Временные ряды. Обнаружение автокорреляции остатков

Автокорреляция остатков может возникать по нескольким причинам:

Во-первых, иногда автокорреляция связана с исходными данными и наличием ошибок измерения в значениях Y.

Во-вторых, иногда причину автокорреляции остатков следует искать в формулировке модели. В модель может быть не включен фактор, оказывающий существенное воздействие на результат, но влияние у которого отражается в остатках, вследствие чего последние могут оказаться автокоррелированными. Зачастую этим фактором является фактор времени t.

Иногда, в качестве существенных факторов могут выступать лаговые значения переменных , включенных в модель. Либо в модели не учтено несколько второстепенных факторов, совместное влияние которых на результат существенно ввиду совпадения тенденций их изменения или циклических колебаний.

Автокорреляция бывает явной и неявной.

Явная наблюдается в случае, когда известна точная зависимость между уровнями шоковой переменной, полученными в различные моменты времени.

Неявная – когда такая зависимость является стохастической:

Зависимость такого вида достаточно часто встречается при анализе временных рядов и носит название модели авторегрессии первого порядка AP (1).

К последствиям наличия в модели автокорреляции относятся:

а) увеличение дисперсий оценок параметров модели;

б) смещение оценок, полученных по МНК;

в) снижение значимости оценок параметров.

Если ρ >0, то автокорреляция будет положительной, а если ρ < 0 – отрицательной.

Наиболее популярным критерием диагностики эконометрической модели на наличие автокорреляции является тест Дарбина-Уотсона.

Кроме точечной проверки наличия автокорреляции шоковой переменной на практике проверяют статистические гипотезы следующих видов:

Критерии проверки гипотез 1) и 2) основаны на специальных таблицах Дарбина-Уотсона, в которых по уровню надежности содержаться доверительные границы статистики .

Однако, существуют особые ограничения при использовании теста Дарбина-Уотсона.

1) Модель должна содержать свободный член ;

2) Модель не должна содержать лаговых переменных.

В других учебниках существует деление автокорреляции на чистую и ложную .

Чистая вызывается зависимостью случайного члена от прошлых значений. Она, в свою очередь, делится на автокорреляцию первого порядка, второго порядка и высших порядков.

Ложная автокорреляция вызывается неправильной спецификацией модели.

Причинами чистой автокорреляции могут быть:

1. Инерция. Трансформация и изменение многих экономических показателей обладает инерционностью.

2. Эффект паутины. Многие экономические показатели реагируют на изменение экономических условий с временным лагом (запаздыванием).

3. Сглаживание данных. Усреднение данных по некоторому продолжительному интервалу времени.

Последствия автокорреляции:

1. Истинная автокорреляция не приводит к смещению оценок регрессии, но оценки перестают быть эффективными.

2. Автокорреляция (особенно положительная) часто приводит к уменьшению стандартных ошибок коэффициентов, что влечет за собой увеличение t -статистик.

3. Оценка дисперсии остатков S e 2 является смещенной оценкой истинного значения σ e 2 , во многих случаях занижая его.

4. В силу вышесказанного выводы по оценке качества коэффициентов и модели в целом, возможно, будут неверными. Это приводит к ухудшению прогнозных качеств модели.

Автокорреляция – это корреляционная зависимость между текущими значениями некоторой переменной и значениями этой же переменной, сдвинутыми на несколько периодов времени назад. Автокорреляция случайной составляющей e модели – это корреляционная зависимость текущих и предыдущих значений случайной составляющей модели. Величина l называется запаздыванием , сдвигом во времени или лагом .

Автокорреляция случайных возмущений модели нарушает одну из предпосылок регрессионного анализа: условие

не выполняется.

Автокорреляция может быть вызвана несколькими причинами, имеющими различную природу. Во-первых, иногда она связана с исходными данными и вызвана наличием ошибок измерения в значениях результирующей переменной. Во-вторых, в ряде случаев причину автокорреляции следует искать в формулировке модели. Модель может не включать фактор, оказывающий существенное воздействие на результат, влияние которого отражается на возмущениях, вследствие чего последние могут оказаться автокоррелированными. Очень часто этим фактором является фактор времени t : автокорреляция обычно встречается при анализе временных рядов.

