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工具變量法的兩階段LS性質(zhì)在計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)的實(shí)際應(yīng)用中,我們經(jīng)常會(huì)遇到這樣的困惑:當(dāng)解釋變量與誤差項(xiàng)存在相關(guān)性(即內(nèi)生性問(wèn)題)時(shí),普通最小二乘法(OLS)的估計(jì)結(jié)果會(huì)偏離真實(shí)值,就像用一塊有偏差的砝碼稱(chēng)重,結(jié)果再精確也失去了意義。這時(shí)候,工具變量法(InstrumentalVariables,IV)就像一把“校準(zhǔn)尺”,通過(guò)引入與內(nèi)生解釋變量相關(guān)但與誤差項(xiàng)無(wú)關(guān)的工具變量,為我們打開(kāi)了一扇解決內(nèi)生性問(wèn)題的大門(mén)。而兩階段最小二乘法(Two-StageLeastSquares,2SLS)作為工具變量法最常用的實(shí)現(xiàn)方式,其性質(zhì)不僅決定了估計(jì)結(jié)果的可靠性,更是我們理解和應(yīng)用這一方法的核心關(guān)鍵。一、從內(nèi)生性問(wèn)題到工具變量法:理解2SLS的“出場(chǎng)背景”要深入理解2SLS的性質(zhì),首先得回到問(wèn)題的起點(diǎn)——內(nèi)生性問(wèn)題為何會(huì)出現(xiàn),以及工具變量法為何能成為解決方案。1.1內(nèi)生性問(wèn)題:計(jì)量模型的“隱形干擾”在實(shí)證研究中,內(nèi)生性幾乎是最常見(jiàn)的“麻煩制造者”。它的來(lái)源主要有三類(lèi):

第一類(lèi)是遺漏變量偏差。比如研究教育水平對(duì)收入的影響時(shí),個(gè)人能力是一個(gè)關(guān)鍵變量,但往往難以觀測(cè)。如果能力既影響教育水平(能力強(qiáng)的人可能接受更長(zhǎng)時(shí)間教育),又直接影響收入(能力強(qiáng)的人收入更高),那么教育水平就會(huì)與誤差項(xiàng)(包含能力)相關(guān),導(dǎo)致OLS估計(jì)的教育回報(bào)率失真。

第二類(lèi)是測(cè)量誤差。假設(shè)我們用自我報(bào)告的工作時(shí)長(zhǎng)來(lái)研究工作時(shí)間對(duì)健康的影響,但受訪者可能低估或高估實(shí)際時(shí)長(zhǎng),這種測(cè)量誤差會(huì)讓解釋變量與誤差項(xiàng)“糾纏不清”。

第三類(lèi)是雙向因果。例如,企業(yè)研發(fā)投入與利潤(rùn)之間可能存在互為因果的關(guān)系:研發(fā)投入增加可能提升利潤(rùn),而利潤(rùn)增長(zhǎng)又可能反哺研發(fā)投入。此時(shí),研發(fā)投入作為解釋變量會(huì)與誤差項(xiàng)(包含利潤(rùn)的其他影響因素)相關(guān),OLS無(wú)法區(qū)分因果方向。內(nèi)生性的存在會(huì)讓OLS估計(jì)量失去一致性——即使樣本量無(wú)限增大,估計(jì)值也不會(huì)收斂到真實(shí)參數(shù)。這就像在晃動(dòng)的船甲板上瞄準(zhǔn)靶心,無(wú)論練習(xí)多少次,子彈都很難擊中目標(biāo)。1.2工具變量法:用“第三方”切斷內(nèi)生性鏈條工具變量法的核心思想是引入一個(gè)“第三方”變量(工具變量Z),它需要滿足三個(gè)關(guān)鍵條件:

-相關(guān)性:Z與內(nèi)生解釋變量X高度相關(guān)(即Cov(Z,X)≠0)。這就像工具變量是X的“影子”,能準(zhǔn)確捕捉X的變化。

-外生性:Z與誤差項(xiàng)ε不相關(guān)(即Cov(Z,ε)=0)。工具變量必須“干干凈凈”,不參與誤差項(xiàng)中的任何干擾因素。

-排除限制:Z只能通過(guò)X影響被解釋變量Y,沒(méi)有其他直接影響路徑。也就是說(shuō),Z對(duì)Y的因果效應(yīng)完全通過(guò)X傳遞,這是識(shí)別因果關(guān)系的關(guān)鍵假設(shè)。舉個(gè)通俗的例子:假設(shè)我們要研究“是否上大學(xué)”(X)對(duì)“未來(lái)收入”(Y)的影響,而“是否上大學(xué)”可能受家庭經(jīng)濟(jì)條件(未觀測(cè)的遺漏變量)影響,存在內(nèi)生性。這時(shí)可以找“高中附近是否有大學(xué)”(Z)作為工具變量——附近有大學(xué)的學(xué)生上大學(xué)的概率更高(滿足相關(guān)性),而高中位置與個(gè)人能力、家庭背景等誤差項(xiàng)因素?zé)o關(guān)(滿足外生性),且高中位置不會(huì)直接影響未來(lái)收入(滿足排除限制)。通過(guò)Z,我們就能分離出X中與ε無(wú)關(guān)的部分,進(jìn)而估計(jì)X對(duì)Y的真實(shí)影響。1.3兩階段LS:工具變量法的“標(biāo)準(zhǔn)操作”工具變量法有多種實(shí)現(xiàn)方式,其中兩階段最小二乘法(2SLS)因其操作直觀、結(jié)果易于解釋?zhuān)蔀閼?yīng)用最廣泛的方法。從名字就能看出,它分為兩個(gè)階段完成估計(jì):第一階段:用工具變量Z對(duì)內(nèi)生解釋變量X進(jìn)行回歸,得到X的擬合值()。

具體來(lái)說(shuō),假設(shè)模型為(X=_0+_1Z+v)(v為第一階段誤差項(xiàng)),通過(guò)OLS估計(jì)得到(),進(jìn)而計(jì)算(=_0+_1Z)。這一步的本質(zhì)是“提純”——把X中與Z相關(guān)(因此與ε無(wú)關(guān))的部分提取出來(lái),剔除掉與ε相關(guān)的部分(即v中的內(nèi)生部分)。第二階段:用()替代原模型中的X,對(duì)Y進(jìn)行OLS回歸。

原模型為(Y=_0+_1X+),替換后得到(Y=_0+1+),再次用OLS估計(jì)得到({2SLS})。這一步相當(dāng)于用“干凈”的()來(lái)估計(jì)X對(duì)Y的影響,避免了內(nèi)生性干擾。需要注意的是,雖然2SLS分兩步進(jìn)行,但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)它是一個(gè)“整體”估計(jì)方法。第二階段的誤差項(xiàng)與第一階段的擬合值相關(guān),直接分兩步計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)誤會(huì)有偏差(實(shí)際應(yīng)用中需用2SLS專(zhuān)用的方差估計(jì)),這也是理解其性質(zhì)的重要切入點(diǎn)。二、2SLS的核心性質(zhì):從一致性到有限樣本表現(xiàn)2SLS之所以被廣泛使用,關(guān)鍵在于它在滿足工具變量條件時(shí)具有良好的大樣本性質(zhì),同時(shí)在有限樣本中也有可預(yù)測(cè)的表現(xiàn)。我們逐一分析其核心性質(zhì)。2.1一致性:大樣本下的“可靠錨點(diǎn)”一致性是計(jì)量估計(jì)量最重要的性質(zhì)之一——它保證了隨著樣本量增大,估計(jì)值會(huì)無(wú)限接近真實(shí)參數(shù)。對(duì)于2SLS來(lái)說(shuō),其一致性的成立依賴于工具變量的兩個(gè)關(guān)鍵條件:相關(guān)性和外生性。從數(shù)學(xué)推導(dǎo)來(lái)看,2SLS估計(jì)量({2SLS})可以表示為:

[{2SLS}=(’)^{-1}’Y]

其中()是第一階段回歸的擬合值。由于()是Z的線性組合((=Z(Z’Z)^{-1}Z’X)),可以進(jìn)一步推導(dǎo)出:

