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09_模型设定与数据问题

时间：2024-05-03 22:14:11浏览次数：25  
标签：设定 变量 模型 09 检验 print sm test import

第9章 模型设定与数据问题

如果模型设定不当，会带来设定误差（specification error）

  • [[#9.1 遗漏变量|9.1 遗漏变量]]
  • [[#9.2 无关变量|9.2 无关变量]]
  • [[#9.3 建模策略：“由小到大”还是“由大到小”？|9.3 建模策略：“由小到大”还是“由大到小”？]]
  • [[#9.4 解释变量个数的选择|9.4 解释变量个数的选择]]
  • [[#9.5 对函数形式的检验|9.5 对函数形式的检验]]
    另外，数据本事也可能存在问题:
  • [[#9.6 多重共线性|9.6 多重共线性]]
  • [[#9.7 极端数据|9.7 极端数据]]
  • [[#9.8 虚拟变量|9.8 虚拟变量]]
  • [[#9.9 经济结构变动的检验|9.9 经济结构变动的检验]]
  • [[#9.10 缺失数据与线性插值|9.10 缺失数据与线性插值]]
  • [[#9.11 变量单位的选择|9.11 变量单位的选择]]

9.1 遗漏变量

由于某些数据难以获取，遗漏变量现象几乎难以避免。遗漏变量是否一定导致不一致的估计？

  1. 遗漏变量\(x_2\)与解释变量\(x_1\)不相关：OLS可一致估计，但扰动项方差增大
  2. 遗漏变量\(x_2\)与解释变量\(x_1\)相关：OLS估计不一致

解决遗漏变量的方法：

  1. 加入尽可能多的控制变量
  2. 随机实验与自然实验
  3. 工具变量法
  4. 面板数据

9.2 无关变量

与遗漏变量相反，加入了与被解释变量无关的变量。

  • OLS仍然一致
  • 估计量的方差会增大

9.3 建模策略

“由小到大”还是“由大到小”？

  • 折中，凭感觉来。

9.4 解释变量个数的选择

好的经济理论应该能用简洁的模型很好的描述复杂的经济现实。但解释力（增大拟合优度）和简洁性（parismony）是两个矛盾的目标，需要如下方法进行权衡：

校正可决系数

选择K，使 \(\overline R^2\) 最小

赤池信息准则

（AIC，Akaike Information Criterion）

  • 选择解释变量的个数，使目标函数最小$$\min_{K}AIC\equiv\ln(\frac{SSR}{n}+\frac{2}{n}K)$$

贝叶斯信息准则

（BIC，Bayesian Information Criterion）/施瓦茨信息准则（SIC）

  • 选择解释变量的个数K，使目标函数最小$$\min_{K}BIC\equiv\ln(\frac{SSR}{n}+\frac{\ln n}{n}K)$$

由大到小的序贯t规则

常用于时间序列模型

  • 指定一个最大滞后期\(P_{max}\)，
  • 令\(\hat P \equiv P_{max}\)，进行估计，对最后一阶系数做t检验。如接受系数为0，则
    • 同时还可以观察AIC和BIC的变化
  • 令\(\hat P \equiv P_{max}-1\)，进行估计，对最后一阶系数做t检验。如显著，则停止，
    • 否则依次类推。

9.5 对函数形式的检验

很多经济关系是非线性的。如果存在非线性项，但遗漏了，是模型设定误差（specification error）的一种形式。可使用如下检验方法：

Ramsey's RESET检验

Regression Equation Specification Error Test
基本思想：如怀疑非线性项被遗漏，则加入非线性项，并检验其系数是否显著。

  • 既可以接受被解释变量X高次项
  • 也可以接受解释变量y的高次项

Python实现

![[statsmodel_docs#函数形式检验（RESET检验）]]

