Forecasting and Business Analysis

profileWriter Pro
fbasourdintopic02_handouts.pdf

7/08/13  

1  

Topic  2    

Simple  Regression   Koop  Chapters  4  and  5  

Admin    

•  Assignment  1  to  be  posted  week  3  

•  Due  date    13  September  –  week  7  

•  Assign  1:    Regression  exercise  and  report  

Last  lecture    

•  Maths  and  stats  review   – Data  handling   – Data  descripKon    

•  XY  plots   •  Mean,  Standard  deviaKion  

– CorrelaKon   – Probability  and  probability  distribuKons  

7/08/13  

2  

This  topic  

•  A  discussion  of  the  simple  regression…  

•  ABSOLUTELY  ESSENTIAL  READING:    Koop  Chapters  4  and  5  

  IntroducKon  to  Simple  Regression    

  •  Regression  is  the  most  common  tool  of  the   applied  economist.    

•  Used  to  help  understand  what  factors   (variables)  accountable  for  the  outcome  of   variable  of  interest.    

•  We  begin  with  simple  regression  to   understand  the  relaKonship  between  two   variables,  X  and  Y.    

Imagine  a  “best-­‐fiang”  line…   •  XY-­‐plot  of  populaKon  density  against   deforestaKon  

7/08/13  

3  

  The  Regression  Line  IS     the  Line  of  Best  Fit    

•  The  process  of  (bivariate)  regression  is  the   process  of  fiang  a  line  through  the  points  in   the  XY-­‐plot  that  best  captures  the  relaKonship   between  deforestaKon  and  populaKon   density.    

•  What  do  we  mean  by  “best  fiang”  line?    

  Assumed  Model  Structure    

Assume  a  true  linear  relaKonship  exists  between  Y  and   X:             Example:   Y=  output  of  a  good,  X=  labour  input   α=  ?  (perhaps  0)   β=?  (perhaps  0.8=  marginal  product  of  labour)          

Y = α + βX α = intercept of line β =slope of the line

NOT  the  Line  of  Perfect  Fit   1.  Even  if  the  straight  line  relaKonship  were  true  

on  average,  we  would  never  get  all  points  on  an   XY-­‐plot  lying  precisely  on  it  due  to  the  fact  that   some  of  Y’s  movement  is  not  able  to  be   explained  using  X.    

2.  Also  –  the  true  relaKonship  is  probably  more   complicated;  a  straight  line  is  typically  thought   of  as  an  approximaKon    

3.  Y  or  X  may  be  measured  with  errors.     Due  to  1,  2  and  3,  we  add  an  error  term  to  the   model.    

7/08/13  

4  

  Adding  the  error    

Y  =α  +  βX  +  e     where  e  is  an  error.    

•  What  we  know:  X  and  Y.     •  What  we  do  not  know:  α,  β  and  e.     •  Regression  analysis  uses  data  (X  and  Y)  to  make   an    esKmate,  of  what  α  and  β  are.    

•  NotaKon:                    and                are  the  esKmates  of  α  and       β  that  the  regression  (line-­‐fiang)  process  spits   out.    

α̂ β̂

  Pre-­‐  versus  Post-­‐EsKmaKon  Model    

•  True  regression  model:  

  •  EsKmated  regression  model:            

Y = α + βX + e e = Y −α − βX e = error

Y = α̂ + β̂X + u

u = Y −α̂ − β̂X u = residual

How  do  we  choose            and                ?  

With  more  than     two  points,  it’s     usually  not     possible  to  find     a    line  that  fits     perfectly  through     all  points:    

α̂ β̂

7/08/13  

5  

  EssenKal  CharacterisKc  of  Regression  

(or  “Ordinary  Least  Squares”)    

OLS  regression  chooses  the  line  that   minimizes  the  sum  of  squared  residuals.    

