计量经济学(庞浩)第二章--简单线性回归模型

1第二章简单线性回归模型计量经济学引子:中国旅游业总收入将超过3000亿美元吗？未来我国旅游需求将快速增长，根据中国政府所制定的远景目标，到2020年，中国入境旅游人数将达到2.1亿人次；国际旅游外汇收入580亿美元，国内旅游收入2500亿美元。到2020年，中国旅游业总收入将超过3000亿美元，相当于国内生产总值的8%至11%。（来源：《2008年中国旅行社发展研究咨询报告》）（参考现状：第一产业占GDP的15%，建筑业占GDP的7%）●什么决定性因素能使中国旅游业总收入超过3000亿美元?●旅游业的发展与这种决定性因素的数量关系究竟是什么？●怎样具体测定旅游业发展与这种决定性因素的数量关系?2需要研究经济变量之间数量关系的方法为了不使问题复杂化,我们先在某些标准的(古典的)假定条件下，用最简单的模型，对最简单的变量间数量关系加以讨论显然，对旅游起决定性影响作用的是“中国居民的收入水平”以及“入境旅游人数”等因素。“旅游业总收入”（Y）与“居民平均收入”（X1）或者“入境旅游人数”（X2）有怎样的数量关系呢？能否用某种线性或非线性关系式Y=f(X)去表现这种数量关系呢?具体该怎样去表现和计量呢?4第一节回归分析与回归函数一、相关分析与回归分析（对统计学的回顾）1、经济变量之间的相互关系性质上可能有三种情况:◆确定性的函数关系Y=f(X)可用数学方法计算◆不确定的统计关系—相关关系Y=f（X）+ε(ε为随机变量)可用统计方法分析◆没有关系不用分析◆相关关系的描述最直观的描述方式——坐标图（散布图、散点图））50510152025303505101505101520250246810120510152025024681012函数关系相关关系(线性)没有关系1010.210.410.610.81111.20246810相关关系(非线性)2、相关关系66相关关系的类型●从涉及的变量数量看简单相关多重相关（复相关）●从变量相关关系的表现形式看线性相关——散布图接近一条直线非线性相关——散布图接近一条曲线●从变量相关关系变化的方向看正相关——变量同方向变化，同增同减负相关——变量反方向变化，一增一减不相关73、相关程度的度量—相关系数如果和总体的全部数据都已知，和的方差和协方差也已知，则X和Y的总体线性相关系数：其中：-----X的方差-----Y的方差-----X和Y的协方差特点：●总体相关系数只反映总体两个变量和的线性相关程度●对于特定的总体来说，和的数值是既定的，总体相关系数是客观存在的特定数值。●总体的两个变量和的全部数值通常不可能直接观测，所以总体相关系数一般是未知的。(,)()()CovXYVarXVarY(,)CovXY()VarX()VarYXXXXYYYYYX8如果只知道X和Y的样本观测值，则X和Y的样本线性相关系数为：其中：和分别是变量X和Y的样本观测值，和分别是变量X和Y样本值的平均值注意:是随抽样而变动的随机变量。iY__X__Y________22()()()()iiXYiiXXYYrXXYYiXXYrX和Y的样本线性相关系数：相关系数较为简单,也可以在一定程度上测定变量间的数量关系,但是对于具体研究变量间的数量规律性还有局限性。●X和Y都是相互对称的随机变量，●线性相关系数只反映变量间的线性相关程度，不能说明非线性相关关系●样本相关系数是总体相关系数的样本估计值，由于抽样波动，样本相关系数是随抽样而变动的随机变量，其统计显著性还有待检验9XYYXrr对相关系数的正确理解和使用104、回归分析回归的古典意义：高尔顿遗传学的回归概念(父母身高与子女身高的关系)子女的身高有向人的平均身高回归的趋势回归的现代意义：一个被解释变量对若干个解释变量依存关系的研究回归的目的（实质）：由解释变量去估计被解释变量的平均值11●被解释变量Y的条件分布和条件概率：当解释变量X取某固定值时（条件），Y的值不确定，Y的不同取值会形成一定的分布，这是Y的条件分布。