Кіріспе
Статистикадағы әдіс Статистика, эконометрия, эпидемиология және осымен байланысты пәндерде, бақыланатын эксперименттер мүмкін болмаған жағдайларда немесе кездейсоқ экспериментте емнің барлық бірліктерге сәтті жеткізілмегенде, себеп-салдарлық байланысты бағалау үшін құралдық айнымалылар (IV) әдісі қолданылады. Түсінікті тұрғысынан алғанда, IV-тер қызығушылық тудыратын түсіндірме айнымалы қателік мүшесімен (эндогенді) байланысты болғанда қолданылады, онда жай ғана ең кіші квадраттар және ANOVA бұрмаланған нәтижелер береді. Дұрыс құрал түсіндірме айнымалының өзгеруін тудырады (эндогенді айнымалымен байланысты), бірақ тәуелді айнымалыға тәуелсіз әсер етпейді және қателік мүшесімен байланысты болмайды, бұл зерттеушіге түсіндірме айнымалының тәуелді айнымалыға себептік әсерін анықтауға мүмкіндік береді. Құралдық айнымалылар әдістері, түсіндірме айнымалылардың (ковариаттардың) регрессиялық модельдегі қателік мүшелерімен байланысты болған жағдайларда дәйекті бағалауға мүмкіндік береді. Мұндай байланыс мына жағдайларда туындауы мүмкін: тәуелді айнымалының өзгеруі кем дегенде бір ковариаттың мәнін өзгертеді («кері» себеп), тәуелді және түсіндірме айнымалыларына әсер ететін жойылған айнымалылар бар немесе ковариаттар кездейсоқ емес өлшеу қатесіне ұшырайды. Регрессия контекстінде осы мәселелердің бірін немесе бірнешеуін бастан кешіретін түсіндірме айнымалылары кейде эндогендік деп аталады. Бұл жағдайда, жай ғана ең кіші квадраттар бұрмаланған және сәйкессіз бағалаулар береді. Дегенмен, егер құрал болса, дәйекті бағалаулар әлі де алынуы мүмкін. Құрал – бұл түсіндірме теңдеуіне жатпайтын, бірақ басқа ковариаттардың мәніне байланысты эндогендік түсіндірме айнымалыларымен байланысты айнымалы. Сызықтық модельдерде IV-терді пайдалану үшін екі негізгі талап бар: құрал басқа ковариаттарға байланысты эндогендік түсіндірме айнымалыларымен байланысты болуы керек. Егер бұл байланыс күшті болса, құралдың бірінші кезеңі күшті деп есептеледі. Әлсіз корреляция параметрлер мен стандартты қателер туралы қателігі бар қорытындыларға әкелуі мүмкін. Құрал басқа ковариаттарға байланысты түсіндірме теңдеуінің қателік мүшесімен байланысты болмауы керек. Басқаша айтқанда, құрал бастапқы болжау айнымалысымен бірдей проблемаға тап болмауы керек. Егер бұл шарт орындалса, құрал шектеуді қанағаттандырады деп саналады.
In statistics, econometrics, epidemiology and related disciplines, the method of instrumental variables (IV) is used to estimate causal relationships when controlled experiments are not feasible or when a treatment is not successfully delivered to every unit in a randomized experiment. Intuitively, IVs are used when an explanatory variable of interest is correlated with the error term (endogenous), in which case ordinary least squares and ANOVA give biased results. A valid instrument induces changes in the explanatory variable (is correlated with the endogenous variable) but has no independent effect on the dependent variable and is not correlated with the error term, allowing a researcher to uncover the causal effect of the explanatory variable on the dependent variable. Instrumental variable methods allow for consistent estimation when the explanatory variables (covariates) are correlated with the error terms in a regression model. Such correlation may occur when:
changes in the dependent variable change the value of at least one of the covariates ("reverse" causation),
there are omitted variables that affect both the dependent and explanatory variables, or
the covariates are subject to non random measurement error. Explanatory variables that suffer from one or more of these issues in the context of a regression are sometimes referred to as endogenous. In this situation, ordinary least squares produces biased and inconsistent estimates. However, if an instrument is available, consistent estimates may still be obtained. An instrument is a variable that does not itself belong in the explanatory equation but is correlated with the endogenous explanatory variables, conditionally on the value of other covariates. In linear models, there are two main requirements for using IVs:
The instrument must be correlated with the endogenous explanatory variables, conditionally on the other covariates. If this correlation is strong, then the instrument is said to have a strong first stage. A weak correlation may provide misleading inferences about parameter estimates and standard errors. The instrument cannot be correlated with the error term in the explanatory equation, conditionally on the other covariates. In other words, the instrument cannot suffer from the same problem as the original predicting variable. If this condition is met, then the instrument is said to satisfy the exclusion restriction.
