多元线性回归模型
第三章 多元线性回归模型
即
Y Xb U
X 称为数据矩阵或设计矩阵。
6
二、古典假定
假定1：零均值假定 E(ui ) 0 (i 1,2,...,n)
1 E ( 1 ) E ( ) 2 2 E (μ) E 0 n E ( n )
写成矩阵形式：
Y1 1 X 21 Y 1 X 22 2 Yn 1 X 2 n X 31 X k 1 b 1 u1 X 32 X k 2 b 2 u 2 X 3 n X kn b k un
或
ei 1 X 21 X e 1 X 22 2i i X ki ei 1 X 2 n X 31 X k 1 e1 X 32 X k 2 e2 X e 0 X 3 n X kn en
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当总体观测值难于得到时，回归系数向 量 b 是未知的，这时可以由样本观测值进行 估计，可表示为
ˆ ˆ Xb Y
但实际观测值与计算值有偏差，记为：
ˆ e Y Y
于是
ˆ e Y Xb
称为多元样本回归函数。
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ˆ b 1 ˆ b2 ˆ b ˆ b k
同理
ˆ x x b ˆ x 2 x3 i yi b 2 2i 3i 3 3i
x2 i yi x x3 i yi x2 i x3 i ˆ b2 2 2 2 x2 x ( x x ) i 3i 2i 3i
2 3i
x3 i yi x x2 i yi x2 i x3 i ˆ b3 2 2 2 x2 x ( x x ) i 3i 2i 3i
多元线性回归模型
Cov( X ji , i ) 0
j 1,2, k
假设4，随机项满足正态分布
i ~ N (0, 2 )
上述假设的矩阵符号表示 式：
假设1，n(k+1)维矩阵X是非随机的，且X的秩=k+1，
即X满秩。
回忆线性代数中关于满秩、线性无关!
假设2，
E (μ)
E
1
E (1 )
0
n E( n )
X ki ) ) X 1i ) X 2i
Yi Yi X 1i Yi X 2i
(ˆ0 ˆ1 X 1i ˆ2 X 2i ˆk X ki ) X ki Yi X ki
解该（ k+1）个方程组成的线性代数方程组，即
可得到(k+1) 个待估参数的估计值
$ j
,
j
0,1,2, ,
k
。
□正规方程组的矩阵形式
en
二、多元线性回归模型的基本假定
假设1，解释变量是非随机的或固定的，且各X之间互不 相关（无多重共线性）。
假设2，随机误差项具有零均值、同方差及不序列相关 性。
E(i ) 0
i j i, j 1,2,, n
Var
(i
)
E
(
2 i
)
2
Cov(i , j ) E(i j ) 0
假设3，解释变量与随机项不相关
这里利用了假设: E(X’)=0
等于0，因为解释变 量与随机扰动项不相 关。
3、有效性（最小方差性）
ˆ 的方差-协方差矩阵为
Co（v ˆ） E{[ˆ E（ˆ）][ˆ E（ˆ）]}
E[(ˆ )(ˆ )]
E{（[ X X）-1X ]（[ X X）-1X ]}
多元线性回归的计算模型
多元线性回归的计算模型多元线性回归模型的数学表示可以表示为：Y=β0+β1X1+β2X2+...+βkXk+ε，其中Y表示因变量，Xi表示第i个自变量，βi表示第i个自变量的回归系数（即自变量对因变量的影响），ε表示误差项。
1.每个自变量与因变量之间是线性关系。
2.自变量之间相互独立，即不存在多重共线性。
3.误差项ε服从正态分布。
4.误差项ε具有同方差性，即方差相等。
5.误差项ε之间相互独立。
为了估计多元线性回归模型的回归系数，常常使用最小二乘法。
最小二乘法的目标是使得由回归方程预测的值与实际值之间的残差平方和最小化。
具体步骤如下：1.收集数据。
需要收集因变量和多个自变量的数据，并确保数据之间的正确对应关系。
2.建立模型。
根据实际问题和理论知识，确定多元线性回归模型的形式。
3.估计回归系数。
利用最小二乘法估计回归系数，使得预测值与实际值之间的残差平方和最小化。
4.假设检验。
对模型的回归系数进行假设检验，判断自变量对因变量是否显著。
5. 模型评价。
