Введение
Метод в статистике
В статистике, эконометрике, эпидемиологии и смежных дисциплинах метод инструментальных переменных (IV) используется для оценки причинно-следственных связей, когда проведение контролируемых экспериментов невозможно или когда воздействие не достигает всех объектов в рандомизированном эксперименте. Интуитивно, IV используются, когда интересующая объяснительная переменная коррелирует с ошибкой (является эндогенной), в этом случае метод наименьших квадратов и ANOVA дают смещенные результаты. Действительный инструмент вызывает изменения в объяснительной переменной (коррелирует с эндогенной переменной), но не оказывает независимого влияния на зависимую переменную и не коррелирует с ошибкой, что позволяет исследователю выявить причинно-следственный эффект объяснительной переменной на зависимую переменную. Методы инструментальных переменных обеспечивают состоятельную оценку, когда объяснительные переменные (ковариаты) коррелируют с ошибками в регрессионной модели. Такая корреляция может возникать, когда:
изменения в зависимой переменной влияют на значение хотя бы одной из ковариат («обратная» причинность),
существуют пропущенные переменные, влияющие как на зависимые, так и на объяснительные переменные, или
ковариаты подвержены систематической ошибке измерения. Объяснительные переменные, страдающие от одной или нескольких из этих проблем в контексте регрессии, иногда называют эндогенными. В этой ситуации метод наименьших квадратов дает смещенные и непоследовательные оценки. Однако, если доступен инструмент, все еще можно получить состоятельные оценки. Инструмент – это переменная, которая сама не должна входить в объясняющее уравнение, но коррелирует с эндогенными объяснительными переменными, при условии значения других ковариат. В линейных моделях существует два основных требования к использованию IV:
Инструмент должен коррелировать с эндогенными объяснительными переменными, при условии значения других ковариат. Если эта корреляция сильна, то инструмент считается имеющим сильную первую стадию. Слабая корреляция может приводить к вводящим в заблуждение выводам относительно оценок параметров и стандартных ошибок. Инструмент не должен коррелировать с ошибкой в объясняющем уравнении, при условии значения других ковариат. Иными словами, инструмент не должен страдать от той же проблемы, что и исходная объясняющая переменная. Если это условие выполняется, то считается, что инструмент удовлетворяет ограничению исключения.
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.
Пример
Неформально, при попытке оценить причинно-следственное влияние некоторой переменной X («ковариата» или «объясняющей переменной») на другую Y («зависимой переменной»), инструмент представляет собой третью переменную Z, которая влияет на Y только посредством своего влияния на X. Например, предположим, что исследователь хочет оценить причинно-следственное влияние курения (X) на общее состояние здоровья (Y). Корреляция между курением и здоровьем не подразумевает, что курение вызывает ухудшение здоровья, поскольку другие переменные, такие как депрессия, могут влиять как на здоровье, так и на курение, или потому что здоровье может влиять на курение. Невозможно проводить контролируемые эксперименты относительно статуса курильщика в общей популяции. Исследователь может попытаться оценить причинно-следственное влияние курения на здоровье на основе наблюдательных данных, используя ставку налога на табачные изделия (Z) в качестве инструмента для курения. Ставка налога на табачные изделия является разумным выбором инструмента, поскольку исследователь предполагает, что она может быть связана со здоровьем только через свое влияние на курение. Если исследователь обнаружит корреляцию между налогами на табак и состоянием здоровья, это можно рассматривать как свидетельство того, что курение вызывает изменения в здоровье.
История
Первое использование инструментальной переменной произошло в книге 1928 года Филиппа Г. Райта, наиболее известного своим подробным описанием производства, транспортировки и продажи растительных и животных масел в начале 1900-х годов в Соединенных Штатах. В 1945 году Олав Рейерсолл применил тот же подход в контексте моделей с ошибками в переменных в своей диссертации, дав методу его название. Райт попытался определить спрос и предложение на масло, используя панельные данные о ценах и проданных количествах в Соединенных Штатах. Идея заключалась в том, что регрессионный анализ может построить кривую спроса или предложения, поскольку они формируются зависимостью между ценами и объемами спроса или предложения. Проблема заключалась в том, что наблюдаемые данные не формировали кривую спроса или предложения как таковую, а представляли собой облако точек, принимавших различные формы в зависимости от рыночных условий. Казалось, что получение выводов из этих данных оставалось сложной задачей. Проблема заключалась в том, что цена влияла как на спрос, так и на предложение, поэтому функцию, описывающую только одно из них, нельзя было непосредственно построить на основе наблюдаемых данных. Райт правильно заключил, что ему нужна переменная, которая коррелирует либо со спросом, либо с предложением, но не с обоими – то есть инструментальная переменная. После долгих размышлений Райт решил использовать региональные осадки в качестве инструментальной переменной: он пришел к выводу, что осадки влияют на производство травы, а следовательно, и на производство молока, и в конечном итоге на предложение масла, но не на спрос на него. Таким образом, он смог построить регрессионное уравнение, используя в качестве инструментальной переменной цену и предложение. Формальные определения инструментальных переменных, основанные на контрфактических рассуждениях и графических критериях, были даны Джудией Перлом в 2000 году. Вопросы причинности в эконометрике и их связь с инструментальными переменными и другими методами обсуждаются Хекманом (2008).
Испытание на наличие слабых приборов
Силу инструментальных переменных можно непосредственно оценить, поскольку как эндогенные ковариаты, так и сами инструментальные переменные наблюдаемы. Распространенное эмпирическое правило для моделей с одним эндогенным регрессором заключается в том, что статистика F при проверке гипотезы о нерелевантности исключенных инструментов в регрессии первой стадии должна превышать 10.
Статистические выводы и проверка гипотез
Когда ковариаты экзогенны, свойства оценщика OLS для малых выборок могут быть получены непосредственно путем вычисления моментов оценщика при условии X. Когда некоторые ковариаты эндогенны и используется оценка методом инструментальных переменных, простые выражения для моментов оценщика получить не удается. Как правило, оценщики методом инструментальных переменных обладают желательными асимптотическими, но не свойствами для конечных выборок, и статистический вывод основывается на асимптотических приближениях к распределению выборки оценщика. Даже если инструменты не коррелируют с ошибкой в оцениваемом уравнении и не являются слабыми, свойства оценщика методом инструментальных переменных для конечных выборок могут быть неудовлетворительными. Например, в точно идентифицированных моделях получаются оценщики для конечных выборок, не имеющие моментов, поэтому оценщик нельзя считать ни смещенным, ни несмещенным, номинальный уровень значимости статистик проверки гипотез может быть существенно искажен, а оценки часто значительно отличаются от истинного значения параметра.
Испытание ограничения исключения
Предположение о некоррелированности инструментов с ошибкой в интересующем уравнении невозможно проверить в точно идентифицированных моделях. Если модель переидентифицирована, существует информация, которую можно использовать для проверки этого предположения. Наиболее распространенный тест этих переидентифицирующих ограничений, называемый тестом Саргана–Хансена, основан на наблюдении, что остатки должны быть некоррелированы с набором экзогенных переменных, если инструменты действительно экзогенны. Статистика теста Саргана–Хансена может быть вычислена как (число наблюдений, умноженное на коэффициент детерминации) из OLS-регрессии остатков на набор экзогенных переменных. Эта статистика асимптотически распределена по закону хи-квадрат со степенями свободы m − k при нулевой гипотезе о некоррелированности ошибки с инструментами.