Мысал
Бейресми түрде, X ("ковариат" немесе "түсіндіруші айнымалы") айнымалысының басқа Y ("тәуелді айнымалы") айнымалысына себеп-салдарлық әсерін бағалауға тырысқанда, құрал – үшінші Z айнымалысы болып табылады, ол Y-ға тек X-ке тигізетін әсері арқылы ғана әсер етеді. Мысалы, зерттеуші темекі шегудің (X) жалпы денсаулыққа (Y) тигізетін себеп-салдарлық әсерін бағалауды жоспарласа, темекі шегу мен денсаулық арасындағы байланыс, темекі шегу нашар денсаулыққа себеп болады дегенді білдірмейді, себебі депрессия сияқты басқа да факторлар денсаулыққа да, темекі шегуге де әсер етуі мүмкін, немесе денсаулықтың өзі темекі шегуге әсер етуі мүмкін. Жалпы халық арасында темекі шегуге қатысты бақыланатын эксперименттер жүргізу мүмкін емес. Зерттеуші темекі тартудың денсаулыққа тигізетін себеп-салдарлық әсерін бақылау деректерінен, темекі өнімдеріне салынатын салық мөлшерлемесін (Z) темекі шегудің құралы ретінде пайдаланып бағалауға тырыса алады. Темекі өнімдеріне салынатын салық мөлшерлемесі құрал ретінде қолайлы таңдау болып табылады, өйткені зерттеуші оның денсаулықпен тек темекі шегуге тигізетін әсері арқылы байланысты болатынын жоңдайды. Егер зерттеуші темекіге салынатын салықтар мен денсаулық жағдайы арасында байланыс бар екенін анықтаса, бұл темекі шегу денсаулықтағы өзгерістерге себеп болатынының куәсі ретінде қарастырылуы мүмкін.
Тарих
Құралдық айнымалыны алғаш рет 1928 жылы Филип Г. Райт өзінің кітабында қолданды, ол 1900 жылдардың басында АҚШ-та өсімдік және жануар майларының өндірісі, тасымалы және сатылуы туралы толыққанды сипаттамасымен белгілі болды. 1945 жылы Олав Рейерсолл өзінің диссертациясында айнымалы модельдердегі қателер контекстінде осы әдісті қолданды, соның арқасында әдіс өз атауын алды. Райт АҚШ-та сатылатын бағалар мен сатылған мөлшерлер туралы панельдік деректерді пайдалана отырып, сары майға деген сұраныс пен ұсынысты анықтауға тырысты. Оның ойынша, регрессиялық талдау сұраныс немесе ұсыныс қисығын құруға мүмкіндік береді, себебі олар баға мен сұранылған немесе ұсынылған мөлшер арасындағы байланыс арқылы қалыптасады. Бірақ мәселе сол еді, байқау деректері сұраныс немесе ұсыныс қисығын көрсетпеді, оның орнына әртүрлі нарықтық жағдайларда әртүрлі пішінде болатын нүктелік байқаулар жиынтығын құрады. Деректерден нақты қорытынды жасау қиын болып шықты. Проблема бағаның сұранысқа да, ұсынысқа да әсер ететінінде еді, сондықтан осы екі фактордың біреуін ғана сипаттайтын функцияны байқау деректерінен тікелей құрастыру мүмкін емес еді. Райт сұраныс пен ұсыныстың екеуімен де байланысы бар, бірақ олардың біреуімен ғана тікелей байланысы бар айнымалы қажет екенін дұрыс түсінді, яғни құралдық айнымалы. Көп ойланғаннан кейін Райт аймақтық жауын-шашынды құралдық айнымалы ретінде пайдалануға шешім қабылдады: ол жауын-шашын шөп өндірісіне, одан кейін сүт өндірісіне және соңында сары май ұсынысына әсер етеді, бірақ сары майға деген сұранысқа әсер етпейді деген қорытындыға келді. Осылайша ол құралдық айнымалы ретінде баға мен ұсынысты қолдана отырып, регрессиялық теңдеуді құрастыра алды. 2000 жылы Джудея Перл құралдық айнымалылардың формалды анықтамасын, контрафактілер мен графикалық критерийлерді пайдалана отырып берді. Эконометриядағы себеп-салдарлық байланыстар, олардың құралдық айнымалылармен және басқа да әдістермен байланысы Хекманның (2008) еңбегінде талқыланды.