Expressing  the  OLS  esKmator  

We  observe  data  on  two  variables  for  i=1,..,N   individuals.  Each  individual  has  a  Yi  and  an  Xi.       Any  line  we  fit/choice  of                and                  will  yield   residuals  ui.         OLS  esKmator  chooses              and              to  minimise   SSR    

α̂ β̂

Sum of squared residuals = SSR = ui 2∑

α̂ β̂

MathemaKcal  expressions  for  the   bivariate  OLS  esKmators  

SoluKon:       and      

β̂ = Yi −Y( ) Xi − X( )∑

Xi − X( ) 2∑

α̂ = Y − β̂X

7/08/13  

6  

Regression  and  CausaKon  

How  do  you  choose  which  variables  to  use?     •  Ideally,  the  explanatory  variable  should  be  the  one   which  causes/influences  the  other  (dependent)   variable:  so,  X  causes  Y.    

•  If  you  can,  only  esKmate  models  where  this   causality  assumpKon  make  sense.    

•  But,  what  guides  this?        IntuiKon,  reasoning  raKonale,  theory    

Examples  

•  Increases  in  X  (=  populaKon  density)  cause  Y   (=  deforestaKon)  to  increase  (or  vice  versa?   Make  your  argument)    

•  Increasing  X  (=  the  lot  size  of  a  house)  causes  Y   (=  its  value)  to  increase  (or  vice  versa?  Make   your  argument)    

•  Increasing  X  (=  adverKsing  expenditures)   causes  Y  (=  company  sales)  to  increase  (or  vice   versa?  Make  your  argument)    

Causality  (cont.)  

•  In  pracKce,  great  care  must  be  taken  in  interpreKng   regression  results  as  reflecKng  causality.  Why?      –your  assumpAon  that  X  causes  Y  may  be  wrong.      –X  and  Y  may  both  be  caused  by  some  third  factor,    call  it  Z.      –X  may  cause  Y  but  Y  may  also  cause  X  (e.g.    exchange  rates  and  interest  rates).      –the  whole  concept  of  causality  may  be    inappropriate.    

•  Formally,  one  key  quesKon  regression  addresses  is:   “How  much  of  the  variability  in  Y  can  be  explained  by   X?”  (we  will  look  at  this  shortly)    

 

7/08/13  

7  

InterpretaKon  of        

•  EsKmated  value  of  Y  if  X  =  0     •  This  is  ooen  not  of  interest     Example:     •  X  =  lot  size,  Y  =  house  price     •               =  esKmated  value  of  a  house  with  lot  size   =  0    

α̂

α̂

InterpretaKon  of         1.                 is  the  esKmate  of  the  marginal  effect  of  X  on  Y     2.  Using  the  regression  model:    

3.  The  OLS  esKmator  –  the  esKmated  “slope”  –  is  a   measure  of  how  much  Y  tends  to  change  when  you   change  X.    

4.  “If  X  changes  by  1  unit  then  Y  tends  to  change  by      units”,  where  “units”  refers  to  what  the  variables  are    measured  in  (e.g.  $,  $billions,  £,  %,  hectares,  metres,    etc.)    

β̂

β̂

β̂ = dY dX

= ΔY ΔX

β̂

DeforestaKon  example   Development  economists  have  theories  that  imply   that  increasing  populaKon  density  should  increase   deforestaKon.     Thus:     •  Y  =  deforestaKon  (annual  percentage  lost)  =   dependent  variable    

•  X  =  populaKon  density  (people  per  thousand   hectares)  =  explanatory  variable    

•  Using  data  on  N  =  70  tropical  countries  we  find:    

                 =  0.000842    β̂

7/08/13  

8  

InterpretaKon  and  predicKon  

a)  “If  populaKon  density  increases  by  1  person   per  1,000  hectares,  then  the  average   deforestaKon  is  esKmated  (or  expected)  to   increase  by  0.000842  %  per  year”       b)  “If  populaKon  density  increases  by  100   people  per  1,000  hectares,  then  deforestaKon  is   esKmated  to  increase  by  0.0842%  per  year  on   average”    

Basic  evaluaKon  staKsKcs  

•  R-­‐squared     •  F-­‐test     •  Data  evaluaKon     •  t-­‐test      

  R2:  A  Measure  of  Fit    

IntuiKon:     •  “Variability”  =  (e.g.)  how  deforestaKon  rates  vary   across  countries    

