Нелинейная регрессия

Если между экономическими явлениями существуют нелинейные соотношения, то они выражаются с помощью соответствующих нелинейных функций: например, равносторонней гиперболы параболы второй степени и др.

Различают два класса нелинейных регрессий:

· регрессии, нелинейные относительно включенных в анализ объясняющих переменных, но линейные по оцениваемым параметрам;

· регрессии, нелинейные по оцениваемым параметрам;

Примером нелинейной регрессии по включенным в нее объясняющим переменным могут служить следующие функции:

· полиномы разных степеней ;

· равносторонняя гипербола

К нелинейным регрессиям по оцениваемым параметрам относятся функции:

· степенная

· показательная

· экспоненциальная .

Нелинейная регрессия по включенным переменным не имеет никаких сложностей для оценки ее параметров. Они определяются, как и в линейной регрессии, методом наименьших квадратов, ибо эти функции линейны по параметрам. Так, в параболе второй степени заменив переменные получим двухфакторное уравнение линейной регрессии:

Для оценки параметров которого используется МНК.

Полином любого порядка сводится к линейной регрессии с ее способами оценивания характеристик и проверки гипотез. Как показывает опыт большинства исследователей, между нелинейной полиномиальной регрессии наиболее часто употребляется парабола второй степени; в отдельных вариантах – полином третьего порядка. Ограничения в использовании полиномов наиболее высоких степеней связаны с требованием односторонности исследуемой совокупности: чем выше порядок полинома, тем больше изгибов имеет кривая и в соответствии с этим меньше односторонность совокупности по результативному признаку.

Парабола второй степени целесообразна к использованию, если для конкретного промежутка значений фактора изменяется характер взаимосвязи рассматриваемых показателей: прямая взаимосвязь меняется на обратную или обратная на прямую. В такой ситуации определяется значение фактора, при котором достигается максимальное (или минимальное) значение результативного признака: приравниваем к нулю первую производную параболы второй степени: b+2cx=0

Если же исходные данные не обнаруживают изменения направленности связи, то параметры параболы второго порядка становятся трудно интерпретируемыми, а форма связи часто заменяется другими нелинейными моделями.

Применение МНК для оценки параметров параболы второй степени приводит к следующей системе нормальных уравнений:

(2.36)

Решить ее относительно параметров a, b, c можно методом определителей:

где - определитель системы;

a, b, c – частные определители для каждого из параметров.

При b> 0 и c> 0 кривая симметрична относительно высшей точки, то есть точки перелома кривой, изменяющей направление взаимосвязи, а конкретно подъем на падение. Такого рода функцию можно наблюдать в экономике труда при исследовании зависимости заработной платы работников физического труда от возраста – с повышением возраста увеличивается заработная плата ввиду одновременного роста опыта и повышения квалификации работника. При b< 0 и c> 0 парабола второго порядка симметрична относительно своего минимума, что позволяет определять минимум функции в точке, меняющей направление связи, то есть снижение на рост.

Ввиду симметричности кривой параболу второй степени не всегда возможно применить в конкретных случаях. Параметры параболической взаимосвязи не всегда могут быть логически объяснены. Таким образом, график зависимости не показывает четко выраженной параболы второго порядка, то она может быть заменена другой нелинейной функцией.

В группе нелинейных функций, параметры которых будут оценены МНК, в эконометрике хорошо известна равносторонняя гипербола Она может быть использована для объяснения взаимосвязи удельных расходов. Стандартным примером является кривая Филлипса, объясняющая нелинейное соотношение между нормой безработицы x и процентом прироста заработной платы y.

Британский экономист А. В. Филлипс установил обратную взаимозависимость процента прироста заработной платы от уровня безработицы.

Если в уравнении равносторонней гиперболы заменить на z, получим линейное уравнение регрессии y= a+bz+e, параметры будут оценены с помощью МНК. Система нормальных уравнений имеет вид:

(2.37)

При b> 0 имеем обратную зависимость, которая при х стремящемуся к бесконечности объясняется нижней асимптотой, то есть минимальным предельным значением y, оценкой которого служит параметр a.

При b< 0 имеем медленно повышающуюся функцию с верхней асимптотой при х стремящемуся к бесконечности, то есть с максимальным предельным уровнем y, оценку которого в уравнении дает параметр а.

Среди нелинейных функций в эконометрических исследованиях глубоко используется степенная функция Это связано с тем, что параметр b в функции имеет четкое экономическое объяснение, то есть является коэффициентом эластичности. Это говорит о том, что величина коэффициента b показывает, на сколько процентов изменится в средним итог, если фактор изменится на 1%. Формула расчета коэффициента эластичности:

(2.38)

где f’(x) – первая производная, характеризующая соотношение приростов результата для соответствующей формы связи.

В связи с тем, что коэффициент эластичности для линейной функции не является величиной постоянной обычно рассчитывается средний показатель эластичности по формуле:

(2.39)

Для оценки параметров степенной функции применяется МНК к линеаризованному уравнению и решается система нормальных уравнений. Параметр b определяется из системы, а параметр а – после потенцирования величины ln a.

В моделях, нелинейных по оцениваемым параметрам, но приводимых к линейному виду, МНК применяется к преобразованным уравнениям. Поскольку в линейной модели и моделях, нелинейных по переменным, при оценке параметров появляются из критерия то в моделях, нелинейных по оцениваемым параметрам, требование МНК применяется не к исходным данным результативного признака, а их преобразованным величинам. Это поясняется тем, что оценка параметров основывается на минимизации суммы квадратов отклонений в логарифмах.

При использовании связей среди функций, применяющих ln y, в эконометрике преобладают степенные зависимости – это и кривые спроса и предложения, и кривые Энгеля, и производственные функции, и критерии освоения для характеристики связи между трудоемкостью продукции и размерами производства в период освоения выпуска нового вида изделий, и зависимость валового национального дохода от уровня занятости.

При применении линеаризуемых функций, затрагивающих преобразования зависимой переменной y, следует проверить присутствие предпосылок МНК, что бы они не нарушались при преобразовании. При нелинейных отношениях рассматриваемых признаков, приводимых к линейному виду, возможно интервальное оценивание параметров нелинейной функции.

Для внутренне нелинейных моделей, которые путем несложных преобразований не приводятся к линейному виду, оценка параметров не может быть дана привычным МНК. Здесь используются иные подходы. [И. И. Елисеева с. 77]