Модель одновременных уравнений
Модели одновременных уравнений — это тип статистической модели , в которой зависимые переменные являются функциями других зависимых переменных, а не только независимых переменных. [1] Это означает, что некоторые объясняющие переменные определяются совместно с зависимой переменной, которая в экономике обычно является следствием некоторого основного механизма равновесия . Возьмем типичную модель спроса и предложения : хотя обычно объемы предложения и спроса определяются как функция цены, установленной рынком, возможно и обратное, когда производители наблюдают за количеством, которое требуют потребители , и затем установите цену. [2]
Одновременность создает проблемы для оценки интересующих статистических параметров, поскольку нарушается предположение Гаусса-Маркова о строгой экзогенности регрессоров. И хотя было бы естественно оценить все одновременные уравнения одновременно, это часто приводит к вычислительно затратной задаче нелинейной оптимизации даже для самой простой системы линейных уравнений . [3] Эта ситуация побудила к разработке, возглавляемой Комиссией Коулза в 1940-х и 1950-х годах, [4] различных методов, которые последовательно оценивают каждое уравнение в модели, в первую очередь ограниченное максимальное правдоподобие информации и двухэтапный метод наименьших квадратов . [5]
Структурная и уменьшенная форма
[ редактировать ]Предположим, что имеется m уравнений регрессии вида
где i — номер уравнения, а t = 1,..., T — индекс наблюдения. В этих уравнениях x это — k i × вектор экзогенных переменных 1, y — зависимая переменная, y −i,t — вектор n i × 1 всех других эндогенных переменных, которые входят в i й уравнение в правой части, и u это члены ошибки. Обозначение « -i » указывает, что вектор y -i,t может содержать любой из y , кроме y it (поскольку он уже присутствует в левой части). Коэффициенты регрессии β i и γ i имеют размерность k i × 1 и n i × 1 соответственно. Вертикальное суммирование T наблюдений, соответствующих i й уравнение, мы можем записать каждое уравнение в векторной форме как
где y i и u i — векторы T× 1, X i — T×ki , матрица экзогенных регрессоров а Y −i — матрица эндогенных регрессоров T×n i в правой части i й уравнение. Наконец, мы можем переместить все эндогенные переменные в левую часть и записать m уравнений совместно в векторной форме как
Это представление известно как структурная форма . В этом уравнении Y = [ y 1 y 2 ... y m ] — T×m матрица зависимых переменных . Каждая из матриц Y −i фактически является подматрицей со столбцами n i в этой Y . Матрица Γ размера m×m , описывающая связь между зависимыми переменными, имеет сложную структуру. На диагонали у него есть единицы, а все остальные элементы каждого столбца i являются либо компонентами вектора −γ i , либо нулями, в зависимости от того, какие столбцы Y вошли в матрицу Y −i . Матрица T×k X содержит все экзогенные регрессоры из всех уравнений, но без повторений (т. е. матрица X должна иметь полный ранг). Таким образом, каждая X i является k i со столбцами подматрицей X . Матрица В имеет размер k×m , и каждый ее столбец состоит из компонент векторов β i и нулей в зависимости от того, какой из регрессоров из X был включен или исключен из X i . Наконец, U = [ u 1 u 2 ... um . ] представляет собой T×m матрицу ошибок размером
После умножения структурного уравнения на Γ −1 , систему можно записать в сокращенном виде как
Это уже простая общая линейная модель , и ее можно оценить, например, с помощью обычного метода наименьших квадратов . К сожалению, задача декомпозиции оценочной матрицы на отдельные факторы B и Γ −1 довольно сложен, и поэтому сокращенная форма больше подходит для прогнозирования, а не для вывода.
Предположения
[ редактировать ]Во-первых, ранг матрицы X экзогенных регрессоров должен быть равен k как в конечных выборках, так и в пределе при T → ∞ (это последнее требование означает, что в пределе выражение должна сходиться к невырожденной k×k- матрице). Матрица Γ также предполагается невырожденной.