提供一个一次性检测被解释变量、解释变量和所有解释变量的2次项的函数：

import pandas as pd
import statsmodels.api as sm

def reset(dataset, X_cols, y_col):
    """
    对拟合值、全体解释变量、不同的解释变量进行RESET检测.
    并显示可识别检测对象的判断结果
    """
    X = dataset[X_cols]
    y = dataset[y_col]
    X = sm.add_constant(X)
    Results_y = sm.OLS(y, X).fit()
    reset_y = sm.stats.diagnostic.linear_reset(Results,
                                               power=[2,3,4],
                                               use_f=True)
    reset_X = sm.stats.diagnostic.linear_reset(Results, 
                                               test_type='exog',
                                               power=[2,3,4],
                                               use_f=True)
    reset_prin = sm.stats.diagnostic.linear_reset(Results,
							                      test_type='princomp',
                                                  power=[2,3,4],
                                                  use_f=True)
    print("被解释变量的RESET检测结果:",reset_y)
    print("全体解释变量的RESET检测结果:",reset_X)
    print('解释变量主成分的RESET检测结果:',reset_prin)

    x2_list = []
    for i in X_cols:
        i2 = i+'2'
        dataset[i2] = dataset[i]**2
        X = dataset[X_cols+[i2]]
        # print(X_cols+[i2])
        Results_new = sm.OLS(y, sm.add_constant(X)).fit()
        print(Results_new.params[i2])
        reset_new = sm.stats.diagnostic.linear_reset(Results_new,
                                                     test_type='princomp',
                                                     power=[2,3,4],
                                                     use_f=True)
        print(f'加入{i}的2次项的RESET检测结果:',reset_new.pvalue)
        if reset_new.pvalue < 0.05 and Results_new.params[i2] > 0.05:
            x2_list.append(i2)
    print(f'加入2次项后,可考虑引入{x2_list}:')

代码: [[Chapter_09.ipynb]]

9.6 多重共线性

定义

定义 严格多重共线性

某解释变量可由其他解释变量线性表出。数据矩阵X不满秩，\(X'X\)不可逆。

定义 多重共线性

将第k个解释变量对其余解释变量进行回归，可决系数 \(R^2\) 较高

  • OLS仍是BLUE
  • 表现：
    • 回归方程 \(R^2\) 较大，F检验也很显著，但是对单个系数的t检验却不显著
    • 增减解释变量使得系数估计值发生较大变化

检验方法

定义 方差膨胀因子（VIF，Variance Inflation Factor）

\[VIF_k \equiv \frac{1}{1-R^2} \]

可以证明$$Var(\hat\beta_k|X)=\frac{1}{1-R2}·\frac{\sigma2}{S_k}=VIF_k\frac{\sigma^2}{S_k}$$

  • \(\sigma^2\equiv Var(\epsilon)\) 扰动项方差
  • \(S_k \equiv \sum_{i=1}^n(x_{ik}-\overline x_k)^2\) 为\(x_k\)的离差平方和
title:经验
$VIF_k$ 越大，说明$x_k$ 的多重共线性越严重。在判断是否存在多重共线性的一个经验规则是：
- $\{VIF_1,\cdots,VIF_k \}$ 的最大值不应超过10

处理方法

  1. 如果不关系具体的回归系数，只关心整个方程预测能力
    • 不必理会多重共线性，因为方程是显著的
  2. 如果关系具体的回归系数，但多重共线性不影响所关心的那个变量
    • 不必理会
  3. 如果多重共线性影响到所关心变量的显著性，则应设法处理
    1. 增大样本容量
    2. 剔出导致严重共线性的变量
    3. 将变量标准化：减去均值，除以标准差
    4. 修改模型设定

解释变量之间存在相关性是普遍存在的，在一定程度上也是允许的。最常见的处理方法是“无为而治”。

python实现

![[statsmodel_docs#statsmodels.stats.outliers_influence.variance_inflation_factor]]