使用统计指标如决定系数（R2）、调整决定系数（adjusted R2）、标准误差（standard error）等对模型进行评价。
6.模型应用与预测。
通过多元线性回归模型，可以对新的自变量值进行预测，并进行决策和提出建议。
多元线性回归模型的计算可以利用统计软件进行，例如R、Python中的statsmodels库、scikit-learn库等。
这些软件包提供了多元线性回归模型的函数和方法，可以方便地进行模型的估计和评价。
在计算过程中，需要注意检验模型的假设前提是否满足，如果不满足可能会影响到模型的可靠性和解释性。
总而言之，多元线性回归模型是一种常用的预测模型，可以分析多个自变量对因变量的影响。
通过最小二乘法估计回归系数，并进行假设检验和模型评价，可以得到一个可靠的模型，并进行预测和决策。
计量经济学-多元线性回归模型
Y=β0+β1X1+β2X2+...+βkXk+ε，其中Y为因变 量，X1, X2,..., Xk为自变量，β0, β1,..., βk为回归 系数，ε为随机误差项。
多元线性回归模型的假设条件
包括线性关系假设、误差项独立同分布假设、无 多重共线性假设等。
研究目的与意义
研究目的
政策与其他因素的交互作用
多元线性回归模型可以引入交互项，分析政策与其他因素（如技 术进步、国际贸易等）的交互作用，更全面地评估政策效应。
实例分析：基于多元线性回归模型的实证分析
实例一
预测某国GDP增长率：收集该国历史数据，包括GDP、投资、消费、出口等变量，建立 多元线性回归模型进行预测，并根据预测结果提出政策建议。
最小二乘法原理
最小二乘法是一种数学优化技术，用 于找到最佳函数匹配数据。
残差是观测值与预测值之间的差，即 e=y−(β0+β1x1+⋯+βkxk)e = y (beta_0 + beta_1 x_1 + cdots + beta_k x_k)e=y−(β0+β1x1+⋯+βkxk)。
在多元线性回归中，最小二乘法的目 标是使残差平方和最小。
t检验
用于检验单个解释变量对被解释变量的影响 是否显著。
F检验
用于检验所有解释变量对被解释变量的联合 影响是否显著。
拟合优度检验
通过计算可决系数（R-squared）等指标， 评估模型对数据的拟合程度。
残差诊断
检查残差是否满足独立同分布等假设，以验 证模型的合理性。
04
多元线性回归模型的检验与 诊断
多元线性回归模型的估计与解释
多元线性回归模型的估计与解释多元线性回归是一种广泛应用于统计学和机器学习领域的预测模型。
与简单线性回归模型相比，多元线性回归模型允许我们将多个自变量引入到模型中，以更准确地解释因变量的变化。
一、多元线性回归模型的基本原理多元线性回归模型的基本原理是建立一个包含多个自变量的线性方程，通过对样本数据进行参数估计，求解出各个自变量的系数，从而得到一个可以预测因变量的模型。
其数学表达形式为：Y = β0 + β1X1 + β2X2 + ... + βnXn + ε其中，Y为因变量，X1、X2、...、Xn为自变量，β0、β1、β2、...、βn为模型的系数，ε为误差项。
二、多元线性回归模型的估计方法1. 最小二乘法估计最小二乘法是最常用的多元线性回归模型估计方法。
它通过使残差平方和最小化来确定模型的系数。
残差即观测值与预测值之间的差异，最小二乘法通过找到使残差平方和最小的系数组合来拟合数据。
2. 矩阵求解方法多元线性回归模型也可以通过矩阵求解方法进行参数估计。
将自变量和因变量分别构成矩阵，利用矩阵运算，可以直接求解出模型的系数。
三、多元线性回归模型的解释多元线性回归模型可以通过系数估计来解释自变量与因变量之间的关系。
系数的符号表示了自变量对因变量的影响方向，而系数的大小则表示了自变量对因变量的影响程度。
此外，多元线性回归模型还可以通过假设检验来验证模型的显著性。
假设检验包括对模型整体的显著性检验和对各个自变量的显著性检验。
对于整体的显著性检验，一般采用F检验或R方检验。
F检验通过比较回归平方和和残差平方和的比值来判断模型是否显著。
对于各个自变量的显著性检验，一般采用t检验，通过检验系数的置信区间与预先设定的显著性水平进行比较，来判断自变量的系数是否显著不为零。
通过解释模型的系数和做假设检验，我们可以对多元线性回归模型进行全面的解释和评估。