Во-вторых, предполагается, что члены ошибок последовательно независимы и одинаково распределены . То есть, если т й строка матрицы U обозначается u ( t ) , то последовательность векторов { u ( t ) } должна быть iid, с нулевым средним значением и некоторой ковариационной матрицей Σ (которая неизвестна). В частности, отсюда следует, что E[ U ] = 0 и E[ U′U ] = T Σ .
Наконец, для идентификации необходимы предположения.
Идентификация
[ редактировать ]Условия идентификации требуют, чтобы система линейных уравнений была разрешима относительно неизвестных параметров.
Более конкретно, условие порядка , необходимое условие идентификации, заключается в том, что для каждого уравнения k i + n i ≤ k , которое можно сформулировать как «количество исключенных экзогенных переменных больше или равно количеству включенных эндогенных переменных» .
Условие ранга необходимое и достаточное, состоит в том, что ранг Π i , более сильное условие , 0 равен n i , где Π i 0 представляет собой матрицу ( k − k i )× n i , которая получается из Π вычеркиванием тех столбцы, соответствующие исключенным эндогенным переменным, и те строки, которые соответствуют включенным экзогенным переменным.
Использование ограничений перекрестных уравнений для достижения идентификации
[ редактировать ]В моделях одновременных уравнений наиболее распространенным методом достижения идентификации является введение ограничений на параметры внутри уравнения. [6] Тем не менее, идентификация также возможна с использованием ограничений перекрестных уравнений.
Чтобы проиллюстрировать, как ограничения перекрестных уравнений могут использоваться для идентификации, рассмотрим следующий пример из Вулдриджа. [6]
где z не коррелируют с u, а y являются эндогенными переменными. Без дополнительных ограничений первое уравнение не идентифицируется, поскольку не существует исключенной экзогенной переменной. Второе уравнение идентифицируется только в том случае, если δ 13 ≠0 , что считается верным до конца обсуждения.
Теперь мы налагаем ограничение перекрестного уравнения δ 12 = δ 22 . Поскольку второе уравнение идентифицировано, мы можем считать δ 12 известным с целью идентификации. Тогда первое уравнение принимает вид:
Затем мы можем использовать ( z 1 , z 2 , z 3 ) в качестве инструментов для оценки коэффициентов в приведенном выше уравнении, поскольку есть одна эндогенная переменная ( y 2 ) и одна исключенная экзогенная переменная ( z 2 в правой части ). Следовательно, ограничения перекрестных уравнений вместо ограничений внутри уравнений могут обеспечить идентификацию.
Оценка
[ редактировать ]Двухэтапный метод наименьших квадратов (2SLS)
[ редактировать ]Самым простым и распространенным методом оценки модели одновременных уравнений является так называемый двухэтапный метод наименьших квадратов. [7] разработан независимо Тейлом (1953) и Басманом (1957) . [8] [9] [10] Это метод «уравнение за уравнением», при котором эндогенные регрессоры в правой части каждого уравнения дополняются регрессорами X из всех других уравнений. Метод называется «двухэтапным», поскольку он проводит оценку в два этапа: [7]
- Шаг 1. Регрессируйте Y −i по X и получите прогнозируемые значения. ;
- Шаг 2. Оцените γi обычной , βi . с помощью наименьших квадратов регрессии yi методу по и Х я .
Если я й уравнение в модели записывается как
где Z i - матрица T× ( n i + k i ) как эндогенных, так и экзогенных регрессоров в i й уравнением, а δ i представляет собой ( n i + k i )-мерный вектор коэффициентов регрессии, то 2SLS-оценщик δ i будет иметь вид [7]
где P знак равно Икс ( Икс ′ Икс ) −1 X ′ — матрица проекции на линейное пространство, натянутое на экзогенные регрессоры X .
Косвенные наименьшие квадраты
[ редактировать ]Косвенный метод наименьших квадратов — это подход в эконометрике , при котором коэффициенты в модели одновременных уравнений оцениваются из сокращенной формы модели с использованием обычного метода наименьших квадратов . [11] [12] Для этого структурную систему уравнений сначала преобразуют в приведенную форму. После оценки коэффициентов модель возвращается в структурную форму.
