|
Die Regressionsanalyse ist ein statistisches Verfahren zur
Analyse von Daten.
| Inhaltsverzeichnis |
|
1 Erklärung der Regressionsanalyse
2 Deskriptive Regression
3 Einfaches
lineares Regressionsmodell mit Beispiel einer Preis-Absatz-Funktion
3.1 Berechnung der Regressionsgeraden
3.2 Bestimmtheitsmaß
4 Das klassische lineare
Regressionsmodell
4.1 Multiple Regression
4.2 Annahmen des Klassischen linearen
Regressionsmodells
4.3 Schätzung der Regressionskoeffizienten
4.4 Ausgewählte Schätzfunktionen des KLR
4.5 Schätzen und Testen im KLR
4.5.1 Güte des Regressionsmodells
4.5.2 Beitrag der einzelnen Regressoren zur Erklärung von
y
4.5.3 Prognose
4.6 Beispiel zur multiplen Regression
5 Siehe auch
6 Literatur
7 Weblinks
|
Erklärung der Regressionsanalyse
Es wird eine Variable y betrachtet, die von mehreren unabhängigen Variablen bestimmt wird. Ein Beispiel wäre die Abhängigkeit
der Arbeitslosenzahl von den Exporten und dem Inlandskonsum. Mit Hilfe der Regressionsanalyse wird die Struktur der Abhängigkeit
zwischen y und den unabhängigen Variablen untersucht. Die interessierende Variable y wird abhängige Variable
oder Zielvariable und die erklärenden Variablen x werden unabhängige Variablen oder
Regressoren genannt. Es werden allerdings auch immer häufiger die Bezeichnungen
Response-Variable für y und Prediktor-Variablen für x verwendet.
Ein spezielles Verfahren der Regressionsanalyse ist die lineare Regression, bei der angenommen wird, dass ein
interessierendes Merkmal y gut durch eine lineare Kombination anderer Merkmale x erklärt werden kann. Die Gewichtung der
Einflüsse der erklärenden Merkmale wird dabei aus Daten geschätzt.
Betrachtet man den Fall mit nur einer unabhängigen Variablen, so spricht man von linearer Einfachregression, den Fall mit 2
oder mehr unabhängigen Variablen bezeichnet man als multiple lineare Regression und X ist dann als
Vektor aufzufassen.
Bezüglich der theoretischen Fundierung unterscheidet man in der Statistik zwischen
- Deskriptiver Regression. Hier werden die Einflüsse nur analytisch berechnet, auf Rückschlüsse auf die zu Grunde liegende
Grundgesamtheit wird verzichtet.
- Wahrscheinlichkeitstheoretisch basierter Regression. Hier werden Schätzungen eines statistischen Regressionsmodells mit
Schätz- und Testverfahren analysiert.
Deskriptive Regression
Es wird bei der deskriptiven Statistik vor allem auf den numerischen Aspekt der Regression Wert gelegt. Es gibt verschiedene
Verfahren, die Abhängigkeitsstruktur zwischen den x-Werten und y zu ermitteln. Häufig verwendet wird die Methode der kleinsten Quadrate, die in einem
eigenen Artikel ausführlich erklärt wird. Speziell für die Einfachregression gibt es aber auch Ausreißer-resistente Verfahren wie
etwa das Drei-Gruppen-Verfahren.
Ein lineares Regressionsmodell hat den Vorteil, dass es exakt berechnet werden kann, nichtlineare Systeme müssen dagegen meist
näherungsweise gelöst werden. Häufig können diese Regressionsmodelle dann nicht mehr wahrscheinlichkeitstheoretisch analysiert
werden.
Der wahrscheinlichkeitstheoretisch basierten Regressionsanalyse liegen aber immer die numerischen Verfahren der deskriptiven
Regression zu Grunde.
Es soll in diesem Artikel vor allem auf die wahrscheinlichkeitstheoretisch basierte lineare Regression, das so genannte
Klassische lineare Regressionsmodell, eingegangen werden.
Einfaches lineares Regressionsmodell mit Beispiel einer Preis-Absatz-Funktion
Als Einführung in das statistische Modell wird die lineare Einfachregression anhand eines Beispiels dargestellt. Die
eigentliche wahrscheinlichkeitstheoretische Betrachtung folgt im Abschnitt Multiple Regression.
Streudiagramm von Preis und abgesetzter Menge an Sektflaschen
Eine renommierte Sektkellerei möchte einen hochwertigen Rieslingsekt auf den Markt bringen. Für die Festlegung des
Abgabepreises soll zunächst eine Preis-Absatz-Funktion ermittelt werden. Dazu wurde in n = 6 Geschäften ein Testverkauf
durchgeführt. Man erhielt sechs Wertepaare mit dem Ladenpreis x (in Euro) einer Flasche und die verkaufte Menge y an
Flaschen:
| Laden |
i |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
| Preis einer Flasche |
xi |
20 |
16 |
15 |
16 |
13 |
10 |
| verkaufte Menge |
yi |
0 |
3 |
7 |
4 |
6 |
10 |
Berechnung der Regressionsgeraden
Man geht von folgendem statistischen Modell aus:
Man betrachtet zwei Variablen, die vermutlich ungefähr in einem linearen Zusammenhang