四、多元线性回归模型的应用多元线性回归模型在实际应用中具有广泛的应用价值。
03多元线性回归模型
03多元线性回归模型多元线性回归模型是一种经济学和统计学中广泛使用的模型，用于描述多个自变量与因变量之间的关系。
它是在线性回归模型的基础上发展而来的。
在多元线性回归模型中，因变量是由多个自变量共同决定的。
Y = β0 + β1X1 + β2X2 + β3X3 + … + βkXk + ε其中，Y表示因变量，X1、X2、X3等表示自变量，β0、β1、β2、β3等表示回归系数，ε表示误差项。
回归系数β0、β1、β2、β3等表示自变量对因变量的影响程度。
回归系数的符号和大小反映着自变量与因变量的正相关或负相关程度以及影响的大小。
误差项ε是对影响因变量的所有其他变量的影响程度的度量，它是按照正态分布随机生成的。
在多元线性回归模型中，回归系数和误差项都是未知的，需要根据样本数据进行估计。
通常采用最小二乘法来估计回归系数和误差项。
最小二乘法是一种常用的方法，它通过最小化误差平方和来估计回归系数与误差项。
最小二乘法假设误差为正态分布，且各自变量与误差无关。
因此，通过最小二乘法求解出的回归系数可以用于预测新数据。
多元线性回归模型还需要检验回归系数的显著性。
通常采用F检验和t检验来进行检验。
F检验是用于检验整个多元线性回归模型的显著性，即检验模型中所有自变量是否与因变量有关系。
F检验的原假设是回归方程中所有回归系数都为0，备择假设是至少有一个回归系数不为0。
如果p-value小于显著性水平，就可以拒绝原假设，认为多元线性回归模型显著。
总之，多元线性回归模型利用多个自变量来解释因变量的变化，是一种实用性强的模型。
它的参数估计和显著性检验方法也相对比较成熟，可以用于多个领域的实际问题分析。
多元线性回归模型原理
多元线性回归模型原理Y=β0+β1*X1+β2*X2+...+βn*Xn+ε其中，Y表示因变量，X1、X2、..、Xn表示自变量，β0、β1、β2、..、βn表示模型的参数，ε表示误差项。
通过对数据进行拟合，即最小化误差平方和，可以估计出模型的参数。
多元线性回归模型的原理是基于最小二乘法，即通过最小化残差平方和来估计参数的值。
残差是指模型预测值与真实值之间的差异，最小二乘法的目标是找到一组参数，使得所有数据点的残差平方和最小。
通过求解最小二乘估计，可以得到模型的参数估计值。
为了评估模型的拟合程度，可以使用各种统计指标，例如R方值、调整R方值、标准误差等。
R方值表示模型解释因变量方差的比例，取值范围在0到1之间，值越接近1表示模型对数据的拟合程度越好。
调整R方值考虑了模型中自变量的个数和样本量之间的关系，可以更准确地评估模型的拟合程度。
标准误差表示模型预测值与真实值之间的标准差，可以用于评估模型的预测精度。
在建立多元线性回归模型之前，需要进行一些前提条件的检查，例如线性关系、多重共线性、异方差性和自变量的独立性。
线性关系假设要求自变量与因变量之间存在线性关系，可以通过散点图、相关系数等方法来检验。
多重共线性指的是自变量之间存在高度相关性，会导致参数估计的不稳定性，可以使用方差膨胀因子等指标来检测。
异方差性指的是残差的方差不恒定，可以通过残差图、方差齐性检验等方法来检验。
自变量的独立性要求自变量之间不存在严重的相关性，可以使用相关系数矩阵等方法来检验。
当满足前提条件之后，可以使用最小二乘法来估计模型的参数。
最小二乘法可以通过不同的方法来求解，例如解析解和数值优化方法。
解析解通过最小化误差平方和的一阶导数为零来求解参数的闭式解。
数值优化方法通过迭代来求解参数的数值估计。
除了最小二乘法，还有其他方法可以用于估计多元线性回归模型的参数，例如岭回归和lasso回归等。
岭回归和lasso回归是一种正则化方法，可以对模型进行约束，可以有效地避免过拟合问题。
多元线性回归模型检验
多元线性回归模型检验引言多元线性回归是一种常用的统计分析方法，用于研究两个或多个自变量对目标变量的影响。
在应用多元线性回归前，我们需要确保所建立的模型符合一定的假设，并进行模型检验，以保证结果的可靠性和准确性。
本文将介绍多元线性回归模型的几个常见检验方法，并通过实例进行说明。