[_{2SLS}=(X’Z(Z’Z)^{-1}Z’X)^{-1}X’Z(Z’Z)^{-1}Z’Y]當(dāng)樣本量n趨近于無(wú)窮大時(shí),根據(jù)大數(shù)定律,(Z’X)收斂到Cov(Z,X)(相關(guān)性條件保證其不為零矩陣),(Z’)收斂到Cov(Z,ε)(外生性條件保證其為零向量)。因此:

[plim_{2SLS}=+(Cov(Z,X))^{-1}Cov(Z,)=]

這說(shuō)明在工具變量滿足相關(guān)性和外生性時(shí),2SLS估計(jì)量是一致的。對(duì)比OLS估計(jì)量(_{OLS}=(X’X)^{-1}X’Y),其概率極限為(+(Cov(X,X))^{-1}Cov(X,))。由于內(nèi)生性導(dǎo)致Cov(X,ε)≠0,OLS估計(jì)量不一致。2SLS通過(guò)引入工具變量Z,將“問(wèn)題”的X替換為與ε無(wú)關(guān)的(),成功切斷了內(nèi)生性鏈條,從而保證了一致性。我在實(shí)際項(xiàng)目中曾遇到這樣的案例:某團(tuán)隊(duì)用OLS估計(jì)“企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型”對(duì)“全要素生產(chǎn)率”的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)系數(shù)顯著為正,但加入工具變量(如行業(yè)數(shù)字化政策沖擊)后,2SLS估計(jì)的系數(shù)明顯更大。這正是因?yàn)镺LS低估了真實(shí)效應(yīng)——企業(yè)可能因自身效率高而更積極轉(zhuǎn)型(雙向因果),導(dǎo)致X與ε正相關(guān),OLS系數(shù)被“拉低”;而2SLS通過(guò)政策沖擊這一外生工具,分離出轉(zhuǎn)型決策中與效率無(wú)關(guān)的部分,得到了更可靠的估計(jì)。2.2漸近正態(tài)性:假設(shè)檢驗(yàn)的“概率基石”在大樣本下,2SLS估計(jì)量不僅具有一致性,還服從漸近正態(tài)分布,這為我們進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)(如t檢驗(yàn)、F檢驗(yàn))提供了理論依據(jù)。具體來(lái)說(shuō),當(dāng)n→∞時(shí),((_{2SLS}-))漸近服從正態(tài)分布,均值為0,方差為:

[=^2(Cov(Z,X)Var(Z)^{-1}Cov(X,Z))^{-1}]

