набор коэффициентов, полученных МНК и теоретическое значение переменной есть , остатки модели: . Нуль-гипотеза состоит в том. что остатки имеют одинаковую дисперсию. Альтернативная гипотеза состоит в том, что их дисперсия зависит от ожидаемых значений: . Для проверки гипотезы проводим оценку линейной регрессии. в которой зависимая переменная есть квадрат ошибки, то есть , а независимая переменная – теоретическое значение . Пусть - коэффициент детерминации в этой вспомогательной дисперсии. Тогда для заданного уровня значимости a нуль-гипотеза отклоняется, если больше чем , где есть критическое значение СВ с уровнем значимости a и одной степенью свободы.

В случае, если мы подтвердим гипотезу о том, что дисперсия ошибки регрессии не является постоянной величиной, то метод наименьших квадратов не приводит к наилучшей подгонке. Могут быть использованы различные способы подгонки, выбор альтернатив зависит от того, как дисперсия ошибки ведет себя с другими переменными. Чтобы решить проблему гетероскедастичности, нужно исследовать взаимосвязь между значением ошибки и переменными и трансформировать регрессионную модель так, чтобы она отражала эту взаимосвязь. Это может быть достигнуто посредством регрессии значений ошибок по различным формам функций переменной, которая приводит к гетероскедастичности.

Одна из возможностей устранения гетероскедастичности состоит в следующем. Предположим, что вероятность ошибки прямо пропорциональна квадрату ожидаемого значения зависимой переменной при заданных значениях независимой, так что

В этом случае можно использовать простую двухшаговую процедуру оценки параметров модели. На первом шаге модель оценивается при помощи МНК обычным способом и формируется набор значений . На втором шаге оценивается регрессионное уравнение следующего вида:

, где - ошибка дисперсии, которая будет постоянной. Это уравнение будет представлять регрессионную модель, к которой зависимая переменная - , а независимые - . Затем коэффициенты оцениваются МНК.

Появление гетероскедастичности часто вызывается тем, что оценивается линейная регрессия, в то время как необходимо оценивать лог-линейную регрессию. Если обнаружена гетероскедастичность, то можно попытаться переоценить модель в логарифмической форме, особенно если содержательный аспект модели не противоречит этому. Особенно важно использование логарифмической формы, когда ощущается влияние наблюдений с большими значениями. Этот подход весьма полезен, в случае если изучаемые данные – временные ряды таких экономических переменных, как потребление, доходы, деньги, которые имеют тенденцию к экспоненциональному распределению во времени.

Рассмотрим другой подход, например, , где X_i – независимая переменная (или какая-либо функция независимой переменной), которая предположительно является причиной гетероскедастичности, а Н отражает степень взаимосвязи между ошибками и данной переменной, например, Х² или Х^1/n и т.д. Следовательно, дисперсия коэффициентов запишется: . Отсюда, если H=1, то мы трансформируем регрессионную модель к виду: . Если Н=2, то есть дисперсия увеличивается в пропорции к квадрату рассматриваемой переменой Х, трансформация приобретает вид: .

Разберем пример с проверкой гетероскедастичности в модели, построенной по данным примера из параграфа 3.2. Для визуального контроля гетероскедастичности построим график остатков и предсказанных значений .

Рис.8. График распределения остатков модели, построенной по данным примера

На первый взгляд график не обнаруживает наличия зависимости между значениями остатков модели и . Для более точной проверки рассчитаем регрессию, в которой остатки модели, возведенные в квадрат, - зависимая переменная, а - независимая: . Значение стандартной ошибки оценки равно 0,00408, =0,027, отсюда =25×0,027=0,625. Табличное значение =2,71. Таким образом, нуль-гипотеза, о том, что ошибка регрессионного уравнения имеет постоянную дисперсию, не отклоняется на 10% уровне значимости.