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
9
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。
10
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
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。
3多元线性回归模型参数估计
3多元线性回归模型参数估计多元线性回归是一种回归分析方法，用于建立多个自变量和一个因变量之间的关系模型。
多元线性回归模型可以表示为：Y=β0+β1X1+β2X2+…+βnXn+ε其中，Y表示因变量，X1,X2,…,Xn表示自变量，β0,β1,β2,…,βn表示模型参数，ε表示误差项。
多元线性回归模型的目标是估计出模型参数β0,β1,β2,…,βn，使得实际观测值与模型预测值之间的误差最小化。
参数估计的方法有很多，下面介绍两种常用的方法：最小二乘法和梯度下降法。
1. 最小二乘法（Ordinary Least Squares, OLS）：最小二乘法是最常用的多元线性回归参数估计方法。
它的基本思想是找到一组参数估计值，使得模型预测值与实际观测值之间的残差平方和最小化。
首先，我们定义残差为每个观测值的实际值与模型预测值之间的差异：εi = Yi - (β0 + β1X1i + β2X2i + … + βnXni)其中，εi表示第i个观测值的残差，Yi表示第i个观测值的实际值，X1i, X2i, …, Xni表示第i个观测值的自变量，β0, β1, β2, …,βn表示参数估计值。
然后，我们定义残差平方和为所有观测值的残差平方的总和：RSS = ∑(Yi - (β0 + β1X1i + β2X2i + … + βnXni))^2我们的目标是找到一组参数估计值β0,β1,β2,…,βn，使得残差平方和最小化。
最小二乘法通过数学推导和求导等方法，可以得到参数估计值的解析解。
2. 梯度下降法（Gradient Descent）：梯度下降法是一种迭代优化算法，可以用于估计多元线性回归模型的参数。
它的基本思想是通过迭代调整参数的值，使得目标函数逐渐收敛到最小值。
首先，我们定义目标函数为残差平方和：J(β) = 1/2m∑(Yi - (β0 + β1X1i + β2X2i + … + βnXni))^2其中，m表示样本数量。
多元线性回归模型
多元线性回归模型多元线性回归是一种用于分析多个自变量与一个因变量之间关系的统计方法。
在这种分析中，我们试图根据已知自变量的值来预测因变量的值。
该模型常用于市场研究、金融分析、生物统计和其他领域。
在本文中，我们将介绍多元线性回归的基础概念和实践应用。
一般来说，线性回归的目的是找到一个线性函数y=ax+b来描述一个因变量y与一个自变量x的关系。
但是，在现实生活中，我们通常需要考虑多个自变量对因变量的影响。
这时就需要采用多元线性回归模型来描述这种关系。
多元线性回归模型可以表示为：y=b0 + b1x1 + b2x2 + … + bnxn + ε其中，y是因变量，x1, x2, …, xn是自变量，b0, b1, b2, …, bn是回归系数，ε是误差项，反映了因变量和自变量之间未能被回归方程中的自变量解释的差异。
多元线性回归的重要性质是，每个自变量对因变量的影响是独立的。
也就是说，当我们同时考虑多个自变量时，每个自变量对因变量的解释将被考虑到。
多元线性回归模型的核心是确定回归系数。
回归系数表明了自变量单位变化时，因变量的变化量。
确定回归系数的一种方法是最小二乘法。
最小二乘法是一种通过最小化实际值与预测值之间的差值来确定回归系数的方法。
我们可以使用矩阵运算来计算回归系数。
设X为自变量矩阵，y为因变量向量，则回归系数向量b可以通过以下公式计算：b = (XTX)-1XTy其中，XT是X的转置，(XTX)-1是X的逆矩阵。
在计算回归系数之后，我们可以使用多元线性回归模型来预测因变量的值。
我们只需要将自变量的值代入回归方程中即可。
但是，我们需要记住，这种预测只是基于样本数据进行的，不能完全代表总体数据。
多元线性回归模型有很多实际应用。
一个常见的例子是用于市场营销中的顾客预测。
通过对顾客的年龄、性别、教育程度、收入等数据进行分析，可以预测他们的购买行为、购买频率和购买方式等，这些预测结果可以帮助企业做出更好的营销决策。
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Yn 1 2 X 2n 3 X3n ... k X kn un
11
用矩阵表示
Y1 1
Y2
1
Yn
1
Y
n1
X 21 X 22
X 2n
例如:有两个解释变量的电力消费模型
Yi 1 2 X 2 3 X3 ui
其中: Yi 为各地区电力消费量；
X 2为各地区国内生产总值（GDP）；
X
为各地区电力价格变动。
3
模型中参数的意义是什么呢?