因为python只提供了一次计算一个变量的vif值，不便于观察，特写如下函数。

import pandas as pd
import statsmodels.api as sm
from statsmodels.stats.outliers_influence import variance_inflation_factor

def vif(exog, criterion=5):
    '''vif df格式输出
    计算解释变量的方差膨胀因子和容忍度,其中解释变量不含有常数项
    返回：
        解释变量vif值、容忍度的dataframe
    Arguments:
        exog -- 解释变量:dataframe
        criterion -- 方差膨胀因子阈值,默认5
    '''
    multicol = pd.DataFrame()
    multicol['变量'] = exog.columns
    multicol['方差膨胀因子'] = [variance_inflation_factor(exog.values, i) for i in range(exog.shape[1])]
    multicol['容忍度'] = 1/multicol['方差膨胀因子']
    _ = []
    for i in multicol['方差膨胀因子']:
        if i > criterion:
            _.append('**是**')
        else:
            _.append('否')    
    multicol['是否多重共线'] = _
    return multicol

案例 [[Chapter_09.ipynb]]

9.7 极端数据

定义

定义 极端值、离群值、高影响力数据

如果样本中有少数观测值离大多数观测值很远，可能对OLS的回归系数产生很大影响。

处理方法

  • 检查数据是否正确录入
  • 看极端值的背景，必要时直接删除
  • 同时报告含或不含极端值的回归结果

9.8 虚拟变量

定义 虚拟变量

取值为0或1的变量

  • 用于定性数据
  • 或分类数据

例子：

  • 性别：$$D =
    \begin{cases}
    1, \ 男\
    0, \ 女
    \end{cases}$$
  • 五大洲：则需要4个虚拟变量

\[\begin{array}{rcl} D_1 = \begin{cases} 1, \ 亚洲\\ 0, \ 其他 \end{cases} ,\quad D_2 = \begin{cases} 1, \ 美洲\\ 0, \ 其他 \end{cases} ,\quad D_3 = \begin{cases} 1, \ 欧洲\\ 0, \ 其他 \end{cases} ,\quad D_4 = \begin{cases} 1, \ 非洲\\ 0, \ 其他 \end{cases} \end{array}\]

- 当$D_1=D_2=D_3=D_4=0$， 则为大洋洲

定义 虚拟变量陷阱

在有常数项的模型中，如果定性指标有M类，最多只能放入（M-1）个虚拟变量。

引入虚拟变量相当于在不同时期给予不同的截距项
引入虚拟变量和交互项相当于在不同时期给予不同的截距项和斜率

9.9 经济结构变动的检验

对于时间序列，模型系数的稳定性很重要。如果存在结构变动，但没考虑，也是一种模型设定误差。

邹检验 和 虚拟变量法 结果一致，虚拟变量法：

  • 方便
  • 可在存在异方差和自相关的情况下使用，只要在估计时，使用HAC标准误即可。
  • 还可提供截距项和斜率变动的信息

1. 邹检验

（1）画图

import pandas as pd
import statsmodels.api as sm
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt

# Load the data
consump = pd.read_stata('../2_Data/Data-2e/consumption.dta')
## 画图
sns.set_theme(style="darkgrid")
sns.lineplot(x='year', y='y', data=consump,marker='^',markers=True)
sns.lineplot(x='year', y='c', data=consump,color='r',marker='o',markers=True)
plt.axvline(x=1992, color='g', linestyle='-')
breakpoint = consump[consump['year']==1992].index[0] 

for i in consump.columns:
    print(consump[i].astype('float64')**2)

![[9-9-1邹检验-画图.png]]