Постоянная направленность воздействия не включенных в модель переменных является наиболее частой причиной так называемой положительной автокорреляции .

Иллюстрацией положительной автокорреляции может служить следующий пример.

Пример 5.2. Пусть исследуется спрос Y на прохладительные напитки в зависимости от дохода X по ежемесячным и сезонным наблюдениям. Зависимость, отражающая увеличение спроса с ростом дохода, может быть представлена линейной функцией регрессии y = ax + b , изображенной вместе с результатами наблюдений на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Положительная автокорреляция

На величину спроса Y оказывают влияние не только доход X (учтенный фактор), но и другие факторы, которые не учтены в модели. Одним из таких факторов является время года.

Положительная автокорреляция означает постоянное в одном направлении действие неучтенных факторов на результирующую переменную. Так спрос на прохладительные напитки всегда выше линии регрессии летом (т.е. для летних наблюдений e > 0) и ниже зимой (т.е. для зимних наблюдений e < 0) (рис. 5.2). g

Аналогичная картина может иметь место в макроэкономическом анализе с учетом циклов деловой активности.

Отрицательная автокорреляция означает разнонаправленное действие неучтенных в модели факторов на результат: за положительными значениями случайной составляющей e в одних наблюдениях следуют, как правило, отрицательные в следующих, и наоборот. Графически это выражается в том, что результаты наблюдений y i «слишком часто» «перескакивают» через график уравнения регрессии. Возможная схема рассеяния наблюдений в этом случае представлена на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Отрицательная автокорреляция

Последствия автокорреляции в определенной степени сходны с последствиями гетероскедастичности. Среди них при применении МНК обычно выделяют следующие.

1. МНК-оценки параметров, оставаясь несмещенными и линейными, перестают быть эффективными. Следовательно, они перестают обладать свойствами наилучших линейных несмещенных оценок.

2. Стандартные ошибки коэффициентов регрессии будут рассчитываться со смещением. Часто они являются заниженными, что влечет за собой увеличение t -статистик. Это может привести к признанию статистически значимыми объясняющих переменных, которые в действительности таковыми не являются. Смещенность возникает вследствие того, что выборочная остаточная дисперсия (m – число объясняющих переменных модели), которая используется при вычислении указанных величин (см. формулы (2.18) и (2.19)), является смещенной. Во многих случаях она занижает истинное значение дисперсии возмущений s 2 .

Вследствие вышесказанного все выводы, получаемые на основе соответствующих t - и F - статистик, а также интервальные оценки будут ненадежными. Следовательно, статистические выводы, получаемые при проверке качества оценок (параметров модели и самой модели в целом), могут быть ошибочными и приводить к неверным заключениям по построенной модели.

Автокорреляция в остатках обычно встречается при регрессионном анализе временных рядов, и почти не встречается при анализе пространственных выборок. Чаще встречается положительная автокорреляция. Она в большинстве случаев вызывается направленным постоянным воздействием некоторых неучтенных в модели факторов. При положительной автокорреляции остатки изменяются монотонно с течением времени наблюдения, а при отрицательной - следует частое изменение знака остатка.

Среди основных причин автокорреляции можно выделить следующие:

а) ошибки спецификации - неучет в модели какой-то важной объясняющей переменной или неверный выбор вида функции, что ведет к систематическим отклонениям точек наблюдения от линии регрессии,

б) инерция - запаздывание реакции экономической системы на изменение факторов,

в) сглаживание данных.

Последствия автокорреляции в остатках такие же, как и в случае гетероскедастичности (потеря эффективности, смещение дисперсий оценок параметров, занижение стандартных ошибок и завышение t -статистик параметров), а это может повлечь признание незначимых факторов значимыми. Вследствие перечисленных обстоятельств, прогнозные качества модели ухудшаются.

При анализе временных рядов вместо индекса i часто будем использовать время t , а вместо числа наблюдений n будем писать - продолжительность интервала наблюдения временного ряда.

Мы будем рассматривать автокорреляцию первого порядка, так как в большинстве практических случаев автокорреляционная функция быстро убывает.