6
多元线性回归模型的一般形式
一般形式：对于有 k 个解释变量的线性回归模型
Yi 1 2 X 2i 3 X 3i ... k X ki ui
Rank(XX ) K
ui ~ N (0, σ 2 )
15
ห้องสมุดไป่ตู้
第二节 多元线性回归模型的估计
本节基本内容:
● 普通最小二乘法（OLS） ● OLS估计式的性质 ● OLS估计的分布性质
● 随机扰动项方差 的估2 计
● 回归系数的区间估计
16
一、普通最小二乘法（OLS）
最小二乘原则
剩余平方和最小： min ei2 (Yi -Yˆi)2
ˆ3 (
yi x3i )( x22i ) - ( yi x2i )( x2i x3i ) ( x22i )( x32i ) - ( x2i x3i )2
注意： x 和 y为 X,Y 的离差
20
二、OLS估计式的性质
OLS估计式
1.线性特征: βˆ = (X X)-1 X Y
βˆ 是 Y的线性函数，因 ( X X)-1 X 是非随机
8
多元总体回归函数
Y 的总体条件均值表示为多个解释变量的函数
E(Yi X2i , X3i ,..., Xki ) 1 2 X2i 3X3i ... k Xki
总体回归函数也可表示为:
Yi 1 2 X2i 3X3i ... k Xki ui
9
多元样本回归函数
Y 的样本条件均值表示为多个解释变量的函数
R2
ESS TSS
βˆ XY - nY 2 Y Y - nY 2
可以证明：R2 βˆ 2 x2i yi βˆ3 x3i yi ... βˆ k xki yi
特点：
yi2
多重可决系数是模型中解释变量个数的不减函数，
这给对比不同模型的多重可决系数带来缺陷，所以
需要修正。
30
修正的可决系数
1 X 22
X kiei
X
k1
Xk2
1 e1
0
X
2n
e2
=
X
e
=
0
X
kn
en
0
X
e
因为样本回归函数为 Y = Xβˆ + e
两边乘 X 有： X Y = X Xβˆ + X e
因为 Xe = 0 ，则正规方程为：
X Xβˆ = X Y
19
OLS估计式
由正规方程 多元回归中 二元回归中
● ui是服从正态分布的随机变量, 决定了Yi 也
是服从正态分布的随机变量
● βˆi 是 Yi 的线性函数，决定了 βˆi 也是服从正态
分布的随机变量
23
βˆ 的期望 E(βˆ) β (由无偏性)
βˆ 的方差和标准误差： 可以证明βˆ 的方差-协方差矩阵为
Var - Cov(βˆ) σ2(X X )-1 Var(βˆ j ) σ2cjj SE(βˆ j ) σ cjj 这里是 c jj 矩阵( X X )-1 中第j 行第 j 列的元素
修正的可决系数 R2与可决系数 R2的关系：
2
R
1- (1-
R2 )
n -1
n-k
特点
可决系数 R2必定非负，但修正的可决系数 R2 可能为负值，这时规定 R2 0
33
二、回归方程显著性检验（F检验）
基本思想
在多元回归中有多个解释变量，需要说明所有解 释变量联合起来对应变量影响的总显著性,或整个 方程总的联合显著性。对方程总显著性检验需要 在方差分析的基础上进行F检验。
或 其中
Yˆi ˆ1 ˆ2X2i ˆ3X3i ... ˆk Xki Yi ˆ1 ˆ2X2i ˆ3X3i ... ˆk Xki ei
i 1,2, , n
回归剩余（残差）： ei Yi -Yˆi
10
二、多元线性回归模型的矩阵表示
k 个解释变量的多元线性回归模型的 n个观测
样本，可表示为
27
第三节 多元线性回归模型的检验
本节基本内容:
●多元回归的拟合优度检验 ●回归方程的显著性检验（F检验） ●各回归系数的显著性检验（t检验）
28
一、多元回归的拟合优度检验
多重可决系数：在多元回归模型中，由各个解释变量联合
解释了的 Y的变差，在Y 的总变差中占的比重，用 R2 表
示
与简单线性回归中可决系数 R2的区别只是 Yˆi 不同，多元
26