Максимальная вероятность ограниченной информации (LIML)
[ редактировать ]Метод максимального правдоподобия «ограниченной информации» был предложен М. А. Гиршиком в 1947 г. [13] и формализовано Т.В. Андерсоном и Х. Рубином в 1949 г. [14] Он используется, когда кто-то заинтересован в оценке одного структурного уравнения за раз (отсюда и название ограниченной информации), скажем, для наблюдения i:
Структурные уравнения для остальных эндогенных переменных Y −i не уточняются и приводятся в сокращенном виде:
Обозначения в этом контексте отличаются от обозначений для простого случая IV . У одного есть:
- : Эндогенная переменная(и).
- : Экзогенная переменная(и)
- : Инструмент(ы) (часто обозначаемый )
Явная формула для LIML: [15]
где M знак равно я - Икс ( Икс ′ Икс ) −1 X ′ , а λ — наименьший характеристический корень матрицы:
где аналогичным образом M i = I − X i ( X i ′ X i ) −1 X я ′ .
Другими словами, λ — наименьшее решение обобщенной проблемы собственных значений , см. Theil (1971 , стр. 503):
Оценщики класса К
[ редактировать ]LIML — это частный случай оценщиков K-класса: [16]
с:
К этому классу принадлежат несколько оценок:
- к=0: МНК
- κ=1:2СЛС. Обратите внимание, что в этом случае обычная проекционная матрица 2SLS
- k=λ: LIML
- κ=λ - α/(nK): Фуллера (1977) . оценка [17] Здесь K представляет количество инструментов, n — размер выборки, а α — положительную константу, которую необходимо указать. Значение α=1 даст оценку, которая будет приблизительно несмещенной. [16]
Трехэтапный метод наименьших квадратов (3SLS)
[ редактировать ]Трехэтапная оценка методом наименьших квадратов была предложена Зеллнером и Тейлом (1962) . [18] [19] Его можно рассматривать как частный случай GMM с несколькими уравнениями , когда набор инструментальных переменных является общим для всех уравнений. [20] Если все регрессоры на самом деле предопределены, то 3SLS сводится к, казалось бы, несвязанным регрессиям (SUR). Таким образом, его также можно рассматривать как комбинацию двухэтапного метода наименьших квадратов (2SLS) с SUR.
Приложения в социальных науках
[ редактировать ]В разных областях и дисциплинах модели одновременных уравнений применяются к различным наблюдательным явлениям. Эти уравнения применяются, когда предполагается, что явления взаимно причинны. Классический пример – спрос и предложение в экономике . В других дисциплинах есть примеры, такие как оценка кандидатов и идентификация партий. [21] или общественное мнение и социальная политика в политической науке ; [22] [23] дорожные инвестиции и спрос на поездки в географии; [24] а также уровень образования и родительские права в области социологии или демографии . [25] Модель одновременного уравнения требует теории взаимной причинности, которая включает в себя специальные функции, если причинные эффекты должны оцениваться как одновременная обратная связь, а не односторонние «блоки» уравнения, где исследователя интересует причинное влияние X на Y. сохраняя при этом причинное влияние Y на X постоянным или когда исследователь знает точное количество времени, необходимое для проявления каждого причинного эффекта, т. е. продолжительность причинных лагов. Вместо запаздывающих эффектов одновременная обратная связь означает оценку одновременного и постоянного воздействия X и Y друг на друга. Для этого необходима теория, согласно которой причинные эффекты одновременны во времени или настолько сложны, что кажутся действующими одновременно; Типичным примером являются настроения соседей по комнате. [26] Для оценки моделей одновременной обратной связи также необходима теория равновесия – что X и Y находятся в относительно устойчивых состояниях или являются частью системы (общества, рынка, класса), которая находится в относительно стабильном состоянии. [27]
См. также
[ редактировать ]- Общая линейная модель
- На первый взгляд несвязанные регрессии
- Уменьшенная форма
- Проблема идентификации параметров
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Мартин, Вэнс; Херн, Стэн; Харрис, Дэвид (2013). Эконометрическое моделирование с использованием временных рядов . Издательство Кембриджского университета. п. 159. ИСБН 978-0-521-19660-4 .