其中(^2)是原模型誤差項(xiàng)ε的方差。這一性質(zhì)的意義在于,即使我們無(wú)法觀測(cè)到真實(shí)參數(shù)β,也可以通過(guò)樣本數(shù)據(jù)估計(jì)方差,構(gòu)造置信區(qū)間和檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量。例如,實(shí)際應(yīng)用中常用的t統(tǒng)計(jì)量(t=),其漸近分布為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,這讓我們能夠判斷估計(jì)結(jié)果是否統(tǒng)計(jì)顯著。需要注意的是,漸近正態(tài)性成立的前提是工具變量的相關(guān)性足夠強(qiáng)(即“強(qiáng)工具變量”)。如果工具變量與X的相關(guān)性很弱(弱工具變量),漸近分布可能不再是正態(tài)的,估計(jì)量的偏差會(huì)增大,甚至出現(xiàn)“發(fā)散”現(xiàn)象(后面會(huì)詳細(xì)討論)。2.3有效性:在IV估計(jì)量中的“最優(yōu)位置”在工具變量法的框架下,2SLS實(shí)際上是廣義矩估計(jì)(GMM)的一個(gè)特例。當(dāng)誤差項(xiàng)同方差且工具變量外生時(shí),2SLS是有效IV估計(jì)量——即在所有滿足線性條件的IV估計(jì)量中,2SLS的漸近方差最小。假設(shè)我們有多個(gè)工具變量(Z=(Z_1,Z_2,…,Z_k)),此時(shí)第一階段回歸會(huì)包含所有Z變量,得到()作為這些Z的線性組合。第二階段回歸使用(),相當(dāng)于用Z的線性組合作為工具變量,這實(shí)際上是GMM在同方差下的最優(yōu)權(quán)重選擇(權(quán)重矩陣為((Z’Z)^{-1}))。因此,2SLS在這種情況下達(dá)到了Cramér-Rao下界,是漸近有效的。舉個(gè)例子:如果我們有兩個(gè)工具變量Z1和Z2,且都滿足外生性,那么使用兩個(gè)工具變量的2SLS會(huì)比僅使用Z1或Z2的IV估計(jì)更有效(漸近方差更小)。這是因?yàn)槎喙ぞ咦兞刻峁┝烁嚓P(guān)于X的信息,減少了估計(jì)的不確定性。當(dāng)然,這要求工具變量之間不存在嚴(yán)重的多重共線性,否則會(huì)導(dǎo)致第一階段回歸的精度下降,反而可能降低有效性。2.4有限樣本性質(zhì):理想與現(xiàn)實(shí)的“差距”盡管2SLS在大樣本下表現(xiàn)優(yōu)異,但在實(shí)際研究中,我們通常只能使用有限樣本數(shù)據(jù),這時(shí)2SLS的表現(xiàn)可能與理論存在偏差。2.4.1偏差:弱工具變量的“致命影響”2SLS估計(jì)量在有限樣本中是有偏的,且偏差的大小與工具變量的強(qiáng)度密切相關(guān)。工具變量越弱(即與X的相關(guān)性越弱),偏差越大。從直觀上理解,第一階段回歸中,弱工具變量無(wú)法準(zhǔn)確捕捉X的變化,導(dǎo)致()與真實(shí)X的差距較大。第二階段回歸中,用這樣的()代替X,相當(dāng)于引入了“測(cè)量誤差”,而測(cè)量誤差在回歸中會(huì)導(dǎo)致系數(shù)估計(jì)向零偏誤(attenuationbias)。更糟糕的是,當(dāng)工具變量非常弱時(shí),2SLS的偏差可能比OLS更大——就像用一把不準(zhǔn)的尺子校準(zhǔn)另一把不準(zhǔn)的尺子,結(jié)果可能更糟。Bound、Jaeger和Baker(經(jīng)典研究)曾用“季度出生”作為教育年限的工具變量(美國(guó)法律規(guī)定年滿6歲才能入學(xué),因此四季度出生的孩子入學(xué)時(shí)年齡更小,可能接受更少教育),發(fā)現(xiàn)當(dāng)工具變量較弱時(shí)(如僅用一個(gè)季度變量),2SLS估計(jì)的教育回報(bào)率偏差極大;而使用多個(gè)季度變量(增強(qiáng)工具變量強(qiáng)度)后,偏差顯著減小。這說(shuō)明工具變量的強(qiáng)度直接關(guān)系到2SLS在有限樣本中的可靠性。2.4.2方差:多工具變量的“雙刃劍”使用更多工具變量(過(guò)度識(shí)別)可以提高2SLS的漸近有效性,但在有限樣本中,過(guò)多的工具變量可能導(dǎo)致方差增大,甚至出現(xiàn)“過(guò)擬合”問(wèn)題。第一階段回歸中,加入更多工具變量會(huì)讓()更接近X的真實(shí)值(因?yàn)槔昧烁嘈畔ⅲ?,但同時(shí)也會(huì)讓()的方差增大(因?yàn)楣烙?jì)的參數(shù)更多,抽樣誤差累積)。