第34卷第2期 2017年2月 统计研究 Statistical Research V0I.34.N 0.2 Feb.2017 固定效应部分线性单指数面板 模型的惩罚分位数回归 丁飞鹏 内容提要:分位数回归是均值回归的有益补充,该方法毋须对分布函数的具体形式做出假设,且对 具有异常值或厚尾分布的数据仍具有稳健性。当前,对部分线性单指数面板模型估计方法的研究主要 集中于均值回归,基于此,本文考虑了固定效应部分线性单指数面板分位数回归模型,结合B一样条函 数、SCAD惩罚函数和迭代加权最小二乘法,构建了模型的估计方法,证明了估计方法的一致性和渐近正 态性,同时利用Monte Carlo模拟评价了所述方法在有限样本下的表现。最后,将估计方法应用于分析 碳排放的影响因素。 关键词:分位数回归;部分线性单指数面板模型;样条函数 DOI:10.19343/j.cnki.1 l一1302/c.2017.02.010 中图分类号:C81 文献标识码:A 文章编号:1002—4565(2017)02—0101—09 Penalized Quantile Regression for Partially Linear Single Index Panel Models with Fixed E仃ect Ding Feipeng Abstract:Quantile regression is a useful supplement to mean regression.The method needn’t assume specification of distribution and is robust to outlie or heavy tail distibutrion of data.Most previous studies on partially linear single index models concentrated on mean regression.Based on this,this paper investigated quantile regression of partially linear single index panel models with fixed effect.We estimated the model based on the combination of B spline function,SCAD penalized function and reweighted least squares algorithm,and proved the consistence and asymptotic normality of estimators.Also,we evaluated the finite sample performance of the proposed method via Monte Carlo simulation.Furthermore,the proposed method is illustrated in factor analysis of carbon emissions. Key words:Quantile Regression;Partially Linear Single Index Panel Models;Spline Function 一、引言 半参数模型既保留了非参数模型的优点,又增加了模型的解释力,因而被广泛应用于实际问题 的分析中,Fan和Gijbels(1996)Eli、Gao(2007) 及Li和Racine(2007) 等对该类模型均有较详 细的介绍。半参数模型最大的不足是无法说明个体之间的异质性,为此,众多学者建立了半参数面 板数据模型以弥补上述不足。目前,关于半参数面板模型的估计方法已较为丰富,Lin和Ying (2001) 将最小二乘法用于估计变系数纵向数据①模型,并证明了所得估计为一致且渐近正态的; ①本文将面板数据与纵向数据视为同一类数据。 ・102・ 统计研究 2017年2月 Su和Ullah(2006) 将截面似然估计法应用于半参数部分线性面板模型的估计中;与前述作者不 同,Li等(2008) 则采用广义经验似然估计法估计了个体内存在相关性的半参数纵向数据模型; Qian和Wang(2012) 利用边际积分法估计了部分线性半参数面板模型;Chen等(2013)[8 3则将 RMAVE(Refine Minimum Average Variance Estimation)估计法拓展至半参数面板模型中,构建了 SMAVE(Semiparametric Minimum Average Variance Estimation)估计法,并应用于固定效应部分线性 单指数面板模型的估计中。 上述估计方法均为基于均值的回归估计,其缺点为:一是估计不够稳健,当数据存在异常点时, 估计精度将受到较大影响;二是只能考察协变量在均值附近对因变量的影响,而在其他位置的影响 则无法分析,这极大地了模型的应用。为此,统计和计量学家建立了分位数回归方法以克服上 述不足。随着对分位数回归方法研究的深入,各种半参数分位数回归模型及估计方法相继建立。 Fan等(1994) 发现当边际密度函数或回归函数存在较大阶的导数时,对局部常数核估计法有不 利影响,并对此进行了改进,提出了局部线性核估计方法,该方法适用于分位数回归和稳健回归模 型。研究显示,提供的估计在边界和内点处均具有合理的抽样性质,因此,他们的估计不必在边界 进行修改。wu等(2010)¨。。将局部线性核估计法应用于单指数分位数回归分析中,研究了估计量 的大样本性质,并通过Monte Carlo模拟和真实数据的应用对模型及估计方法进行了展现。Zhao等 (2013)¨1]则研究了变系数分位数回归模型及其变量选择问题,结合局部多项式平滑和适应群 Lasso惩罚,他们提供了该模型的变量选择程序,建立了变量选择的一致性和估计的神谕性质。 Monte Carlo模拟研究表明,无论误差分布的形式如何,他们建立的方法是稳健且有效的。Lv等 (2015) 12]将RMAVE估计方法拓展至分位数回归模型中,建立了MACLE(Minimizing Average Check Loss Estimation)估计法,并应用于部分线性单指数模型的估计及模型选择中,建立了估计量 的渐近正态性。Monte Carlo模拟研究和实际数据分析表明,他们提供的方法表现出色。 类似于均值回归模型,上述半参数分位数回归模型同样缺乏考虑个体问的异质性,在实际应用 中可能得到谬误的估计结果,为克服该不足,大量的半参数面板分位数回归模型及其估计方法被构 建。He等(2002)¨ 将数据的M类半参数模型拓展到了纵向数据模型中,使得所有的均值回 归和分位数回归均为该模型的特殊情形,他们用样条函数近似非参数部分,在误差结构未知下,得 到了一致的模型估计及有效的样本推断。Wei和He(2006) J4]研究了半参数无规则度量的纵向数 据分位数回归模型和稳健估计模型,为分析条件增长图表提供了强有力的工具。此外,他们为大样 本推断提供了秩计分检验,并为纵向增长数据建立了一种新的模型评价方法。类似于Wei和He (2006)的研究方法,Wang等(2009) 为部分线性变系数纵向数据模型建立了简单易行的估计方 法和秩计分检验,证明了所得估计的渐近性质,同时用Monte Carlo模拟评估了估计方法在有限样 本下的表现,最后通过分析AIDS数据展示了估计方法的应用价值。在Wang等(2009)的基础上, Tang等(2013) 钊进一步为变系数纵向数据分位数模型构建了一种新的变量选择程序,证明了所 得的惩罚估计在变量选择中是一致的,估计的变系数在非参数估计中具有最优的收敛率。Wang和 Lin(2014) 17]则考虑了更为一般的半参数纵向数据加权M类回归估计模型及其变量选择程序,均 值回归、中位数回归、分位数回归和稳健均值回归均为其特殊情形,建立了估计量的渐近性质,进一 步,用模拟研究证实了他们方法和理论的优越性。 从上述文献可以发现,目前对半参数面板分位数回归模型的研究主要集中于部分线性面板模 型和变系数面板模型,鲜有研究涉及部分线性单指数面板模型。事实上,部分线性单指数面板模型 既有较强的灵活性和模型解释力,又可以避免“维数诅咒”,在医药学、经济学及金融学等众多领域 具有广泛应用。