Total  variability  in  dependent  variable  Y  =  (1)+(2):     1.  Variability  explained  by  the  explanatory  variable  

(X)  in  the  regression                +    

2.      Variability  that  cannot  be  explained  and  is  leo   over  in  the  residual.    

7/08/13  

9  

Sums  of  squares  

In  mathemaKcal  terms,            TSS  =  RSS  +  SSR    

  where  TSS  =  Total  sum  of  squares  =         Note  similarity  to  formula  for  variance.        

TSS = Yi −Y( ) 2∑

More  sums  of  squares  

•  RSS  =  Regression  sum  of  squares  

•  SSR=  Sum  of  squared  residuals  

 

RSS = Ŷi −Y( )∑ 2

SSR = u2 i=1

N

R-­‐squared  expressed  as  sums  of   squares  

          •  R-­‐squared  is  a  measure  of  fit  (i.e.  how  well   does  the  regression  line  fit  the  data  points  –   meaning  how  closely  X  and  Y  are  related)    

 

 

R2 = 1− SSR TSS

or equivalently: R2 = RSS TSS

since 1− SSR = RSS

7/08/13  

10  

  ProperKes  of  R-­‐squared  

  •  R2=1  means  perfect  fit.  All  data  points  exactly  on  the   regression  line  (i.e.  SSR=0).    

•  R2=  0  means  X  does  not  have  any  explanatory  power   for  Y  whatsoever  (i.e.,  X  has  no  influence  on  Y).    

•  Bigger  values  of  R2  imply  X  has  more  explanatory   power  for  Y.    

•  R2  is  equal  to  (the  correlaKon  between  X  and  Y)   squared  (i.e.  R2=r2xy)    

0 ≤ R2 ≤1

R-­‐squared  example  

•  R2  measures  the  proporKon  of  the  variability  in  Y   that  can  be  explained  by  X.    

Example:     •  In  regression  of  Y  =  deforestaKon  on  X  =  populaKon   density,  we  obtain  R2=0.44    

àWe  can  say  that  “44%  of  the  cross-­‐country   variaKon  in  deforestaKon  rates  can  be  explained  by   the  cross-­‐country  variaKon  in  populaKon  density”    

F  test  of  overall  significance   The  F  test  is  oHen  used  to  measure  the  explanatory  power  of  the   whole  model  (or,  equivalently,  the  significance  of  the  R-­‐ squared).  The  typical  hypotheses  in  this  context  are:     •  H0  :  there  is  no  staKsKcal  significance  on  the  relaKonship  

between  Y  and  X     •  H1  :  there  is  a  staKsKcal  significance  on  relaKonship  between  

Y  and  X     •  The  F  staKsKc  is  calculated  as  the  raKo  of  the  amount  of  

variaKon  in  Y  that  is  explained  by  the  model  to  the  amount  of   variaKon  unexplained,  corrected  for  degrees  of  freedom:    

Fk,n−k−1 = RSS k

SSR n − k −1( )

7/08/13  

11  

DeforestaKon  Excel  output  

Non  lineariKes  

August 13 32

0

5

10

15

20

25

average hourly earnings

0 5 10 15 20 years of education

August 13 33

0

100

200

300

child mortality

0 1000 2000 3000 4000 per capita gnp in 1980

7/08/13  

12  

August 13 34

EsKmates  only!  

As  menKoned,            and              are  es#mates  of  the   true  populaKon  parameters  only     •  But  how  accurate  are  they?     •  The  t-­‐test  allows  us  to  formally  address  this   problem  for  each  variable  separately.    It  is   based  on  the  esKmated  standard  deviaKon  –   or  “standard  error”  –  of              which  is   esKmated,  along  with  the  value  itself,  by  the   regression  process    

α̂ β̂

β̂

Standard  error  of    

        The  s.e.  of  the  esKmated  slope  varies:   –  directly  with  SSR  (the  variability  in  the   residuals)     –  Inversely  with  N     –  Inversely  with  ,                                                which  relates  to   the  variance/variability  of  X      

β̂

se = SSR

n − 2( ) X − X( )2∑

X − X( )2∑

7/08/13  

13  

What  factors  affect  the  accuracy  of  the   esKmate            ?      