X取某固定值时，Y取不同值的概率称为条件概率。●被解释变量Y的条件期望：对于X的每一个取值，对Y所形成的分布确定其期望或均值，称为Y的条件期望或条件均值，用表示。注意:Y的条件期望是随X的变动而变动的iX)(iXYE)(iXYEYX明确几个概念（为深刻理解“回归”）12●回归线：对于每一个X的取值，都有Y的条件期望与之对应，代表Y的条件期望的点的轨迹形成的直线或曲线称为回归线。●回归函数：被解释变量Y的条件期望随解释变量X的变化而有规律的变化，如果把Y的条件期望表现为X的某种函数，这个函数称为回归函数。回归函数分为：总体回归函数和样本回归函数iXXYiX()iEYX()iEYX()iEYXE()()iiYXfX13每月家庭可支配收入X2000250030003500400045005000550060006500131215301631184320372277246929243515352113401619172619742210238828893338372139541400171317862006232525263090365038654108每1548175018352265241926813156380240264345月1688181418852367252228873300408741654812家173819851943248526653050332142984380庭180020412037251527993189365443124580消19022186207826892887335338424413费220021792713291335344074支231222982898303837104165出2316292331673834Y238730533310249831873510268932861591191520922586275430393396385340364148()iEYX举例:假如已知由100个家庭构成的总体的数据(单位:元)二、总体回归函数（PRF）14消费支出的条件期望与收入关系的图形对于本例的总体，家庭消费支出的条件期望与家庭收入基本是线性关系,可以把家庭消费支出的条件均值表示为家庭收入的线性函数：iiXXYE)()(iXYE)(iXYEiXiX151.总体回归函数的概念前提：假如已知所研究的经济现象的总体的被解释变量Y和解释变量X的每个观测值（通常这是不可能的！），那么，可以计算出总体被解释变量Y的条件期望，并将其表现为解释变量X的某种函数这个函数称为总体回归函数（PRF）本质:总体回归函数实际上表现的是特定总体中被解释变量随解释变量的变动而变动的某种规律性。计量经济学的根本目的是要探寻变量间数量关系的规律,也就要努力去寻求总体回归函数。)()(iiXfXYE)(iXYE16iuiXXY)(iXYEiY●条件期望表现形式例如Y的条件期望是解释变量X的线性函数，可表示为：●个别值表现形式（随机设定形式）对于一定的，Y的各个别值并不一定等于条件期望，而是分布在的周围，若令各个与条件期望的偏差为，显然是个随机变量则有iYiYiX)(iXYE12()()iiiiEYXfXX)(iXYE)(iXYEiuiuiiiiiiXYXYEYu21)(12iiiYXu2.总体回归函数的表现形式PRF●作为总体运行的客观规律，总体回归函数是客观存在的，但在实际的经济研究中总体回归函数通常是未知的，只能根据经济理论和实践经验去设定。计量经济学研究中“计量”的根本目的就是要寻求总体回归函数。●我们所设定的计量模型实际就是在设定总体回归函数的具体形式。●总体回归函数中Y与X的关系可以是线性的，也可以是非线性的。173.