基于此,本文研究了固定效应部分线性单指数面板模型的分位数回归估计:一是考 第34卷第2期 丁飞鹏:固定效应部分线性单指数面板模型的惩罚分位数回归 ・103・ 虑了部分线性单指数面板分位数回归模型,并构建了相应的估计方法;二是证明了所构建估计方 法的一致性和渐近正态性。 二、模型及其估计方法 作为均值回归模型的扩展,在分位数tr处的部分线性单指数面板分位数回归模型的数学形 式为: Y = 卢(r)+叼(z 0(r))+Ol (r)+e ( ) (1) 其中,Y 为因变量; 为d维线性部分协变量;z 为P维非线性部分协变量; (丁)=(卢。( ), …, (r)) 为未知线性部分参数向量;77(・)为未知一元连接函数; (丁)=(0 ( ),…, (7-)) 为 Ⅳ 未知非线性部分参数向量,满足l 1 0(r)l I=1,0 (tr)>0,I 1.1I表示向量的模; ( )为个体i的 未知固定效应,满足∑Oli( )=0;e ( )为随机误差项且eit(tr)的第 个条件分位数为0;i=1, E l …,N,t=1,…, 。 为简便起见,将模型(1)中 ( )、0(丁)、Ol ( )和e ( )中的丁省略,并令OL=( ,…,OL ),D= [一1 , 一 ] o 1 ,1 为元素全为1的Ⅳ维向量,,Ⅳ一 为Ⅳ一1阶单位矩阵,D 为由 的第i’t行 元素组成的向量。于是,模型(1)可写为: Y =Xli ̄+'7( n0)+D Ol+e t(2) 为了估计模型,首先用B一样条函数近似一元连接函数: 叼(t) 7r (t) (3) 其中,7r(t)=[7r (t),…,7r (t)] ,7r (・)为B一样条函数,z=1,…,q; 为g维样条函数系 数向量。这样,模型(2)可近似表示成: Y“= +7r ( n0) +D nOL+en (4) 在均值回归中,通常是通过转换数据,消除个体效应,再估计各参数值。然而在分位数回归中, 这种方法不可行,所有参数必须同时估计(Koenker,2004) 引。为此,记@=(卢 ,0 , ,OL ) ,定义 的目标函数为: N Q(0)=∑∑P (y 0。=argmin{Q(0)} 一7r ( ) —D ) (5) (6) 其中,P (IX)=u(r一,(“<0)),,(・)为示性函数。于是参数向量0的分位数估计为: 由于用样条函数近似连接函数会引起过度参数化现象,造成估计不平滑且方差过大。为此,本 文借鉴Tang等(2013) 、Wang和Lin(2014) 等人的做法,在目标函数中加入惩罚项,构造惩罚 分位数估计。于是目标函数变为: Ⅳ r d P Qp(0)=∑∑P (y Xtit ̄一7r ( ) —D PitO1)+∑PAl,N(I )+∑PAl,N(1 0 I) q +∑PAz,N(I 1) 1,2,1.1为绝对值符号。因此可得参数向量0的惩罚分位数估计: 0=argmin{Q。(@)} (7) 其中,P (・)为SCAD惩罚函数,其数学形式参见Fan和Li(2001)¨ ,A 为调整参数,i= (8) 评论1:式(7)中的惩罚方法也适用于变量选择程序,但本文加入惩罚项的目的主要在于平滑 ・l04・ 统计研究 2017年2月 估计,减少参数估计的方差。此外,本文模型允许误差项在个体内存在某种未知的相关结构。 三、实际操作中的问题 (一)模型估计算法 函数P (u)为几乎处处可导,记 (“)为P ( )关于u的导数,0 ’表示第k次迭代所得到的 参数估计值,m (@)=Xtit3+7 ̄r ( t ) +D ,于是有: OP(。,@ )=兰圭毛乏 i=1t=l ( , , ,。 ) [Yit-mit(。)]+毫 。, (I卢;”1)3/ (9) ‘ );P^(・)表示函数P (・)的一阶导数,P^(・)表 +∑P ̄I,N(I 1) +∑PA2,N(1 ”I)Yj=0 ) ‘ ¨B =仃( 其中,三 =7r ( 示函数P (・)的二阶导数。注意到,式(9)中 (u)为不可导函数,因此不能采用Newton—Raphson 迭代算法。