Ceteris  paribus,   •  A  large  number  of  observaKons  (more  data   points)  

•  Small  errors  (small  SSR)  

•  A  bigger  spread  of  values  of  the  explanatory   variable  X  (X  has  a  range  of  values)  will   increase  the  accuracy  of  the  esKmate    

 

β̂

β̂

Very  small  sample  size  

Large  sample  size,  large  error  variance  

7/08/13  

14  

Large  sample  size,  small  error  variance  

Limited  range  of  X  values  

DeforestaKon  excel  output  

7/08/13  

15  

Test  of  a  slope  coefficient   The  t-­‐test  in  the  context  of  linear  regression  tests  whether  there  is  a   staKsKcally  significant  linear  relaKonship  between  X  and  Y.     Hypotheses:                                                                   To  perform  the  test,  form  the  following  staKsKc  using  the  esKmated   coefficient  and  standrd  error:          

n-­‐k-­‐1  represents  the  degrees  of  freedom  associated  with  the  test;  when   there  is  one  independent  variable,  k  =  1.    

H0 : β = 0 (No linear relationship) H1 : β ≠ 0 (Linear relationship)

t n−k−1( ) = β̂

se β̂( )

Concept  check  

Test  your  understanding  of  the  t-­‐test  by  doing   the  following:       1.  Calculate  the  t-­‐stat  using  the  standard  error  

of  the  esKmate  and  esKmated  coefficient     2.  Check  that  this  is  equal  to  the  t-­‐stat  reported  

in  excel    

EvaluaKng  the  model  using  the  original   data:  The  issues    

•  How  well  does  the  model  ‘explain’  the  variance  in  the   dependent  variable?      –‘Goodness  of  fit’:  the  closer  the  points  to  the  regression    line,  the  bezer    

•  How  strongly  are  the  independent  variables  related  to  the   dependent  variable?      –Are  the  esKmated  effects  economically  meaningful?      –Are  the  esKmated  effects  staKsKcally  significant?    

•  Determine  whether  the  underlying  assumpKons  of   regression  modelling  have  been  met  (more  on  this  later…)    

•  Determine  robustness  of  the  model  to  outliers  (‘unusual’   observaKons)    

7/08/13  

16  

Confidence  in  our  results    

•  Uncertainty  about  accuracy  of  the  esKmator   can  be  summarised  in  a  “confidence  interval”.  

•  This  will  provide  us  with  some  more   informaKon  about  the  accuracy  of  our  results    

Confidence  Interval  for    

•  Confidence  interval  for            is  given  by:    

Where:                    “criKcal  value”  from  the  t-­‐distribuKon     (note  that  Excel  can  provide  the  value)   And                          is  the  standard  error  of        

β

β̂ − t β̂ × se

β̂( ), β̂ + tβ̂ × seβ̂( )⎡⎣ ⎤⎦ β

t β̂ =

se β̂ = β̂

ConstrucKng  a  Confidence  Interval     •  If  we  want  a  95%  CI  on          ,  we  need  the  s.e.  (provided  in  excel  

output)  and  the  relevant  t-­‐staKsKc*     •  Therefore,  the  CI  on  our  esKmate  is:     Lower  bound:      

 0.000842  –  1.99*0.0001165  =  0.00061      

Upper  bound:      0.000842  +  1.99*0.0001165  =  0.001075          CI  =  [0.00061,  0.001075]  

  InterpretaKon  (informal):  

–  There  is  a  95%  probability  that  the  true  value  of  β  lies  between   0.00061  to  0.001075.    

β

7/08/13  

17  

 

•  OLS  esKmator  has  many  nice  staKsKcal   properKes  if  certain  condiKons  hold.    