stehen. Dabei sind x als unabhängige und y als abhängige Variable definiert. Es existieren von x und y je n Beobachtungen
xi und yi (i = 1, ... , n). Der funktionale Zusammenhang y = f(x) zwischen x und y kann nicht exakt
festgestellt werden, da ? + ?x von einer Störgröße ? überlagert wird, die nichterfaßbare Einflüsse (menschliches Verhalten,
Meßungenauigkeiten uw.) miteinschließt. Es ergibt sich also das Modell
- y = ? + ?x + ? bzw.

Wahre unbekannte und geschätzte Regressionsgerade
Da ? und ?x nicht bekannt sind, kann auch y nicht in die Komponenten ? + ?x und ? zerlegt werden.
Es soll eine mathematische Schätzung für die Parameter ? und ? durch zwei Konstanten a und b gefunden werden, und zwar so, daß
sich ergibt
- yi = a + bxi +
ei
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Gerade zu schätzen. Man könnte eine Gerade so durch den Punkteschwarm legen, daß die
Quadratsumme der Residuen, also der senkrechten Abweichungen ei der Punkte von dieser
Ausgleichsgeraden minimiert wird.
Diese herkömmliche Methode ist die Minimum-Quadrat-Methode oder Methode der kleinsten Quadrate. Man minimiert die summierten Quadrate der Residuen,

bezüglich a und b. Durch partielles Differenzieren und Nullsetzen der Ableitungen erster Ordnung erhält man ein System von
Normalgleichungen.
Die gesuchten Regressionskoeffizienten sind die Lösungen
oder, nach Erweiterung des Bruchs durch
1/n,

und

mit als arithmetischem Mittel der x-Werte,
entsprechend, und sxy als
empirischer Kovarianz zwischen den xiund yi und
sx2 als empirischer Varianz der xi. Man nennt diese
Schätzungen auch Kleinste-Quadrate-Schätzer, KQ- oder OLS-Schätzer.
| Preis einer Flasche |
verkaufte Menge |
xi-
|
yi-
|
|
|
|
|
|
xi
|
yi
|
x*
|
y*
|
x*y*
|
x*x*
|
y*y*
|

|
|
|
20
|
0
|
5
|
-5
|
-25
|
25
|
25
|
0,09
|
|
16
|
3
|
1
|
-2
|
-2
|
1
|
4
|
4,02
|
|
15
|
7
|
0
|
2
|
0
|
0
|
4
|
5,00
|
|
16
|
4
|
1
|
-1
|
-1
|
1
|
1
|
4,02
|
|
13
|
6
|
-2
|
1
|
-2
|
4
|
1
|
6,96
|
|
10
|
10
|
-5
|
5
|
-25
|
25
|
25
|
9,91
|
|
90
|
30
|
0
|
0
|
-55
|
56
|
60
|
30,00
|
Es ergibt sich in dem Beispiel
- a = 19,73 und b = - 0,98.
Die geschätzte Regressionsgerade lautet y = 19,73 - 0,98x, so dass man vermuten
kann, dass bei jedem Euro mehr der Absatz im Durchschnitt um ca. 1 Flasche sinkt.
Bestimmtheitsmaß
Es soll nun noch ein Maß für die Güte des gewählten Regressionsansatzes angegeben werden, das Bestimmtheitsmaß
(Determinationskoeffizient, Bestimmtheitskoeffizient) r2 als das Quadrat des Korrelationskoeffizienten zwischen x und
y. Man kann ihn interpretieren als Anteil der Information von y, die durch x erklärt wird, an der gesamten Information von y. Je
größer r2 ist, desto höher ist der Anteil der durch x erklärten Streuung von y. Daher liegt auch r2
zwischen 0 und 1, wobei r2 = 0 bedeutet, dass x und y unkorreliert sind, und r2 = 1, dass x und y eine
Gerade bilden.
Das klassische lineare Regressionsmodell
Multiple Regression
Die Prinzipien der wahrscheinlichkeitstheoretischen Regressionsanalyse werden für den Fall mit mehreren unabhängigen
Variablen, der sogenannten multiplen Regression, erläutert, denn die formalen Zusammenhänge können so "eleganter" dargestellt
werden.
Es existiert eine Variable y, die linear von mehreren fest vorgegebenen Variablen x abhängt in der Form