为此,我们采用迭代加权最小二乘估计法,记 =( B D ) , = diagtP,I,N(I卢: I),…,P ̄1,N(I卢 ’1),PA ̄,N(1 : 1),…,PAt,N(1 Paz,NI),P , (1 y ”I),…, (I y:”I),0,…,0}, ”= 0‘ )=0‘ + W @ ’,经过简单计算可得如下迭代关系式: (10) 其中,W :∑N圭 c +MI , :∑N主 c C, + , : 擘 , :y 一 卢‘¨一耵 (z 0‘ )y‘ 一D Ot‘“。不断运行式(10)便可得到各参数的估计值。 (二)调整参数和节点数的选择 B一样条函数的主要特点是局部存在紧致支集,以至于近似的连接函数在局部具有非常好的 表现。更重要的是,只要较少的节点,就可以对连接函数提供良好的近似,且有较高的计算效率和 稳定性(He等,2002) 。由于立方样条函数对函数已有较好的近似,为此,本文采用四阶B一样 条函数。若连接函数不够平滑,需选择更高阶数的B一样条函数。 对于节点数n 的选择,我们采用BIC准则选取(Ruppert等,2003)[201,其表达式为: BIC(n ):log{Q( )}+ (n +d+P+g) (11) 类似于Wang和Lin(2014)¨ ,对于调整参数的选择再次应用BIC准则,其表示式为: 肌 l0g{ }埘 埘 ) 其中, 和西分别为式(6)和式(8)中的参数估计值,0<DF <g和0<DF <d+P分别是 非参数部分和参数部分的非零值。 四、渐近性质 为避免在边界上导数不存在的风险,我们对识别条件l l I I=1且 >0进行变形。与大多数 做法类似,令咖=( , …., ) 为P一1维参数向量,定义: 0=0 =( ̄/1一(咖 + ;+… :一.), ,…, 一 ) 真实参数 。满足lI 。II<l,因此0。: (13) 满足模型识别条件。记 =(卢 , ) , = 第34卷第2期 丁飞鹏:固定效应部分线性单指数面板模型的惩罚分位数回归 ・105・ ( , ) ,则从 到 的雅各比矩阵为: d- ] 一(14) I咖I l)一寺咖 1。为得到惩罚分位数回归估计的渐近性质,还需要以下假 其中,凡:f一( Il } 设条件: A1. 满足 / 一0,r>0,为常数; A2.连接函数卵具有连续有界的r阶导数; A3. 6}o的分布是绝对连续,且有密度函数g (・)。进一步假设存在常数0<C <c 使得C < g (M)<C ,对所有M属于g 的紧致集成立; A4.(Ⅳ ) r和(Ⅳ71)一z z的所有特征值均有界,其中 =( 一,X Ⅳ) 且X =( …, ) ,Z=(Z 一,z Ⅳ) 且 =( 1,…, ) ; A5.误差项e 的密度函数 (・)一致连续有界,且在0的邻域内满足0< ( )<∞; A6.令 ( )= 一,( <0),A =E[ (e ) (e )]>0且有界,其中 (e )=( (e 。),…, (e )) ; A7.(Ⅳ )-1/2 A ,v一0,(Ⅳ ) /2 A:,一0, /2A . , 一∞, :。/2A:一oo,其中k 为样条函数 . 的节点数。 记 及 为最小化式(6)所得的参数估计值,并记77( 0)=7r ( 0)y,则有: 定理1.在假设条件A1~A6下,如果r>1,k 一 (Ⅳ ) ‘ ¨,则; ,v (1) ∑∑{亩(z )一叼(z Oo)}。=Op( (2) ( 一 ) 卜。。; Ⅳ(0,Je (K 。So ) ., )。 其中, :(Ⅳ )-。 lim K ,S。 (Ⅳ )-1 5 ,K =△ BA ,S =△ A△ ;B=diag{B 一, 一, Ⅳ};△¨ 为Ⅳ ×d维矩阵,其第k列元素为 },B =diag{ l(0),… (O)}; =diag{ 6 ”=(6: ,…,6 , ,…,6 ) ,△∞ 为Ⅳ ×(p一1)维矩阵,其第k列元素为6 =( , …,6 , ,…,艿 ) ,A =(△ ¨,A ) ; 2为 . 对 0。非参数回归的误差, . 为 的第 非参数回归的误差, =(7r z 0。)y。)., 三 为 的第k个元素。 定理1表明,在没有实施惩罚的情况下,非参数估计具有最优收敛率,线性部分的参数及非参 k个元素;6 为 对 数部分指数中的参数满足渐近正态性。记 及 为最小化式(8)所得的参数估计值,并令白( 0) :仃 ( )T,于是有 定理2.