- ^ Маддала, Г.С.; Лахири, Каджал (2009). Введение в эконометрику (Четвертое изд.). Уайли. стр. 355–357. ISBN 978-0-470-01512-4 .
- ^ Квандт, Ричард Э. (1983). «Вычислительные задачи и методы». В Грилихесе, З.; Интрилигатор, доктор медицинских наук (ред.). Справочник по эконометрике . Том. I. Северная Голландия. стр. 699–764. ISBN 0-444-86185-8 .
- ^ Христос, Карл Ф. (1994). «Вклад Комиссии Коулза в эконометрику в Чикаго, 1939–1955». Журнал экономической литературы . 32 (1): 30–59. JSTOR 2728422 .
- ^ Джонстон, Дж. (1971). «Методы одновременных уравнений: оценка». Эконометрические методы (Второе изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. стр. 376–423. ISBN 0-07-032679-7 .
- ^ Jump up to: а б Вулдридж, Дж. М., Эконометрический анализ перекрестных и панельных данных, MIT Press, Кембридж, Массачусетс.
- ^ Jump up to: а б с Грин, Уильям Х. (2002). Эконометрический анализ (5-е изд.). Прентис Холл. стр. 398–99. ISBN 0-13-066189-9 .
- ^ Тейл, Х. (1953). Оценка и одновременная корреляция в полных системах уравнений (Меморандум). Центральное плановое бюро. Перепечатано в книге Анри Тейля «Вклад в экономику и эконометрику» (Springer, 1992), дои : 10.1007/978-94-011-2546-8_6 .
- ^ Басманн, Р.Л. (1957). «Обобщенный классический метод линейного оценивания коэффициентов структурного уравнения». Эконометрика . 25 (1): 77–83. дои : 10.2307/1907743 . JSTOR 1907743 .
- ^ Тейл, Анри (1971). Принципы эконометрики . Нью-Йорк: Джон Уайли.
- ^ Парк, СБ. (1974) «О косвенной оценке системы одновременных уравнений методом наименьших квадратов», Канадский статистический журнал / La Revue Canadienne de Statistique , 2 (1), 75–82 JSTOR 3314964
- ^ Вайда, С.; Валко, П.; Годфри, КР (1987). «Прямые и косвенные методы наименьших квадратов в оценке параметров в непрерывном времени». Автоматика . 23 (6): 707–718. дои : 10.1016/0005-1098(87)90027-6 .
- ^ Первое заявление от Гиршик, Массачусетс; Хаавельмо, Трюгве (1947). «Статистический анализ спроса на продукты питания: примеры одновременной оценки структурных уравнений». Эконометрика . 15 (2): 79–110. дои : 10.2307/1907066 . JSTOR 1907066 .
- ^ Андерсон, ТВ; Рубин, Х. (1949). «Оценка параметров одного уравнения в полной системе стохастических уравнений» . Анналы математической статистики . 20 (1): 46–63. дои : 10.1214/aoms/1177730090 . JSTOR 2236803 .
- ^ Амемия, Такеши (1985). Продвинутая эконометрика . Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета. п. 235 . ISBN 0-674-00560-0 .
- ^ Jump up to: а б Дэвидсон, Рассел; Маккиннон, Джеймс Г. (1993). Оценка и вывод в эконометрике . Издательство Оксфордского университета. п. 649. ИСБН 0-19-506011-3 .
- ^ Фуллер, Уэйн (1977). «Некоторые свойства модификации оценщика ограниченной информации». Эконометрика . 45 (4): 939–953. дои : 10.2307/1912683 . JSTOR 1912683 .
- ^ Зеллнер, Арнольд ; Тейл, Анри (1962). «Трехэтапный метод наименьших квадратов: одновременная оценка одновременных уравнений». Эконометрика . 30 (1): 54–78. дои : 10.2307/1911287 . JSTOR 1911287 .