Коэффициент автокорреляции 1-го порядка в остатках:

Если этот коэффициент корреляции существенно отличен от 0, то можно говорить о наличии автокорреляции.

Обнаружение автокорреляции в остатках

1. Графический метод - при использовании этого метода строится график: ε t есть функция от ε t - 1 . Если в графике прослеживается отчетливая положительная или отрицательная тенденция, то, скорее всего, имеет место соответствующая автокорреляция в остатках.

2. Метод рядов

В моменты времени определяются знаки отклонений, например:

- для 20-ти наблюдений.

Рядом называют непрерывную последовательность одинаковых знаков (ряд ограничен скобками, в примере приведено 5 рядов). Количество знаков называют длиной ряда. Если рядов мало по сравнению с числом наблюдений, то вполне вероятна положительная автокорреляция, если рядов много, - то отрицательная.

Для более детального анализа используется следующая процедура:

Пусть - число знаков «+»,

Число знаков «-»,

Количество рядов.

При достаточном количестве наблюдений и при отсутствии автокорреляции в остатках случайная величина имеет асимптотически нормальное распределение со следующими параметрами:

Тогда, если k лежит внутри интервала

то гипотеза об отсутствии автокорреляции не отклоняется; если лежит левее данного интервала, то есть положительная автокорреляция, а если правее - то отрицательная автокорреляция. Здесь γ - уровень значимости гипотезы об отсутствии автокорреляции. Для небольших и существует таблица Сведа-Эйзенхарта, в которой по значениям и находятся и .

Если k 1 < k < k 2 , то автокорреляция отсутствует, если k < k 1 - есть положительная автокорреляция, если k > k 2 - есть отрицательная автокорреляция.

учитывая, что и , получим:

Процедура обнаружения автокорреляции по критерию DW такова:

1. Вычисляется критерий DW , для чего должна быть выполнена регрессия y на x и определены остатки. Затем выдвигается гипотеза об отсутствии автокорреляции в остатках.

2. По таблице критических значений теста Дарбина-Уотсона для назначенного уровня значимости γ , числа наблюдений n и числа факторов p определяются верхняя du и нижняя dl критические точки

3. Строятся области: I-от 0 до dl ; II-от dl до du; III-от du до 4-du ; IV- от 4-ul до 4-dl и V-от 4-dl до 4.

Это поясняется табл. 9.1.

таблица 9.1

При использовании критерия следует учитывать следующие ограничения:

а) он применим лишь для модели с ненулевым свободным членом,

в) временной ряд должен иметь одинаковую периодичность, то есть не должно быть пропусков наблюдений,

Поясним это:

где - коэффициент авторегрессии, - количество наблюдений, - дисперсия коэффициента c 1 в уравнении авторегрессии y t = a + bx t + c 1 y t - 1 +…+ ε t , c 1 - коэффициент при в упомянутом уравнении.

Как использовать h- статистику?

Для назначенного уровня значимости γ выдвигают гипотезу об отсутствии автокорреляции в остатках, т.е. полагают, что в модели AR(1) остатков и статистика h имеет стандартное нормальное распределение: .

По таблице функции Лапласа определяют критическую точку такую, что . Если , то отклоняется. В противном случае не отклоняется и автокорреляция не признается.

Методы устранения автокорреляции

1. Обобщенный МНК (ОМНК)

Рассмотрим исходную модель в моменты времени t и t -1:

Есть случайная величина, так как и - случайные величины,

Так как и .

Остаток не коррелирует ни с одним регрессором, следовательно, можно применить классический МНК. Оценка параметра b вычисляется непосредственно, а оценка параметра a вычисляется так: .

ОМНК может применяться для данных, начиная с момента , т.е. первое наблюдение теряется; его можно восстановить для и , используя поправку Прайса-Уинстена:

Если наше предположение о том, что остатки описанные - моделью первого порядка соответствуют действительности, то можно показать, что .

