Zagadnienia

13. Regresja względem czasu.

Teoria dużej próbki cd. Model tendencji rozwojowej z liniowym trendem. Estymatory hiper-zgodne.

13.1. Model tendencji rozwojowej z liniowym trendem

13.1.1. Założenia modelu

Rozważamy następujący model liniowy

Yt=β1⁢t+β2+εt, (13.1)

gdzie
t – czas (kolejny moment), t∈N (lub t∈Z),
εt – niezależny, biały szum; tzn. εt nie zależą od historii i mają ten sam rozkład. Ponadto zakładamy, że ε∈L4, E⁢ε=0 oraz E⁢εt2=σ2>0.

Przyjmiemy następujące oznaczenia

Xt=t,1,⁢⁢⁢β=β1,β2T.

Wówczas model 13.1 można zapisać w następujący sposób

Yt=Xt⁢β+εt.

W zapisie macierzowym otrzymamy

Y=X⁢β+ε.

Powyższy model spełnia założenia modelu klasycznego Z1 – Z4 (bez założenia o normalności składnika losowego) i nie spełnia założeń modelu ”dużej próbki”, bo proces t nie jest stacjonarny.

Problem.
Co można powiedzieć o asymptotyce estymatorów MNK dla modelu opisanego równaniem 13.1?

13.1.2. Estymacja parametrów modelu

Rozważmy proces generujący dane Yt,Xtt=0∞, z którego bierzemy n-elementową próbkę dla t=0,…,n-1. MNK estymator wektora β wyznaczamy ze wzoru

B=XT⁢X-1⁢XT⁢Y=Sx⁢x-1⁢Sx⁢y,

gdzie

Sx⁢x=1n⁢XT⁢X=1n⁢∑t=0n-1XtT⁢Xt,⁢⁢⁢Sx⁢y=1n⁢XT⁢Y=1n⁢∑t=0n-1XtT⁢Yt.

Natomiast MNK estymator wariancji σ2 wynosi

S2=1n-2⁢ξt⁢ξ=1n-2⁢∑t=0n-1ξt2,⁢⁢⁢ξt=Yt-Xt⁢B.
Twierdzenie 13.1
n3⁢B1-β1n⁢B2-β2⟶dN⁢0,σ2⁢Σ,⁢⁢⁢Σ=12-6-64.

Dowód.
Zauważmy, że

B-β=Sx⁢x-1⁢g¯T,

gdzie

gt=εt⁢Xt=t⁢εt,εt,⁢⁢⁢g¯=1n⁢∑t=0n-1gt.

Macierz Sx⁢x można łatwo wyliczyć

Sx⁢x=1n⁢∑t=0n-1XtT⁢Xt=1n⁢∑t=0n-1t1∘t,1=
=1n∑t=0n-1(t2tt1)=(n-1⁢2⁢n-16n-12n-121).

Gdy n rośnie do nieskończoności to 3 wyrazy macierzy Sx⁢x zbiegają do nieskończoności

n-1⁢2⁢n-16n-12n-121⟶∞∞∞1.

Aby uzyskać rodzine macierzy o skończonej granicy pomnożymy macierz Sx⁢x z obu stron przez macierz diagonalną

Φn=n-1001.

Otrzymujemy

Φn⁢Sx⁢x⁢Φn=n-1⁢2⁢n-16⁢n2n-12⁢nn-12⁢n1⟶Q,

gdzie

Q=1312121.

Z drugiej strony z centralnego twierdzenia granicznego Linderberga-Levy'ego ([9] §10.2 Twierdzenie 1) otrzymujemy asymptotyczną normalność Φn⁢g¯

n⁢Φn⁢g¯T=n-3⁢∑t=0n-1t⁢εt,n-1⁢∑t=0n-1εtT⟶dN⁢0,σ2⁢Q.

Podsumowując

n3⁢B1-β1n⁢B2-β2=n⁢Φn-1⁢B-β=n⁢Φn-1⁢Sx⁢x-1⁢g¯T=
=nΦn-1Sx⁢x-1Φn-1Φng¯T=(ΦnSx⁢xΦn)-1)⋅nΦng¯T.

Ponieważ macierze Φn⁢Sx⁢x⁢Φn-1 zbiegają do Q-1, a proces n⁢Φn⁢g¯T zbiega według rozkładu do N⁢0,σ2⁢Q to

n3⁢B1-β1n⁢B2-β2⟶dN⁢0,σ2⁢Q-1⁢Q⁢Q-1=N⁢0,σ2⁢Q-1.

Aby zakończyć dowód wystarczy zauważyć, że

Q-1=Σ.
□
Uwaga 13.1

Estymator B1 nazywa się estymatorem n3/2-zgodnym albo hiper-zgodnym (hyper-consistent).

Twierdzenie 13.2

Estymator S2 jest zgodny

S2⟶pσ2.

Dowód.
Jak pokazaliśmy w rozdziale 4 (patrz równanie 4.3)

ξT⁢ξ=εT⁢M⁢ε,

gdzie M macierz rzutu na dopełnienie ortogonalne podprzestrzeni rozpiętej przez kolumny macierzy X

M=I⁢d-X⁢XT⁢X-1⁢XT.

Zatem

S2=1n-2⁢ξt⁢ξ=1n-2⁢εT⁢ε-εT⁢X⁢XT⁢X-1⁢XT⁢ε=1n-2⁢εT⁢ε-εT⁢X⁢B-β.

Stosując notację i oszacowania z dowodu poprzedniego twierdzenia otrzymujemy

S2=nn-2⁢1n⁢εT⁢ε-g¯⁢Φn⁢Φn-1⁢B-β⟶pσ2-0.
□

13.1.3. Testowanie parametrów strukturalnych

Dla k=0,1 testujemy hipotezę

Hk,0:βk=βk¯,

wobec hipotezy alternatywnej

Hk,1:βk≠βk¯.

Analogicznie jak w modelu klasycznym przyjmujemy

T1=B1-β1¯S⁢E⁢B1,⁢⁢⁢T2=B2-β2¯S⁢E⁢B2,

gdzie

S⁢E⁢Bk=1n⁢S2⁢Sx⁢x-1k,k,⁢⁢⁢S2=1n-2⁢∑t=0n-1ξt2.
Twierdzenie 13.3

Przy założeniu hipotezy zerowej Hk,0 rozkład statystyki Tk zbiega do N(0,1).

Dowód.
Korzystamy z faktu, że S2 zbiega do σ2, n2⁢Sx⁢x-11,1 do Σ1,1, a Sx⁢x-12,2 do Σ2,2.

T1=B1-β1¯1n⁢S2⁢Sx⁢x-11,1=n3⁢B1-β1¯S2⁢n2⁢Sx⁢x-11,1⟶dN⁢0,Σ1,1-1⁢Σ1,1=N⁢0,1.
T2=B2-β2¯1n⁢S2⁢Sx⁢x-12,2=n⁢B2-β2¯S2⁢Sx⁢x-12,2⟶dN⁢0,Σ2,2-1⁢Σ2,2=N⁢0,1.
□

Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.