在假设条件Al~A7下,如果r>l,k ,v (,v ) ‘ ”,则: (1) 1∑∑{ (ztit )一叼( Oo)} =Op( ); (2) ( 一 ) Ⅳ(0 Je(K 。So Ko) , ‰)。 评论2:定理2和定理1①所得结论相近,这表明,若模型不存在变量选择的情况,则由惩罚方 ①限于篇幅,未能给出定理证明的细节,有兴趣的读者可向作者索要。 ・106・ 统计研究 2017年2月 法和非惩罚方法所得估计具有相同性质,然而在模拟过程中,我们发现,加入惩罚项后更易获得精 确度较高的估计。 五、数值研究 (一)模拟研究 为评估估计方法在有限样本下的表现,考虑数据生产过程为: Y :xil。+COS(Z l0 +Zift20:+Zit,3oo)+ ?+e ,(15) 其中,9fit取值于A=0.25的指数分布;z ,均取值于均匀分布 (一7r ,詈), =1,2,3; =1; =0.3, =0.5,oI= ̄/i ; ?取值于区间(一1,1), =2,…,N;e =(e …e ) 为随机误差 情形1:e ~N(0,R),R为AR(1)结构,即_R的第(i√)个元素为R =0.8 ,i√=1,…,,,; 情形2:e ~t (0,R),R与情形1中相同。 项,产生于下列两种情形: 模拟中,R被视为未知的相关结构。此外,选用均值(Mean)、标准差(S.E.)、偏度(Bias)和均 方误(MSE)评价参数估计的表现,用A1SE评价非参数估计的表现,各指标的计算公式为: S —丁————_ 1 均值 t E・ √专 (专一 ) ;B =。 一 。1. E 专 (专一 。) ;A E= S ^1r ∑∑l ( )一叼( 0。)1.其中,£为第 次模拟估计的参数向量值;5为模拟次数。 个体数Ⅳ分别为15、30、50,时间T=10,考虑的分位数分别为0.25、0.5和0.75,模拟次数为 500,模拟结果显示: 从正态分布下均值和偏度统计量可知,参数估计与真实值接近;从估计的数值可以发现,随着 个体数的增大,标准差逐渐减小,说明估计方法比较稳定,参数估计值基本集中于均值附近;随着个 体数Ⅳ的增大,均方误不断减小,表明参数估计值接近于真实值,参数估计量满足一致性;AISE为 度量连接函数的估计值与真实的连接函数值之间的接近程度,从各数值可以发现,随着个体数Ⅳ 的增大,估计值与真实值之间逐渐接近,意味着估计方法对连接函数的估计较为稳健。 与正态分布下的表现类似,t分布假设下参数估计的均值和偏度均表明估计值接近于真实值, 估计的标准差随着个体数的增加而减小,说明参数估计值在均值周围波动;均方误也是随着个体数 的增大而减小,意味着参数估计满足一致性;另外,AISE的数值是随着个体数的增大而逐渐减小, 反应了连接函数的估计值与真实值接近,且AISE的标准差随着个体数的增大而减小,说明估计方 法对连接函数的估计较为稳健。 正态分布下和t分布假设下模拟估计量的表现说明,误差项的分布及其存在的未知相关结构 对本文估计方法没有影响,但为提高估计的有效性,误差项的相关结构应该考虑在内,这将有待今 后加以研究。 (二)实际数据应用 随着生活水平的提高,环境问题开始受到人们的关注。近年来,导致气候变暖的主要原因为二 氧化碳的排放(简称碳排放),减少碳排放成为当前国际社会关注的热点问题之一。本文采用部分 线性单指数模型研究碳排放的影响因素,既考虑了模型的灵活性,又增强了模型的解释力,同时应 用分位数回归研究自变量对因变量在不同分位数下的影响,能够更全面掌握各因素对碳排放的 影响 第34卷第2期 丁飞鹏:固定效应部分线性单指数面板模型的惩罚分位数回归 ・107・ 本文用碳排放强度作为对碳排放的度量,选取的影响因素分别为:技术进步(TE)、产业结构 (IR)、能源强度(CR)、GDP增速(DG)、贸易开放度(OP)和城镇化率(PR)。数据范围为2004— 2012年30个省、市、自治区、直辖市(不包括、澳门、和)的相关数据,碳排放强度为根 据碳排放因子计算而得。 本文首先将碳排放对各因素进行线性面板回归,然后将显著的估计置于模型的线性部分,将不 显著的估计置于非参数部分,建立模型如下: CI =IR l+TE 2+CR 3+叩(DG 01+OP 02+PR 03)+Od +e (16) 直接将式(16)推广到分位数回归中,并分别在7=0.25、0.5、0.75下对模型进行估计,估计结 果呈现在表1、表2、表3及图1中。 