多重共线性问题

二元回归下的一个视觉化解释

多重共线性
案例
作者

胡华平

发布于

2022年10月9日

修改于

2024年9月11日

摘要
介绍了多重共线性教学中的视觉化解释及其代码实现过程。

1 多重共线性的理论后果

后果1:估计精度大大下降

后果2:t检验倾向于不显著

后果3:F检验和t检验不一致

后果4:OLS估计对观测样本敏感

2 数据集

2.1 数据生成机制

模拟的“真实”变量关系为:

\[ \begin{aligned} Y_i&=0.2 X_{1 i}+0.2 X_{2 i}+u_i \\ u_i &\sim N(0, 7^2) \end{aligned} \]

(1)相关系数为\(\rho_{(X_{1},X_2)}=0\)的情形

(2)相关系数\(\rho_{(X_{1},X_2)}=0.9\)的情形

对以上两种情形,我们分别生成如下样本数据集\(\{Y_i, X_{1i}, X_{2i}\}\):

  • 样本容量:\(n =100\)

  • 样本份数:\(sample =10\)

最后我们会利用样本数据,分别对两类情形进行多次的OLS回归,并得到回归结果:

  • 相关系数为0时:

\[ \begin{aligned} Y_i = \hat{\alpha}_0+\hat{\alpha}_1 X_{1 i}+\hat{\alpha}_2 X_{2 i} +e_{1i} \end{aligned} \]

  • 相关系数为0.9时:

\[ \begin{aligned} Y_i = \hat{\beta}_0+\hat{\beta}_1 X_{1 i}+\hat{\beta}_2 X_{2 i} +e_{2i} \end{aligned} \]

2.2 数据集展示

图 1: 数据集a:自变量无相关
图 2: 数据集b:自变量相关

3 拟合展示

图 3: a:自变量无相关
图 4: 数据集b:自变量相关

4 Paul Johnson教授

提示

我们这里关于多重共线性视觉化的展示源自Paul Johnson教授的课程资料。我曾在2014年就注意到他的这个富有教学意义的展示,并在此基础上做了部分代码改动。

Paul Johnson曾长期在堪萨斯大学担任政治学教授。后来逐步转型为数据科学家,并在私人企业积极探索新的数据分析领域和技术工具。他的个人主页是https://pj.freefaculty.org/。

Paul E. Johnson的多重共线性视觉化的展示在线资源”Stat Writeups”:Regression/Multicollinearity。

交互式课堂版本已经写成 RevealJS 幻灯片:渲染时用 R 生成固定的三档相关系数和 10 份样本,页面里用 plotly 旋转点云、播放抬升,并切换样本与拟合结果。见 多重共线性互动幻灯片。下面仍保留 Johnson 原来的 gif,作为静态记录。

以下为Paul E. Johnson早在2014年完成的最初三维动画演示:

4.1 无多重共线性

图 5: 自变量无相关

4.2 高度多重共线性

图 6: 自变量高度相关