Анализ гетероскедастичности

В соответствии с третьей предпосылкой метода наименьших квадратов требуется, чтобы дисперсия остатков была гомоскедастичной. Это значит, что для каждого значения фактора х_i остатки имеют одинаковую дисперсию. Если это условие применения МНК не соблюдается, то имеет место гетероскедастичность (рис. 1).

Гомоскедастичность остатков означает, что дисперсия остатков e_i одинакова для каждого значения х.

Гетероскедастичность будет сказываться на уменьшении эффективности оценок b_i. В частности, становится затруднительным использование формулы стандартной ошибки коэффициента регрессии , предполагающей единую дисперсию остатков для любых значений фактора.

Рассмотрим тесты, которые позволяют провести анализ модели на гомоскедастичность.

При малом объеме выборки, что наиболее характерно для эконометрических исследований, для оценки гетероскедастичности может использоваться метод Гольдфельда-Квандта, разработанный в 1965 г. Гольдфельд и Квандт рассмотрели однофакторную линейную модель, для которой дисперсия остатков возрастает пропорционально квадрату фактора. Для того чтобы оценить нарушение гомоскедастичности, они предложили параметрический тест, который включает в себя следующие шаги:

1. Упорядочение п наблюдений по мере возрастания переменной х.

2. Исключение из рассмотрения С центральных наблюдений; при этом (п - С)/2 > р, где р - число оцениваемых параметров.

Из экспериментальных расчетов, проведенных авторами метода для случая одного фактора, рекомендовано при п = 30 принимать С = 8, а при п = 60 – соответственно С = 16.

3. Разделение совокупности из (п - С) наблюдений на две группы (соответственно с малыми и большими значениями фактора х) и определение по каждой из групп уравнений регрессии.

4. Определение остаточной суммы квадратов для первой (S₁) и второй (S₂) групп и нахождение их отношения: R = S₁/S₂, где
S₁ > S₂.

При выполнении нулевой гипотезы о гомоскедастичности отношение R будет удовлетворять F-критерию с (п-С-2р)/2 степенями свободы для каждой остаточной суммы квадратов. Чем больше величина R превышает табличное значение F-критерия, тем более нарушена предпосылка о равенстве дисперсий остаточных величин.

Критерий Гольдфельда-Квандта используется и при проверке остатков множественной регрессии на гетероскедастичность.

Наличие гетероскедастичности в остатках регрессии можно проверить и с помощью ранговой корреляции Спирмэна. Суть проверки заключается в том, что в случае гетероскедастичности абсолютные остатки e_i коррелированы со значениями фактора х_i. Эту корреляцию можно измерять с помощью коэффициента ранговой корреляции Спирмэна:

, (25)

где d - абсолютная разность между рангами значений х_i и |e_i|.

Статистическую значимость r можно оценить с помощью
t-критерия:

. (26)

Сравнив эту величину с табличной величиной при a = 0,05 и числе степеней свободы (п - m). Принято считать, что если t_r > t_a, то корреляция между e_i и х_i статистически значима, т. е. имеет место гетероскедастичность остатков. В противном случае принимается гипотеза об отсутствии гeтероскедастичности остатков.

Рассмотренные критерии не дают количественной оценки зависимости дисперсии ошибок регрессии от соответствующих значений факторов, включенных в регрессию. Они позволяют лишь определить наличие или отсутствие гетероскедастичности остатков. Поэтому если гетероскедастичность остатков установлена, можно количественно оценить зависимость дисперсии ошибок регрессии от значений факторов. С этой целью могут быть использованы тесты Уайта, Парка, Глейзера и др.

Тест Уайтапредполагает, что дисперсия ошибок регрессии представляет собой квадратичную функцию от значений факторов, т.е. при наличии одного фактора e² = а+ bx + cx² + u, или при наличии факторов:

e² = a + b₁x₁ + b₁₁ + b₂x₂ + b₂₂ + b₁₂x₁x₂ + … + b_px_p + b_pp +
+ b_1px₁x_p + b_2px₂x_p + … + u.

Так что модель включает в себя не только значения факторов, но и их квадраты, а также попарные произведения. Поскольку каждый параметр модели = f(х_i) должен быть рассчитан на основе достаточного числа степеней свободы, то чем меньше объем исследуемой совокупности, тем в меньшей мере квадратичная функция сможет содержать попарные произведения факторов. Например, если регрессия строится по 30 наблюдениям как y_i = a + b₁x + e_i, то последующая квадратичная функция для остатков может быть представлена лишь как

e² = а + b₁x + b₁₁х² + u,

поскольку на каждый параметр при х должно приходиться не менее 6-7 наблюдений. В настоящее время тест Уайта включен в стандартную программу регрессионного анализа в пакете Econometric Views. О наличии или отсутствии гетероскедастичности остатков судят по величине F-критерия Фишера для квадратичной функции регрессии остатков. Если фактическое значение F-критерия выше табличного, то, следовательно, существует четкая корреляционная связь дисперсии ошибок от значений факторов, включенных в регрессию, и имеет место гетероскедастичность остатков. В противном случае (F_факт < F_табл) делается вывод об отсутствии гeтероскедастичности остатков регрессии.

Тест Парка также относится к формализованным тестам гетероскедастичности. Предполагается, что дисперсия остатков связана со значениями факторов функций ln e² = а + b ln х + и. Данная регрессия строится для каждого фактора в условиях многофакторной модели. Проверяется значимость коэффициента регрессии b по t-критерию Стьюдента. Если коэффициент регрессии для уравнения lne² окажется статистически значимым, то, следовательно, существует зависимость lne² от lnх, т.е. имеет место гетероскедастичность остатков.

Если тесты Уайта и Парка предназначены для оценки гетероскедастичности для квадрата остатков e², то тест Глейзера основывается на регрессии абсолютных значений остатков |e|, т.е. рассматривается функция |e_i| = а + b + и_i. Регрессия |e_i| от х_i строится при разных значениях параметра с, и далее отбирается та функция, для которой коэффициент регрессии b оказывается наиболее значимым, т.е. имеет место наибольшее значение t-критерия Стьюдента или F-критерия Фишера и R².

При обнаружении гетероскедастичности остатков регрессии ставится цель ее устранения, чему служит применение обобщенного метода наименьших квадратов (см. ниже).