Автокорреляция остатков обычно встречается в регрессионном анализе при использовании данных временных рядов. Поэтому в дальнейших выкладках вместо символа i используется символ t, отражающий момент наблюдения, объем выборки при этом будем обозначать символом T. В экономических задачах значительно чаще встречается так называемая положительная автокорреляция (), нежели отрицательная автокорреляция ().

В большинстве случаев положительная автокорреляция вызывается направленным постоянным воздействием некоторых неучтенных в модели факторов.

Среди основных причин, вызывающих появление автокорреляции, можно выделить ошибки спецификации, инерцию в изменении экономических показателей, эффект паутины, сглаживание данных.

Последствия автокорреляции в определенной степени сходны с последствиями гетероскедастичности. Среди них при применении МНК обычно выделяют следующие:

1. Оценки параметров, оставаясь линейными и несмещенными, перестают быть эффективными. Следовательно, они перестают обладать свойствами наилучших линейных несмещенных оценок (BLUE-оценок).

2. Дисперсии оценок являются смещенными. Часто дисперсии, вычисляемые по стандартным формулам, являются заниженными, что влечет за собой увеличение -статистик. Это может привести к признанию статистически значимыми объясняющие переменные, которые в действительности таковыми могут и не являться.

3. Оценка дисперсии регрессии является смещенной оценкой истинного значения , во многих случаях занижая его.

4. В силу вышесказанного выводы по - и -статистикам, определяющим значимость коэффициентов регрессии и коэффициента детерминации, возможно, будут неверными. Вследствие этого ухудшаются прогнозные качества модели.

В силу неизвестности значений параметров уравнения регрессии неизвестными будут также и истинные значения отклонений . Поэтому выводы об их независимости осуществляются на основе оценок , полученных из эмпирического уравнения регрессии. Рассмотрим возможные методы определения автокорреляции.

1) Графический метод.

Существует несколько вариантов графического определения автокорреляции. Один из них, увязывающий отклонения с моментами их получения (их порядковыми номерами ), приведен на рис. 5.5. Это так называемые последовательно-временные графики. В этом случае по оси абсцисс обычно откладываются либо время (момент) получения статистических данных, либо порядковый номер наблюдения, а по оси ординат – отклонения (либо оценки отклонений ).

Рис. 5. 5

Естественно предположить, что на рис. 5.5, а-г имеются определенные связи между отклонениями, т.е. автокорреляция имеет место. Отсутствие зависимости на рис. 5.5,д скорее всего свидетельствует об отсутствии автокорреляции.

Например, на рис. 5.5,б отклонения вначале в основном отрицательные, затем положительные, потом снова отрицательные. Это свидетельствует о наличии между отклонениями определенной зависимости. Более того, можно утверждать, что в этом случае имеет место положительная автокорреляция остатков. Она становится весьма наглядной, если график 5.5,б дополнить графиком зависимости от (рис. 5.6).

Рис. 5. 6

Подавляющее большинство точек на этом графике расположено в I и III четвертях декартовой системы координат, подтверждая положительную зависимость между соседними отклонениями.

Следует заметить, что в современных компьютерных прикладных программах для решения задач по эконометрике аналитическое выражение регрессии дополняется графическим представлением результатов. На график реальных колебаний зависимой переменной накладывается график колебаний переменной по уравнению регрессии. Сопоставив эти два графика, можно выдвинуть гипотезу о наличии автокорреляции остатков. Если эти графики пересекаются редко, то можно предположить наличие положительной автокорреляции остатков.

2) метод рядов.

Этот метод достаточно прост: последовательно определяются знаки отклонений . Например,

(-----)(+++++++)(---)(++++)(-),

т.е. 5 «-», 7 «+», 3 «-», 4 «+», 1 «-» при 20 наблюдениях.

Ряд определяется как непрерывная последовательность одинаковых знаков. Количество знаков в ряду называется длиной ряда .

Визуальное распределение знаков свидетельствует о неслучайном характере связей между отклонениями. Если рядов слишком мало по сравнению с количеством наблюдений , то вполне вероятна положительная автокорреляция. Если же рядов слишком мало, то вероятна отрицательная автокорреляция. Для более детального анализа предлагается следующая процедура. Пусть

– объем выборки;

– общее количество знаков «+» при наблюдениях (количество положительных отклонений );

– общее количество знаков «-» при наблюдениях (количество положительных отклонений );

– количество рядов.