如何理解总体回归函数18计量经济学中,线性回归模型的“线性”有两种解释：◆就变量而言是线性的——Y的条件期望（均值）是X的线性函数◆就参数而言是线性的——Y的条件期望（均值）是参数β的线性函数例如：对变量、参数均为“线性”对参数“线性”，对变量”非线性”对变量“线性”，对参数”非线性”注意：在计量经济学中，线性回归模型主要指就参数而言是“线性”的,因为只要对参数而言是线性的,都可以用类似的方法去估计其参数，都可以归于线性回归。iiiXXYE21)(12()lniiiEYXXiiiXXYE21)(“线性”的判断◆概念在总体回归函数中，各个的值与其条件期望的偏差有很重要的意义。若只有的影响，与不应有偏差。若偏差存在，说明还有其他影响因素。实际代表了排除在模型以外的所有因素对Y的影响。◆性质是其期望为0有一定分布的随机变量重要性：随机扰动项的性质决定着计量经济分析结果的性质和计量经济方法的选择19iuiuiY)(iiXYEiuiXXY()iEYXiYiuiY)(iiXYEXiu三、随机扰动项●是未知影响因素的代表(理论的模糊性)●是无法取得数据的已知影响因素的代表(数据欠缺)●是众多细小影响因素的综合代表(非系统性影响)●模型可能存在设定误差(变量、函数形式的设定）●模型中变量可能存在观测误差(变量数据不符合实际)●变量可能有内在随机性(人类经济行为的内在随机性)20iu引入随机扰动项的原因样本回归线：对于X的一定值，取得Y的样本观测值，可计算其条件均值，样本观测值条件均值的轨迹，称为样本回归线。样本回归函数：如果把被解释变量Y的样本条件均值表示为解释变量X的某种函数，这个函数称为样本回归函数（SRF）21XYiYˆiYˆiXSRF四、样本回归函数（SRF）22样本回归函数如果为线性函数，可表示为其中：是与相对应的Y的样本条件均值和分别是样本回归函数的参数个别值（实际值）形式：被解释变量Y的实际观测值不完全等于样本条件均值，二者之差用表示，称为剩余项或残差项：则或12ˆˆˆiiYXiYˆ1ˆ2ˆiYieˆiiieYY12ˆˆiiiYXeiXie样本回归函数的函数形式iYˆ条件均值形式：●样本回归线随抽样波动而变化:每次抽样都能获得一个样本，就可以拟合一条样本回归线，（SRF不唯一)●样本回归函数的函数形式应与设定的总体回归函数的函数形式一致。●样本回归线只是样本条件均值的轨迹，还不是总体回归线，它至多只是未知的总体回归线的近似表现。23样本回归函数的特点SRF1SRF2YXAX24iYYiYˆiY()iiEYXieiuiXPRFSRF样本回归函数与总体回归函数的关系如果能够通过某种方式获得和的数值，显然:●和是对总体回归函数参数和的估计●是对总体条件期望的估计●在概念上类似总体回归函数中的，可视为对的估计。25对比：总体回归函数样本回归函数1ˆ2ˆˆiYieiuiu12()iiEYX1ˆ2ˆ12()iiiEYXX12iiiYXu12ˆˆˆiiYX12ˆˆiiiYXe对样本回归的理解26目的：计量经济分析的目标是寻求总体回归函数。即用样本回归函数SRF去估计总体回归函数PRF。由于样本对总体总是存在代表性误差，SRF总会过高或过低估计PRF。要解决的问题：寻求一种规则和方法，使其得到的SRF的参数和尽可能“接近”总体回归函数中的参数和的真实值。这样的“规则和方法”有多种，如矩估计、极大似然估计、最小二乘估计等。其中最常用的是最小二乘法。1121ˆ2ˆ回归分析的目的用样本去估计总体回归函数，总要使用特定的方法，而任何估计参数的方法都需要有一定的前提条件——假定条件一、简单线性回归的基本假定为什么要作基本假定？●只有具备一定的假定条件，所作出的估计才具有良好的统计性质。●模型中有随机扰动项，估计的参数是随机变量，显然参数估计值的分布与扰动项的分布有关，只有对随机扰动的分布作出假定，才能比较方便地确定所估计参数的分布性质，也才可能进行假设检验和区间估计等统计推断。假定分为：◆对模型和变量的假定◆对随机扰动项的假定27第二节简单线性回归模型的最小二乘