（2）检验

import pandas as pd
import statsmodels.api as sm
import seaborn as sns
import scipy.stats as stats

def chow_test(dataset, X_cols, y_col, breakpoint):
    '''chow_test 对某个回归进行邹志庄检验.
    原假设：分段与总体的回归系数一致，不存在结构变化
    Arguments:
        dataset -- dataframe,变量数据
        X_cols -- list,自变量列名
        y_col -- str,因变量列名
        breakpoint -- float,用于指定分界点.
    Returns:
        F -- float,邹志庄检验的F值.
        p_value -- float,邹志庄检验的p值.
        result -- str,邹志庄检验的结果.
    '''
    dataset1 =  dataset[:breakpoint]
    dataset2 =  dataset[breakpoint:]
    ssr_list = []
    model_res = []
    for d in [dataset, dataset1, dataset2]:
        X = d[X_cols].astype('float64')
        y = d[y_col].astype('float64')
        X = sm.add_constant(X)
        model = sm.OLS(y, X)
        results = model.fit()
        ssr_list.append(results.ssr)
        model_res.append(results)
    n = dataset.shape[0]
    k = len(X_cols) + 1 # 加入常数项的自由度
    F = ((n-2*k)/k)*((ssr_list[0]-ssr_list[1]-ssr_list[2])/(ssr_list[1]+ssr_list[2]))
    p_value = 1 - stats.f.cdf(F, k, n-2*k)
    if p_value < 0.05:
        result = '拒绝原假设，存在结构变化'
    else:
        result = '接受原假设，不存在结构变化'
    return F,p_value,result

2.引入虚拟变量

（1）F检验进行联合显著性检验

在使用f_test()时，需要将原假设设置正确，否则自由度会出现偏差，导致计算结果出错。

import numpy as np
# (4) rain 和 coast 联合显著性
hypotheses = '(d = 0), (yd = 0)'
f_test = results.f_test(hypotheses)
f_test.summary()

if f_test.pvalue < 0.05:
    print("因p值为{:.4f}小于显著性水平,拒绝原假设".format(f_test.pvalue))
else:
    print("因p值为{:.4f}大于显著性水平,不能拒绝原假设".format(f_test.pvalue))
print(f_test.summary())

此结果需要在同方差和自相关的情况下成立，因此还要使用：

  • 异方差：White检验
  • 自相关：BG检验

（2）异方差检验：white检验

from statsmodels.stats.diagnostic import het_white

result_white = het_white(resid=results.resid, exog=X)
result_white

拒绝原假设：存在异方差

（3）自相关检验：BG检验

from statsmodels.stats.diagnostic import acorr_breusch_godfrey

lag = 1  # 假设我们检验1阶自相关
bg_result = acorr_breusch_godfrey(results, nlags=lag)
print("BG检验的LM统计量:{:.4f}".format(bg_result[0]))
print("BG检验的LM统计量P值:{:.4f}".format(bg_result[1]))
if bg_result[1]<0.05:
    print("拒绝原假设,模型存在自相关.")
else:
    print("接受原假设，模型不存在自相关.")

BG检验的LM统计量:21.4828
BG检验的LM统计量P值:0.0000
拒绝原假设,模型存在自相关.

（4）NW法

OLS+异方差自相关稳健的标准误（HAC）

nw_cov_type = 'HAC'
p = int((len(consp)** 0.25 // 1) + 1)
nw_kwargs = {'maxlags': p,'use_correction':True}
nw_res = results.get_robustcov_results(cov_type=nw_cov_type, use_t=True, **nw_kwargs)
print(nw_res.summary())

（5）对新回归进行联合显著性检验

hypotheses = '(d = 0), (yd = 0)'
f_test = nw_res.f_test(hypotheses)

if f_test.pvalue < 0.05:
    print("因p值为{:.4f}小于显著性水平,拒绝原假设".format(f_test.pvalue))
else:
    print("因p值为{:.4f}大于显著性水平,不能拒绝原假设".format(f_test.pvalue))
print(f_test.summary())

因p值为0.0000小于显著性水平,拒绝原假设
F test: F=73.05469132974434, p=1.17872061607885e-12, df_denom=32, df_num=2

9.10 缺失数据与线性插值

中间缺的数据，用两边的直接算平均值替代。

9.11 变量单位的选择

多个变量的单位，应该尽可能的避免变量间数量级差别过大。
直接取对数。

习题

标签：设定,变量,模型,09,检验,print,sm,test,import
From： https://www.cnblogs.com/watalo/p/18166951

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