- ^ Кмента, Ян (1986). «Системные методы оценки» . Элементы эконометрики (второе изд.). Нью-Йорк: Макмиллан. стр. 695–701. ISBN 9780023650703 .
- ^ Хаяси, Фумио (2000). «GMM с несколькими уравнениями» . Эконометрика . Издательство Принстонского университета. стр. 276–279. ISBN 1400823838 .
- ^ Пейдж, Бенджамин И.; Джонс, Кэлвин К. (1 декабря 1979 г.). «Взаимное влияние политических предпочтений, партийной лояльности и голосования». Американский обзор политической науки . 73 (4): 1071–1089. дои : 10.2307/1953990 . ISSN 0003-0554 . JSTOR 1953990 . S2CID 144984371 .
- ^ Влезиен, Кристофер (1 января 1995 г.). «Общественность как термостат: динамика предпочтений в расходах». Американский журнал политической науки . 39 (4): 981–1000. дои : 10.2307/2111666 . JSTOR 2111666 .
- ^ Брезнау, Нейт (01 июля 2016 г.). «Положительная доходность и равновесие: одновременная обратная связь между общественным мнением и социальной политикой» . Журнал политических исследований . 45 (4): 583–612. дои : 10.1111/psj.12171 . ISSN 1541-0072 .
- ^ Се, Ф.; Левинсон, Д. (01 мая 2010 г.). «Как трамваи повлияли на пригородность: анализ причинно-следственных связей Грейнджера в землепользовании и транспорте в городах-побратимах». Журнал экономической географии . 10 (3): 453–470. дои : 10.1093/jeg/lbp031 . hdl : 11299/179996 . ISSN 1468-2702 .
- ^ Марини, Маргарет Муни (1 января 1984 г.). «Образовательный уровень женщин и сроки вступления в родительские права». Американский социологический обзор . 49 (4): 491–511. дои : 10.2307/2095464 . JSTOR 2095464 .
- ^ Вонг, Чи-Сум; Закон, Кеннет С. (1 января 1999 г.). «Тестирование взаимных отношений с помощью нерекурсивных моделей структурных уравнений с использованием данных поперечного сечения». Организационные методы исследования . 2 (1): 69–87. дои : 10.1177/109442819921005 . ISSN 1094-4281 . S2CID 122284566 .
- ^ 2013. «Динамика обратной стрелки: петли обратной связи и формирующее измерение». В «Моделировании структурными уравнениями: второй курс » под редакцией Грегори Р. Хэнкока и Ральфа О. Мюллера, 2-е изд., 41–79. Шарлотта, Северная Каролина: Издательство Information Age
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Астериу, Димитриос; Холл, Стивен Г. (2011). Прикладная эконометрика (второе изд.). Бейзингсток: Пэлгрейв Макмиллан. п. 395. ИСБН 978-0-230-27182-1 .
- Чоу, Грегори К. (1983). Эконометрика . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. стр. 117–121 . ISBN 0-07-010847-1 .
- Фомби, Томас Б.; Хилл, Р. Картер; Джонсон, Стэнли Р. (1984). «Модели одновременных уравнений». Передовые эконометрические методы . Нью-Йорк: Спрингер. стр. 437–552. ISBN 0-387-90908-7 .
- Маддала, GS ; Лахири, Каджал (2009). «Модели одновременных уравнений». Введение в эконометрику (Четвертое изд.). Нью-Йорк: Уайли. стр. 355–400. ISBN 978-0-470-01512-4 .
- Рууд, Пол А. (2000). «Совместные уравнения». Введение в классическую эконометрическую теорию . Издательство Оксфордского университета. стр. 697–746. ISBN 0-19-511164-8 .
- Сарган, Денис (1988). Лекции по углубленной эконометрической теории . Оксфорд: Бэзил Блэквелл. стр. 68–89. ISBN 0-631-14956-2 .
- Вулдридж, Джеффри М. (2013). «Модели одновременных уравнений». Вводная эконометрика (Пятое изд.). Юго-Западный. стр. 554–582. ISBN 978-1-111-53104-1 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- о проблеме идентификации в 2SLS и оценке на YouTube Лекция Марка Тома