wobei ? wieder die Störgröße repräsentiert. ? ist eine Zufallsvariable und daher ist y als lineare Transformation von ? ebenfalls eine Zufallsvariable. Es liegen
für die xj (j = 1, ... ,p) und y je n viele Beobachtungen vor, so dass sich für die Beobachtungen i (i = 1, ..., n)
das Gleichungssystem

ergibt. Als stichprobentheoretischer Ansatz wird jedes Stichprobenelement ?i als eine eigene Zufallsvariable i
interpretiert und ebenso so jedes yi.
Da es sich hier um ein lineares Gleichungssystem handelt, können die Elemente des Systems in Matrix-Schreibweise
zusammengefasst werden. Man erhält die (n×1)-Spaltenvektoren der abhängigen Variablen y und der Störgröße ? als Zufallsvektoren
und den ((p+1)×1)-Spaltenvektor der Regressionskoeffizienten ?j
und
die (n×(p+1))-Datenmatrix
.
Die Einsen in der ersten Spalte dienen als Platzhalter für das Absolutglied ?0. Man nennt eine derartige "Variable"
Dummyvariable.
Der Zufallsvektor ? ist verteilt mit dem Erwartungswertvektor E? und der Kovarianzmatrix ??.
y ist dann verteilt mit dem Erwartungswertvektor ? + ?x + E? und der Kovarianzmatrix ??.
Das Gleichungssystem lässt sich nun erheblich einfacher so darstellen:

Annahmen des Klassischen linearen Regressionsmodells
Damit die Regressionsschätzungen inferentiell analysiert werden können, müssen für das klassische lineare Regressionsmodell
bestimmte Annahmen erfüllt sein:
- Bezüglich der Störgröße ?i
- Der Zufallsvektor ? ist verteilt mit dem Erwartungwertvektor 0 und der Kovarianzmatrix ?? =
??2I.
- Die Zufallsvariablen ?i sind stochastisch unabhängig voneinander.
- Die Datenmatrix X ist fest vorgegeben
- Die Datenmatrix X hat den Rang (p+1).
- In der ersten Annahme haben also alle ?i die gleiche Varianz (Homoskedastie) und sie sind
sämtlich paarweise unkorreliert. Man könnte das so auffassen, dass die Störgröße keinerlei Information enthalten darf und nur
zufällig streut. Deshalb kann auch y nur durch Informationen aus X erklärt werden.
- Die zweite Annahme hält X konstant.
- Die dritte Annahme ist für eine eindeutige Lösung des Regressionsproblems erforderlich.
Schätzung der Regressionskoeffizienten
Auch im multiplen linearen Regressionsmodell wird die Quadratsumme der Residuen nach der Methode der kleinsten Quadrate minimiert. Man
erhält als Lösung (Satz von Gauß-Markow) den Vektor der geschätzten Regressionskoeffizienten
.
Dieser Schätzer ist BLUE (Best Linear Unbiased Estimator), also der beste (erwartungstreu mit kleinster
Varianz) lineare unverzerrte Schätzer. Für die Eigenschaften der Schätzfunktion b muss also keine Verteilungsinformation
der Störgröße vorliegen.
Man erhält mit Hilfe des Minimum-Quadrat-Schätzers b das geschätzte Gleichungssystem