第二階段回歸中,()的方差增大會(huì)傳遞到(_{2SLS})的方差上,導(dǎo)致估計(jì)結(jié)果不穩(wěn)定。例如,假設(shè)我們有100個(gè)工具變量,但其中大部分與X的相關(guān)性很弱,第一階段回歸的(R^2)可能很高(因?yàn)樽兞慷啵?,但每個(gè)工具變量的系數(shù)估計(jì)誤差很大,導(dǎo)致()的波動(dòng)加劇。此時(shí),2SLS的方差可能反而比使用少量強(qiáng)工具變量時(shí)更大,這就是所謂的“多工具變量陷阱”。2.4.3推斷可靠性:t檢驗(yàn)的“失真風(fēng)險(xiǎn)”在有限樣本中,即使工具變量滿足外生性,2SLS的t統(tǒng)計(jì)量也可能偏離標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,導(dǎo)致假設(shè)檢驗(yàn)的p值不可靠。尤其是當(dāng)工具變量較弱或樣本量較小時(shí),t統(tǒng)計(jì)量可能出現(xiàn)“肥尾”現(xiàn)象(尾部概率更高),使得我們更容易錯(cuò)誤地拒絕原假設(shè)(第一類(lèi)錯(cuò)誤增加)。例如,在樣本量n=100、工具變量與X的相關(guān)系數(shù)僅為0.1(弱工具)的情況下,2SLS的t統(tǒng)計(jì)量可能有20%的概率超過(guò)1.96(標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布下應(yīng)為5%),導(dǎo)致虛假的顯著性結(jié)論。這也是為什么實(shí)際研究中強(qiáng)調(diào)“強(qiáng)工具變量”的重要性——只有工具變量足夠強(qiáng),有限樣本下的推斷才更可靠。三、2SLS的應(yīng)用場(chǎng)景與注意事項(xiàng):從理論到實(shí)踐的“橋梁”理解2SLS的性質(zhì)后,我們需要將其應(yīng)用到實(shí)際研究中。這部分結(jié)合常見(jiàn)場(chǎng)景,總結(jié)應(yīng)用中的關(guān)鍵要點(diǎn)和潛在陷阱。3.1典型應(yīng)用場(chǎng)景:內(nèi)生性問(wèn)題的“高發(fā)區(qū)”2SLS在以下場(chǎng)景中尤為適用:遺漏變量偏差:當(dāng)關(guān)鍵解釋變量受未觀測(cè)變量影響時(shí),如教育對(duì)收入的影響(未觀測(cè)能力)、企業(yè)創(chuàng)新對(duì)績(jī)效的影響(未觀測(cè)管理能力)。此時(shí)需要尋找與解釋變量相關(guān)但與未觀測(cè)變量無(wú)關(guān)的工具變量,如“距離大學(xué)的遠(yuǎn)近”(教育的工具變量)、“行業(yè)技術(shù)沖擊”(企業(yè)創(chuàng)新的工具變量)。雙向因果:當(dāng)解釋變量與被解釋變量互為因果時(shí),如政府支出與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)(增長(zhǎng)可能反推支出增加)、廣告投入與銷(xiāo)售額(銷(xiāo)售額增長(zhǎng)可能增加廣告預(yù)算)。此時(shí)工具變量需與解釋變量相關(guān),但由外生因素決定,如“政府換屆周期”(政府支出的工具變量)、“競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的廣告投入”(企業(yè)廣告的工具變量,假設(shè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手決策獨(dú)立于自身銷(xiāo)售額)。測(cè)量誤差:當(dāng)解釋變量存在測(cè)量誤差時(shí),如家庭消費(fèi)數(shù)據(jù)(受訪者可能低估)、企業(yè)研發(fā)支出(部分項(xiàng)目未披露)。此時(shí)工具變量需與真實(shí)解釋變量相關(guān),但不受測(cè)量誤差影響,如“家庭銀行流水”(消費(fèi)的工具變量)、“專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量”(研發(fā)支出的工具變量)。我曾參與的一項(xiàng)關(guān)于“數(shù)字金融使用對(duì)農(nóng)戶收入”的研究中,就面臨內(nèi)生性問(wèn)題:農(nóng)戶收入高可能更傾向于使用數(shù)字金融(雙向因果),且存在未觀測(cè)的“金融素養(yǎng)”(遺漏變量)。