•  These  condiKons  known  as  Gauss  Markov   CondiTons    

Y = α + βX + e

The  Gauss-­‐Markov  Assump#ons,  In   Brief    

•  These  necessary  condiKons  are:     – The  linear  model  is  correct     – We've  got  a  random  sample  of  data  from  the   populaKon  whose  behaviour  we're  using  the   model  to  explain    

– There's  some  sample  variance  in  X     – X  and  the  unexplained  part  of  Y  (that  is,  e)  aren't   related    

Why  the  G-­‐M  assump#ons  ma<er    

•  If  any  of  these  condiKons  DON’T  hold,  then   you  can’t  run  the  regression  and  expect  the   OLS  esKmator  to  deliver  parameter  esKmates   that  are  reasonable  guesses  of  the  true   relaKonship  between  Y  and  X  in  the   populaKon  you  care  about.   – Bias  means            is  not  a  true  esKmate  of   – Lack  of  precision:    means                    has  a  large   standard  error  relaKve  to  itself  

β̂ β β̂

7/08/13  

18  

More  on  non-­‐linear  rela#onships  

•  So  far,  we’ve  discussed  esKmaKng  a  LINEAR   regression  of  Y  on  X  and  we  have  seen  briefly   a  lizle  of  non-­‐linearity:  

•  So  let’s  say  you  have  chosen  your  variables   (say  explaining  birth  weight  (Y)  using  mother’s   income  (X))    

•  Now  choose  funcKonal  form    

Y = α + βX + e

Nonlinearity   •  Is  the  relaKonship  linear?     •  We  could  perform  a  regression  of  Y  (or  ln(Y)  or  Y2)  on   X2  (or  1/X  or  ln(X)  or  X3,  etc.)…  and  the  same   esKmaKon  technique  for  the  equaKon’s  parameters   would  hold.    

•  How  will  we  decide?     –  Theory  (would  the  marginal  effect  on  birth  weight  of   income  be  likely  to  be  constant?  ie.  does  $1  of  extra   income  have  the  same  effect  for  an  unemployed  person  as   a  millionaire?)    

–  Graphical  analysis:  What  does  a  plot  of  the  two  variables   look  like?    

Nonlinearity  -­‐  example    

•  e.g:    

•  But  how  might  you  know  if  the  TRUE   relaKonship  between  X  and  Y  is  likely  to  be   nonlinear?    

•  Answer:  Careful  examinaKon  of  X-­‐Y  plots  and/ or  theory.    

Y = α + βX2 + e

7/08/13  

19  

Figure 4.2 A quadratic relationship between X and Y

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 1 2 3 4 5 6

Copyright  ©  2005  John  Wiley  &  Sons,  Ltd  

Choosing  func#onal  form    

•  Common  transformaKons  are:     – Squared  terms     – Taking  natural  logs  (one  side  or  both  sides)  –  implies   elasAciAes,  not  slopes,  are  constant.    

– Note:  Need  values  >  0  to  use  log  models!     •  To  find  the  proper  data  transformaKon,  try  the   following:     – Plot  out  the  data  in  X-­‐Y  space,  as  per  following  slides     – Scan  relevant  theory  for  any  suggesKons    

Figure 4.3 X and Y need to be logged

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 2 4 6 8 10 12 14

Copyright  ©  2005  John  Wiley  &  Sons,  Ltd  

7/08/13  

20  

Figure 4.4 ln(X) versus ln(Y)

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-3 -2 -1 0 1 2 3

Copyright  ©  2005  John  Wiley  &  Sons,  Ltd  

Func#onal  form    

•  So,  data  in  previous  slide  suggest  that  double   log  model  is  ‘correct’  one:    

  •  InterpretaKon  of  results  will  be  different:     •  Eg.  A  coefficient  of  10  implies  a  1%  change  in  X   yields  a  10%  change  in  Y    

 

lnY = α + β lnX + e

Next  topic  

•  More  on  regression   – MulKple  regression   – Dig  deeper:    What  assumpKons  do  we  rely  on  to   get  unbiased  and  efficient  esKmates?