wobei e der Vektor der Residuen ist.
Das Interesse der Analyse liegt vor allem in der Schätzung oder auch Prognose der abhängigen Variablen y für ein gegebenes Tupel von
x0. Die berechnet sich als
.
Ausgewählte Schätzfunktionen des KLR
Die Schätzwerte der yi berechnen sich als

wobei man kürzer

setzen kann. Die (n×n)-Matrix M ist übrigens idempotent und maximal vom Rang p+1. Sie wird auch "Hat-Matrix" genannt,
weil sie y den "Hut" aufsetzt.
Die Residuen werden ermittelt als
,
wobei I-M mit M vergleichbare Eigenschaften hat.
Die Prognose wird
ermittelt als
.
Da X fest vorgegeben ist, kann man alle diese Variablen als lineare Transformation von y und damit von ?
darstellen, und deshalb können auch ihr Erwartungswertvektor und ihre Kovarianzmatrix unproblematisch ermittelt werden.
Die Varianz der Störgröße wird mit Hilfe der Residuen geschätzt, und zwar als mittlere Quadratsumme der
Residuen

Die Quadratsumme RSS ("residual sum of squares") der Residuen ergibt in Matrix-Notation
.
Schätzen und Testen im KLR
Für die inferentielle Regression (Schätzen und Testen) wird noch die Information über die Verteilung der Störgröße gefordert.
Man hat hier eingeführt als zusätzliche Annahme
- 4. Die Störgröße ?i ist normalverteilt.
Zusammen mit Annahme 1 erhält man für die Verteilung des Vektors der Störgröße:
.
Hier sind unkorrelierte Zufallsvariablen auch stochastisch unabhängig.
Da die interessierenden Schätzer zum größten Teil lineare Transformationen von ? sind, sind sie ebenfalls
normalverteilt mit den entsprechenden Parametern.
Die Quadratsumme der Residuen ist als nichtlineare Transformation ?2-verteilt mit n-(p+1) Freiheitsgraden.
Es folgen Verfahren für ausgewählte Schätzer.
Güte des Regressionsmodells
Hat man eine Regression ermittelt, wird man sich wohl als Erstes für die Güte der Regression interessieren. Häufig verwendet
wird als Maß für die Güte das Bestimmtheitsmaß r2. Ist das Bestimmtheitsmaß klein, kann man seine Signifikanz durch
die Hypothese H0: r2 = 0 mit der Prüfgröße