Қате құралдарды тексеру
Құралдардың күші тікелей бағалануы мүмкін, себебі эндогендік ковариаттар да, құралдар да көрінеді. Бір эндогенді регрессорлы модельдер үшін қолданылатын қағида: бірінші кезеңдегі регрессияда шығарылған құралдардың әсерсіздігі туралы болжамға қарсы F статистикасы 10-нан жоғары болуы тиіс.
Статистикалық қорытынды және гипотезаларды тексеру
Ковариаттар экзогенді болған жағдайда, OLS бағалаушының кішкентай үлгідегі қасиеттерін X-ке шартты бағалаушының моменттерін есептеу арқылы тікелей алуға болады. Бірақ, ковариаттардың кейбіреуі эндогенді болғандықтан және аспаптық айнымалылар арқылы бағалау қолданылғанда, бағалаушының моменттері үшін қарапайым формулалар алу мүмкін емес. Әдетте, аспаптық айнымалылар бағалаушылары тек асимптотикалық қасиеттерге ие, ал шекті үлгілік қасиеттері жоқ, сондай-ақ қорытындылар бағалаушының үлгілік таралуына асимптотикалық жуықтамаларға негізделген. Аспаптар қызығушылық тудыратын теңдеудегі қатемен корреляцияланбаған және әлсіз болмаған жағдайда да, аспаптық айнымалылар бағалаушысының шекті үлгілік қасиеттері нашар болуы мүмкін. Мысалы, нақты анықталған модельдер шекті үлгіде моменттері жоқ бағалаушыларды тудырады, сондықтан бағалаушыны бұрмаланған немесе бұрмаланбаған деп санауға болмайды, тест статистикасының номиналдық деңгейі айтарлықтай бұрмалануы мүмкін, ал бағалаулар параметрдің нақты мәнінен қашықта болуы мүмкін.
Шектен шығару шектеуін тексеру
Құралдар мүдделі теңдеудегі қателік мүшесімен байланысты емес деген болжамды дәл анықталған модельдерде тексеру мүмкін емес. Егер модель артық анықталған болса, бұл болжамды тексеруге пайдаланылатын ақпарат бар. Бұл артық анықталған шектеулердің ең көп қолданылатын тесті, Сарган-Хансен тесті деп аталады, және құралдар шынымен экзогенді болса, қалдықтар экзогенді айнымалылар жиынымен байланысты болмауы керек деген тұжырымға негізделген. Сарган-Хансен тестінің статистикалық көрсеткіші, экзогенді айнымалылар жиынына қатысты қалдықтардың ең кіші квадраттар (OLS) регрессиясынан алынған (бақылаулар санының анықтама коэффициентіне көбейтілген) мәні ретінде есептеледі. Бұл статистика қателік мүшесі құралдармен байланысты болмаса, m - k еркіндік дәрежесімен асимптотикалық түрде хи-квадратқа тең болады.