表1 参数 TE CR OP IR DG 分位数为0.25下的参数估计 估计值 一0.0952 0.0048 0.2318 0.2253 0.5523 标准误(×10 ) 2.2406 O.0H061 0.9747 73.1421 39.8253 t一统计量 —42.4970 779.9827 237.8487 3.0807 13.8683 PR 0.8026 38.35l8 20.9276 表2 参数 TE CR 0P IR DC PR 分位数为O.5下的参数估计 估计值 一0.0742 O.o023 0.2343 0.1328 0.4353 0.8905 标准误(×10 ) 3.7430 0.oo92 1.936l 3.1763 73.5851 332.0545 t一统计量 —19.8258 253.9255 l21.0370 O.4l81 5.9151 2.6817 表3 参数 TE CR 分位数为0.75下的参数估计 估计值 —O.1l83 0.0019 标准误(×10 ) 1.6675 0.0042 t一统计量 —70.9326 459.9502 OP IR DG PR 0.2522 0.1496 0.3615 0.9203 0.9669 62.2757 15.8356 l2.1895 260.8792 2.40l7 22.8300 75.4982 曩. 加㈣E蓑}- =—==:~…1 ㈣ 一—==……一1 放碳排 指数 (III)分位数为0 75下连接函数估计图 图1连接函数在各分位数下的估计图 从表1—3可以清楚地看到,在任何情况下,科技进步对碳排放具有负向影响,在分位数为 0.25时的影响值为0.0952;当分位数为0.5时,这个值减少为0.0742;在分位数为0.75时,又增大 ・108・ 统计研究 2017年2月 到0.1183。这些事实说明,当碳排放处于较低水平时,科技进步能够极大地抑制碳排放的增加,随 着碳排放水平的升高,科技进步的影响逐渐减少,但当碳排放处于较高水平时,科技进步的抑制作 用又增加了。能源强度对碳排放始终具有正向影响,影响力度随着碳排放水平的升高而逐渐降低。 贸易开放程度对碳排放具有正向影响,影响值一直处于较为稳定的水平。产业结构、GDP增长速 度及城镇化水平对碳排放具有非线性影响,其中产业结构和GDP增速对碳排放的影响随着碳排放 水平的提高而逐渐减弱,并且在分位数为0.5下产业结构对碳排放的影响不显著,而城镇化水平对 碳排放的影响随着碳排放水平的提高而逐渐增强。图1中的(I)~(Ⅲ)均显示,由产业结构、 GDP增长速度和城镇化水平组成的指数对碳排放的影响呈双曲线下降趋势。 六、结束语 固定效应部分线性单指数面板模型在各领域具有广泛应用,关于该模型的估计方法众多,但大 多基于均值回归。均值回归的缺点是当数据存在异常点时,估计精度将减小,且该方法只能研究自 变量对因变量在均值附近的影响,而在其他位置的表现无法分析。为此,本文研究了固定效应部分 线性单指数面板模型的分位数估计。首先用B一样条函数近似连接函数,再利用加权最小二乘法 估计所有参数,进而得到参数及连接函数的估计量;进一步,证明了所得估计量的一致性和渐近正 态性,并利用Monte Carlo模拟研究了估计量的小样本表现;最后,将模型应用于碳排放强度的影响 因素分析中。研究结果显示,科技进步对碳排放呈负向线性影响,并随着碳排放水平的提高而呈现 先减弱后增强的影响;能源强度对碳排放具有正向线性影响,影响力度随着碳排放的增加而减弱; 贸易开放度对碳排放具有稳定的正向线性影响;产业结构、GDP增速和城镇化水平所构成的指数 对碳排放呈现双曲线下降的影响趋势。 参考文献 [1]Fan J,Gijbels 1.Local Polynomial Modelling and Its Applications[M].London:Chapman and Mall Publishing,1997.1—304. 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