一、多元线性回归模型多元线性回归模型的一般形式可以表示为：$$Y = \\beta_0 + \\beta_1X_1 + \\beta_2X_2 + \\ldots + \\beta_pX_p +\\varepsilon$$其中，Y为目标变量，$X_1,X_2,\\ldots,X_p$为自变量，$\\beta_0,\\beta_1,\\beta_2,\\ldots,\\beta_p$为模型的回归系数，$\\varepsilon$为误差项。
多元线性回归模型的目标是通过调整回归系数，使得模型预测值和实际观测值之间的误差最小化。
二、多元线性回归模型检验在进行多元线性回归分析时，我们需要对所建立的模型进行检验，以验证假设是否成立。
常用的多元线性回归模型检验方法包括：1. 假设检验多元线性回归模型的假设包括：线性关系假设、误差项独立同分布假设、误差项方差齐性假设和误差项正态分布假设。
我们可以通过假设检验来验证这些假设的成立情况。
•线性关系假设检验：通过F检验或t检验对回归系数的显著性进行检验，以确定自变量与目标变量之间是否存在线性关系。
•误差项独立同分布假设检验：通过Durbin-Watson检验、Ljung-Box 检验等统计检验，判断误差项是否具有自相关性。
•误差项方差齐性假设检验：通过Cochrane-Orcutt检验、White检验等统计检验，判断误差项的方差是否齐性。
•误差项正态分布假设检验：通过残差的正态概率图和Shapiro-Wilk 检验等方法，检验误差项是否满足正态分布假设。
2. 多重共线性检验多重共线性是指在多元线性回归模型中，自变量之间存在高度相关性的情况。
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起来对Y有线性影响，两者的变化解释了Y变化的99.8%。 但由于无法知道X1，X2前参数的具体估计值，因此还无 法判断它们各自对Y的影响有多大。
6、解：
（1）方程B更合理些。
原因是：方程B中的参数估计值的符号与现实更接 近些，如与日照的小时数同向变化，天长则慢跑 的人会多些；与第二天需交学期论文的班级数成 反向变化。
二、多项选择题
1、ACD 2、BD 3、BCD 4、BC 5、AD
6、BCDLeabharlann 7、ABCD 8、BC 9、BC 10、BCD
11、BC
三、判断题
1、√ 2、√ 3、× 4、×5、√ 6、√
7、× 8、√ 9、× 10、√11、×12、×13、×
四、简答题
1、多元线性回归模型与一元线性回归模型的区别表 现在如下几个方面：一是解释变量的个数不同； 二是模型的经典假设不同，多元线性回归模型 比一元线性回归模型多了个“解释变量之间不 存在线性相关关系”的假定；三是多元线性回 归模型的参数估计式的表达更为复杂。
• RSS=TSS-ESS=66042-65965=77 • ESS的自由度为: df.= 2 • RSS的自由度为: df.=n-2-1=12 （2）R2=ESS/TSS=65965/66042=0.9988
=1-(1- R2)(n-1)/(n-k-1)
=1-0.0012*14/12=0.9986 （3）应该采用方程显著性检验，即F检验，理由是只有这样
6、 这一假定是针对解释变量之间的关系而设定， 根本目的是保证模型的可估计，如果解释变量 之间存在共线性，会造成数据观测矩阵X非列满 秩，模型参数无法估计。
• 六、计算分析题
1、（1）预期sibs对劳动者受教育的年数有影响。因此在收 入及支出预算约束一定的条件下，子女越多的家庭，每个 孩子接受教育的时间会越短。
（3）首先计算两人受教育的年数分别为
10.36+0.13112+0.21012=14.452
10.36+0.13116+0.21016=15.816
因此，两人的受教育年限的差别为15.816-14.452=1.364
4、解：
（1）不一定，因为题目未告知是否通过了经济意义 检验。猜测为：X1为学生数量，X2为附近餐厅的 盒饭价格，X3为气温，X4为校园内食堂的盒饭价 格；
多元线性回归模型
矩阵表示 基本假设
参数的普通最小二乘估计
参数的普通最小二乘估计量的性质
参数估计
普通最小二乘样本回归函数的性质 随机误差项的方差的普通最小二乘估计
样本容量问题
多元线性回归模型 拟合优度检验