testen. f ist F-verteilt mit p+1 und n-(p+1) Freiheitsgraden. Überschreitet die Prüfgröße bei einem Signifikanzniveau ? den
kritischen Wert F(1-?; p+1; n-(p+1)), das (1-?)-Quantil der F-Verteilung mit p+1 und n-(p+1) Freiheitsgraden, wird H0
abgelehnt. r2 ist dann ausreichendend groß, X trägt also vermutlich genügend viel Information zur Erklärung von y
bei.
Beitrag der einzelnen Regressoren zur Erklärung von y
Man testet hier die Nullhypothese H0: ?j = 0. Der Zufallsvektor b ist als lineare Transformation
von ? verteilt wie
.
Wenn die Varianz der Störgröße schätzt, erhält man für die geschätzte Kovarianzmatrix
.
Die geschätzte Varianz sj2 eines Regressionskoeffizienten bj steht als j-tes Diagonalelement
in der geschätzten Kovarianzmatrix. Es ergibt sich also als Prüfgröße
,
die t-verteilt ist mit n-(p+1) Freiheitsgraden. Ist |t| größer als der kritische Wert t(1-?/2; n-(p+1)), dem (1-?/2)-Quantil
der t-Verteilung mit n-(p+1) Freiheitsgraden, wird die Hypothese abgelehnt, die Steigung bj ist also ausreichend hoch,
der Beitrag des Regressors xj zur Erklärung von y ist signifikant groß.
Prognose
Ermittelt man einen Prognosewert, möchte man möglicherweise wissen, in welchem Intervall sich die prognostizierten Werte mit
einer festgelegten Wahrscheinlichkeit bewegen. Man wird also ein Konfidenzintervall für den durchschnittlichen Prognosewert
Ey0 ermitteln. Es ergibt sich als Varianz der Prognose
.
Man erhält dann als (1-?)-Konfidenzintervall für den durchschnittlichen Prognosewert mit geschätzter Varianz
.
Speziell für den Fall der linearen Einfachregression ergibt das
Speziell aus dieser Form des Konfidenzintervalls erkennt man sofort, dass das Konfidenzintervall breiter wird, wenn die
exogene Prognosevariable x0 sich vom "Zentrum" der Daten entfernt. Schätzungen der endogenen Variablen sollten also im
Beobachtungsraum der Daten liegen, sonst werden sie sehr unzuverlässig. So kann die Schätzung der Arbeitslosenzahl im nächsten
Jahr durchaus eingegrenzt werden, aber eine Schätzung in 20 Jahren wäre sinnlos.
Beispiel zur multiplen Regression
Zur Illustration der multiplen Regression wurde ein Beispiel durchgerechnet. Es wird untersucht, wie
- die abhängige Variable y: Bruttowertschöpfung (in Preisen von 95; bereinigt, Mrd. Euro)
- von den unabhängigen Variablen ?Bruttowertschöpfung nach Wirtschaftsbereichen Deutschland (in jeweiligen Preisen; Mrd.
EUR)?
abhängt.
Matrixstreudiagramm der Regressionsvariablen
| Variable |
Beschreibung der Variablen |
| BWSb95 |
Bruttowertschöpfung in Preisen von 95 (bereinigt) |
| BBLandFF |
Land- und Forstwirtschaft, Fischerei |
| BBProdG |
Produzierendes Gewerbe ohne Baugewerbe |
| BBBau |
Baugewerbe |
| BBHandGV |
Handel, Gastgewerbe und Verkehr |
| BBFinVerm |
Finanzierung, Vermietung und Unternehmensdienstleister |
| BBDienstÖP |
Öffentliche und private Dienstleister |
Die Daten sind im Artikel Regressionsanalyse:Beispiel zur Regressionsanalyse angegeben.
Das Streudiagramm zeigt, dass die gesamte Wertschöpfung offensichtlich mit den Wertschöpfungen der wirtschaftlichen Bereiche
positiv korreliert ist. Auffällig ist, dass die Wertschöpfung im Baugewerbe negativ mit den anderen Sektoren korreliert.
Der Test auf Güte des gesamten Regressionsmodells ergibt eine Prüfgröße von f = 162,911. Die Anpassung ist
also bei einem Signifikanzniveau von 0,05 signifikant gut.
Die Analyse der einzelnen Beiträge der Variablen (Tabelle Coefficients) des Regressionsmodells ergibt bei
einem Signifikanzniveau von 0,05 und einem kritischen Wert der Prüfgröße von 2,2, dass die Variablen BBLandFF und BBFinVerm
offensichtlich die Variable BWSB95 nur unzureichend erklären können. Die Variablen BBHandGV und BBDienstÖP sind gerade noch
signifikant. Besonders stark korreliert ist y mit den Variablen BBProdG und BBBau. Man könnte also die insignifikanten Variablen
aus dem Modell entfernen. Es wäre auch denkbar, die beiden Variablen BBHandGV und BBDienstÖP auf ihren Erklärungswert hin zu
überprüfen.
Es wurde beispielweise für den letzten Datensatz (2. Quartal 2004) eine Prognose gerechnet. Für die x-Werte
5,95, 126,25, 21,2, 92,18, 155,47 und 105,56 ergab sich eine geschätzte Bruttowertschöpfung von y = 461,69 bei einem tatsächlich
gemessenen von 461,15. Es ergab sich ein 95%-Konfidenzintervall von [459,58012; 463,80044] mit einer Breite von 4,22.
Varianzzerlegung der Regression BWS
Ergebnisse der Regression
Siehe auch
Korrelationskoeffizient, Messfehler
Literatur
- Draper, Norman R. und Smith Harry: Applied Regression Analysis, Ort1998
- Opfer, Gerhard: Numerische Mathematik für Anfänger, 2. Auflage, 1994, Vieweg Verlag
- Schönfeld, Peter: Methoden der Ökonometrie, Berlin, Frankfurt, 1969
- Zeidler E. (Hrsg.): Taschenbuch der Mathematik (bekannt als Bronstein und Semendjajew), Stuttgart, Leipzig,
Wiesbaden 2003
Weblinks
- Selbstlernkurs zur Einführung in den Begriff
der Regressionsgeraden (http://www.learn-line.nrw.de/angebote/selma/foyer/projekte/koelnproj3/start.htm)
|