При достаточно большом количестве наблюдений () и отсутствии автокорреляции СВ имеет асимптотически нормальное распределение с

Тогда, если , то гипотеза об отсутствии автокорреляции не отклоняется.

Для небольшого числа наблюдений () Свед и Эйзенхарт разработали таблицы критических значений количества рядов при наблюдениях. Суть таблиц в следующем.

На пересечении строки и столбца определяются нижнее и верхнее значения при уровне значимости .

При установлении автокорреляции необходимо в первую очередь

проанализировать правильность спецификации модели.Если после ряда

усовершенсвований регрессии автокорреляция по-прежнему имеет место, то возможны определенные преобразования, устраняющие автокорреляцию. Среди них выделяется авторегрессионная схема первого порядка AR(1).

Контрольные вопросы:

1. В чем суть гетероскедастичности?

2. Приведите аргументы в пользу графического теста, теста Парка и теста Глейзера.

3. Приведите схему теста Голдфельда-Квандта.

4. В чем суть метода взвешенных наименьших квадратов (ВНК)?

5. Что такое автокорреляция?

6. Назовите основные причины автокорреляции.

7. Перечислите основные методы обнаружения автокорреляции.

8. Каковы последствия автокорреляции?

Рассматривая последовательность остатков как временной ряд, можно построить график их зависимости от времени. В соответствии с предпосылками МНК остатки должны быть случайными. Однако при моделировании временных рядов нередко встречается ситуация, когда остатки содержат тенденцию или циклические колебания. Это свидетельствует о том, что каждое следующее значение остатков зависит от предшествующих. В этом случае говорят об автокорреляции остатков.

Автокорреляция в остатках может быть вызвана несколькими причинами, имеющими различную природу.

• 1. Она может быть связана с исходными данными и вызвана наличием ошибок измерения в значениях результативного признака.
• 2. В ряде случаев автокорреляция может быть следствием неправильной спецификации модели. Модель может не включать фактор, который оказывает существенное воздействие на результат и влияние которого отражается в остатках, вследствие чего последние могут оказаться автокоррелированными.

Существуют два наиболее распространенных метода определения автокорреляции остатков:

• 1) построение графика зависимости остатков от времени и визуальное определение наличия или отсутствия автокорреляции.
• 2) использование критерия Дарбина -- Уотсона и расчет величины:

Таким образом, d есть отношение суммы квадратов разностей последовательных значений остатков к остаточной сумме квадратов по модели регрессии.

Алгоритм выявления автокорреляции остатков на основе критерия Дарбина -- Уотсона следующий. Выдвигается гипотеза Н0 об отсутствии автокорреляции остатков. Альтернативные гипотезы Н1 и Н1* состоят, соответственно, в наличии положительной или отрицательной автокорреляции в остатках.

Далее по специальным таблицам определяются критические значения критерия Дарбина -- Уотсона dL и dU для заданного числа наблюдений n, числа независимых переменных модели k и уровня значимости б . По этим значениям числовой промежуток разбивают на пять отрезков. Принятие или отклонение каждой из гипотез с вероятностью осуществляется следующим образом:

есть положительная автокорреляция. Принимается гипотеза H1 с вероятностью (1- б ).

зона неопределенности.

автокорреляция остатков нет.

зона неопределенности.

есть отрицательная автокорреляция. Принимается гипотеза H1* с вероятностью (1-б).

Если фактическое значение критерия Дарбина -- Уотсона попадает в зону неопределенности, то на практике предполагают существование автокорреляции остатков и отклоняют гипотезу Hо.

Есть несколько существенных ограничений на применение критерия Дарбина -- Уотсона:

• 1. Он неприменим к моделям, включающим в качестве независимых переменных лаговые значения результативного признака, т.е. к моделям авторегрессии.
• 2. Методика расчета и использования критерия Дарбина-Уотсона направлена только на выявление автокорреляции остатков первого порядка.
• 3. Критерий Дарбина-Уотсона дает достоверные результаты только для больших выборок.