离差分解 决定系数与可调整的决定系数
统计推断参参参数数数的估的假计区设量间检的估验分计布单方变拟个程量合变总显优量体著度的的性检显显检验著著验与性性与方检检总程验验体显（（显著tF著性检检性检验验检验））验之的间关的系关系
• 根据多元回归模型偏回归系数的含义，sibs前的参数估计 值-0.094表明，在其他条件不变的情况下，每增加1个兄 弟姐妹，受教育年数会减少0.094年，因此，要减少1年受 教育的时间，兄弟姐妹需增加1/0.094=10.6个。
（2）medu的系数表示当兄弟姐妹数与父亲受教育的年数保 持不变时，母亲每增加1年受教育的时间，其子女作为劳 动者就会预期增加0.131年的教育时间。
（2）解释变量的系数表明该变量的单位变化，在方 程中其他解释变量不变的条件下，对被解释变量 的影响，由于在方程A和方程B中选择了不同的解 释变量，方程A选择的是“该天的最高温度”， 而方程B选择的是“第二天需交学期论文的班级 数”，造成了与这两个变量之间关系的不同，所 以用相同的数据估计相同的变量得到了不同的符 号。
9、
7、解： （1） 在降雨量不变时,每亩增加1千克肥料将使当年的玉米
产量增加0.1吨/亩;在每亩施肥量不变的情况下,每增加1毫 米的降雨量将使当年的玉米产量增加5.33吨/亩。 （2） 在种地的一年中不施肥也不下雨的现象同时发生的可 能性很小,所以玉米的负产量不可能存在.事实上,这里的截 距无实际意义。 （3） 如果的真实值为0.40,则表明其估计值与真实值有偏误, 但不能说的估计是有偏估计.理由是0.1是的一个估计值,而 所谓估计的有偏性是针对估计的期望来说的,即如果取遍 所有可能的样本,这些参数估计值的平均值与0.4有偏误的 话,才能说估计是有偏的。 （4） 不一定。即便该方程并不满足所有的经典模型假设， 不是最佳线性无偏估计量，的真实值也有等于5.33的可能 性。因为有偏估计意味着参数估计的期望不等于参数本身， 并不排除参数的某一估计值恰好等于参数的真实值的可能 性。
总体均值的点预测
预测
总体均值的预测置信区间 个别值的预测置信区间 预测置信区间的特征
一、单项选择题
1、C 2、A 3、B 4、A 5、C
6、C 7、A 8、D 9、B 10、D
11、B 12、A 13、D 14、D 15、D
16、A 17、D 18、C 19、A 20、B
21、A 22、B 23、C 24、C 25、C
2、在满足经典假设的条件下，参数的最小二乘估计 量具有线性性、无偏性以及最小性方差(有效性)， 所以被称为最优线性无偏估计量（BLUE）
对于多元线性回归最小二乘估计的正规方程组， 能解出唯一的参数估计量的条件是（X’X）的负 一次方存在，或者说各解释变量间不完全线性 相关。
3.
4、 对修正的原因：是模型中解释变量个数的非减 函数，也就是说，随着模型中解释变量个数的 增加，的值会变大，这样为了得到拟合优度较 高的模型，似乎加入更多解释变量是合理选择。 但是，在建立计量经济模型时，一些影响被解 释变量的次要因素没有必要以显性形式作为解 释变量出现在模型中，因为，随着解释变量个 数增加，待估计的参数也会增多，由此造成样 本自由度的减少，模型参数估计准确性下降。 因此，在多元回归模型背景下，仅仅依据进行 模型比较和选择就会产生问题，在增加新的解 释变量时，必须对由其带来的模型自由度下降 这一“负面影响”而做出惩罚，因此需要对做 出相应的修正。
（2）理由是被解释变量应与学生数量成正比，并且 应该影响显著；被解释变量应与本食堂盒饭价格 成反比，这与需求理论相吻合；被解释变量应与 附近餐厅的盒饭价格成正比，因为彼此有替代作 用；被解释变量应与气温的变化关系不是十分显 著，因为大多数学生不会因为气温变化不吃饭。
5、（1）样本容量为
n=14+1=15
、
5、 建立多元回归模型时，究竟该引入多少个解释 变量视情况而定。如果所建立的计量模型是为 验证某一经济理论，则引入变量个数取决于经 济理论，如建模目的是检验CAPM模型，则只需 包含一个解释变量。如果是根据经验而建立模 型，在样本容量允许条件下，可以加入较多解 释变量，以得到所关注变量对被解释变量的 “净”影响。当然，此时，应当考虑做包含多 余变量、遗漏变量等方面的模型设定检验。