我們選擇“村域內(nèi)數(shù)字金融服務(wù)點(diǎn)的數(shù)量”作為工具變量——服務(wù)點(diǎn)數(shù)量由政府早期規(guī)劃決定(外生性),且與農(nóng)戶使用數(shù)字金融的概率高度相關(guān)(相關(guān)性),成功通過(guò)2SLS估計(jì)出數(shù)字金融對(duì)收入的真實(shí)促進(jìn)作用。3.2關(guān)鍵注意事項(xiàng):避免“誤用”的“防護(hù)網(wǎng)”要確保2SLS的估計(jì)結(jié)果可信,需重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn):3.2.1工具變量的強(qiáng)度檢驗(yàn):F統(tǒng)計(jì)量的“警戒線”工具變量的強(qiáng)度直接影響2SLS的有限樣本性質(zhì)。判斷工具變量是否足夠強(qiáng),最常用的方法是第一階段回歸的F統(tǒng)計(jì)量。經(jīng)驗(yàn)法則是:當(dāng)?shù)谝浑A段F統(tǒng)計(jì)量大于10時(shí),工具變量強(qiáng)度足夠;若小于10,則可能存在弱工具變量問(wèn)題。需要注意的是,當(dāng)有多個(gè)工具變量時(shí),應(yīng)使用“聯(lián)合F統(tǒng)計(jì)量”(檢驗(yàn)所有工具變量的系數(shù)是否同時(shí)為零),而不是單個(gè)工具變量的t統(tǒng)計(jì)量。例如,若有3個(gè)工具變量,第一階段回歸的F統(tǒng)計(jì)量應(yīng)檢驗(yàn)這3個(gè)變量的系數(shù)是否全為零,若F>10,說(shuō)明至少有一個(gè)工具變量與X高度相關(guān)。3.2.2外生性檢驗(yàn):過(guò)度識(shí)別的“試金石”當(dāng)工具變量數(shù)量多于內(nèi)生解釋變量數(shù)量(過(guò)度識(shí)別)時(shí),我們可以通過(guò)Sargan檢驗(yàn)或HansenJ檢驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證工具變量的外生性。檢驗(yàn)的基本思想是:如果工具變量外生,那么它們與誤差項(xiàng)的線性組合應(yīng)不相關(guān)。具體來(lái)說(shuō),用2SLS估計(jì)得到殘差(),計(jì)算()對(duì)工具變量Z的回歸的(R^2),構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量(nR^2)(Sargan統(tǒng)計(jì)量),其漸近分布為卡方分布(自由度為工具變量數(shù)減內(nèi)生解釋變量數(shù))。若p值大于0.1,通常認(rèn)為工具變量外生性假設(shè)成立。需要強(qiáng)調(diào)的是,過(guò)度識(shí)別檢驗(yàn)只能檢驗(yàn)“至少有一個(gè)工具變量外生”,無(wú)法檢驗(yàn)所有工具變量都外生(即“恰好識(shí)別”時(shí)無(wú)法檢驗(yàn))。因此,工具變量的外生性更多依賴于經(jīng)濟(jì)理論和邏輯論證,統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)只是輔助手段。3.2.3弱工具變量的應(yīng)對(duì):從估計(jì)方法到穩(wěn)健性檢驗(yàn)如果發(fā)現(xiàn)工具變量較弱(F統(tǒng)計(jì)量<10),可以采取以下措施:

-尋找更強(qiáng)的工具變量:通過(guò)理論分析或數(shù)據(jù)挖掘,尋找與X相關(guān)性更高的外生變量。例如,在教育研究中,“父母教育水平”可能比“季度出生”與受教育年限的相關(guān)性更強(qiáng)(需確保外生性)。

-使用有限信息極大似然估計(jì)(LIML):LIML在弱工具變量下的有限樣本偏差比2SLS更小,尤其當(dāng)工具變量較弱時(shí),LIML的表現(xiàn)更穩(wěn)健。

-報(bào)告Anderson-Rubin檢驗(yàn):該檢驗(yàn)直接對(duì)原假設(shè)(=_0)進(jìn)行檢驗(yàn),不依賴工具變量的強(qiáng)度,在弱工具下仍保持正確的顯著性水平。3.2.4多內(nèi)生變量的處理:2SLS的“擴(kuò)展版本”當(dāng)模型中存在多個(gè)內(nèi)生解釋變量(如(X_1,X_2)都與ε相關(guān))時(shí),2SLS需要為每個(gè)內(nèi)生變量找到至少一個(gè)工具變量(工具變量總數(shù)≥內(nèi)生變量數(shù))。第一階段回歸中,

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