五、回归系数的区间估计
由于
t*
=
βˆ j - β
^
SE(
βˆ
j
j
)
=
βˆ j σˆ
- βj c jj
~ t(n - k)
给定 ，查t分布表的自由度为 n k的临界值 t 2 (n - k)
P[-tα
2
(n
-
k)
t*
βˆ j - β j
^
SE(
βˆ
j
)
tα
2
(n
-
k )]
1-
α
( j 1,..., k)
是什么因素导致中国汽车数量的增长? 影响中国汽车行业发展的因素并不是单一的，经济增长、 消费趋势、市场行情、业界心态、能源价格、道路发展、内 外环境，都会使中国汽车行业面临机遇和挑战。
2
怎样分析多种因素的影响？
分析中国汽车行业未来的趋势,应具体分析这样一些问题： 中国汽车市场发展的状况如何？（用销售量观测） 影响中国汽车销量的主要因素是什么？
25
因 2是未知的，可用 ˆ 2代替 2 去估计参数 βˆ 的标
准误差:
● 当为大样本时，用估计的参数标准误差对 βˆ 作标
准化变换，所得Z统计量仍可视为服从正态分布
●当为小样本时，用估计的参数标准误差对 βˆ 作标
准化变换，所得的t统计量服从t分布：
t
βˆk - βk
^
~ t(n - k)
SE( βˆk )
min ei2 [Yi - (ˆ1 ˆ2X2i ˆ3X3i ... ˆk Xki )]2
求偏导,令其为0:
( ei2 )
ˆ j
0
17
即
-2 Yi - (ˆ1 ˆ2 X2i ˆ3X3i ... ˆki Xki ) 0
-2 X2i Yi - (ˆ1 ˆ2X2i ˆ3X3i ... ˆki Xki ) 0
（如收入、价格、费用、道路状况、能源、政策环境等）
各种因素对汽车销量影响的性质怎样？（正、负） 各种因素影响汽车销量的具体数量关系是什么？ 所得到的数量结论是否可靠？ 中国汽车行业今后的发展前景怎样？应当如何制定汽车的 产业政策？ 很明显，只用一个解释变量已很难分析汽车产业的发展, 还需要寻求有更多个解释变量情况的回归分析方法。
计量经济学
第三章 多元线性回归模型
1
引子:
中国汽车的保有量会达到1.4亿辆吗 ?
中国经济的快速发展，使居民收入不断增加，数以百万 计的中国人开始得以实现拥有汽车的梦想，中国也成为世界 上成长最快的汽车市场。
中国交通部副部长在中国交通可持续发展论坛上做出预 测 :“2020年，中国的民用汽车保有量将比2003年的数字 增长６倍，达到1.4亿辆左右”。
回归中 Yˆi = βˆ1+ βˆ2 X 2i + βˆ 3 X 3i + ...+ βˆ k X ki
多重可决系数也可表示为
R2 ESS TSS
(Yˆi -Y )2 (Yi -Y )2
TSS - RSS TSS
1-
ei2 yi2
29
多重可决系数的矩阵表示
TSS Y Y nY 2
ESS βˆ X Y - nY 2
M
-2 Xki Yi - (ˆ1 ˆ2X2i ˆ3X3i ... ˆki Xki ) 0
ei 0 X2iei 0
M
Xkiei 0
注意到 Yi - (ˆ1 ˆ2 X2i ˆ3X3i ... ˆki Xki ) ei
18
用矩阵表示
ei X 2i ...
ei
=
1 X 21
X Xβˆ = X Y ( X X )kk 是满秩矩阵,其逆存在
βˆ = (X X)-1 X Y
ˆ1 Y - βˆ2 X2 - βˆ3X3
ˆ2 (
yi x2i )( x32i ) - ( yi x3i )( x2i x3i ) ( x22i )( x32i ) - ( x2i x3i )2
故有：βˆ j ~ N(βj ,σ2cjj ) j 1, 2,..., k
24
四、随机扰动项方差 的2 估计
多元回归中σ 2 的无偏估计为：
σˆ 2 ei2
n-k
或表示为 σˆ2 ee
n-k
将 βˆk 作标准化变换：
zk
βˆk - βk SE( βˆk )
βˆk σ
- βk c jj
~
N (0,1)
X 是第一列为1的 nk 阶解释变量