一般化モーメント法

一般化モーメント法GMM)は、計量経済学および統計学において、統計モデルにおけるパラメータ推定のための一般的な手法です。通常、GMMはセミパラメトリックモデルの文脈で適用されます。セミパラメトリックモデルでは、対象となるパラメータは有限次元ですが、データの分布関数の完全な形状が不明な場合があり、最尤推定は適用できません。

この手法では、モデルに一定数のモーメント条件を指定する必要があります。これらのモーメント条件は、モデルパラメータとデータの関数であり、パラメータの真の値において期待値はゼロとなります。GMM法は、モーメント条件の標本平均の特定のノルムを最小化するため、最小距離推定特殊なケースと考えることができます。[1]

GMM推定量は、モーメント条件に含まれる情報以外の追加情報を使用しない推定量の中で一貫性があり、漸近的に正規性があり、最も効率的であることが知られています。GMMは、1894年にカール・ピアソンによって提唱されたモーメント法[2]の一般化として、 1982年にラース・ペーター・ハンセンによって提唱されました。しかし、これらの推定量は、「直交性条件」(Sargan, 1958, 1959)や「不偏推定方程式」(Huber, 1967; Wang et al., 1997)に基づく推定量と数学的に同等です。

説明

利用可能なデータがT個の観測値{ Y t  } t  = 1,..., Tで構成されていると仮定します。ここで、各観測値Y tはn次元多変量確率変数です。データは、未知のパラメータθ ∈ Θまで定義された特定の統計モデルから得られたものと仮定します。推定問題の目的は、このパラメータθ 0の「真の」値、あるいは少なくともそれに近い推定値を見つけることです。

GMMの一般的な仮定は、データY tが弱定常 エルゴード 確率過程によって生成されるというものである。(独立かつ同一分布(iid)変数Y tのケースは、この条件の特殊なケースである。)

GMMを適用するには、「モーメント条件」、つまりベクトル値関数 g ( Y , θ )が以下の式で表されることが必要である。

ここで、E は期待値Y tは一般的な観測値である。さらに、関数m ( θ ) はθθ 0においてゼロと異なる必要がある。そうでない場合、パラメータθは点識別されない

GMMの基本的な考え方は、理論的な期待値E[⋅]を経験的な類似値である標本平均に置き換えることです。

そして、この式のθに関するノルムを最小化します。 θを最小化する値がθ 0の推定値となります

大数の法則によりTの大きな値に対して となり、したがって となることが期待されます。一般化モーメント法は、 を可能な限りゼロに近づける数を探します数学的には、これは の特定のノルムを最小化することと同義ですmのノルムは|| m || と表記され、 mとゼロの間の距離を測ります)。結果として得られる推定値の特性はノルム関数の特定の選択に依存するため、GMM理論では次のように定義されるノルムの族全体を考慮します。

ここで、 Wは正定値の重み行列であり転置を表す。実際には、重み行列Wは利用可能なデータセットに基づいて計算され、これは と表記される。したがって、GMM推定量は次のように表される。

適切な条件下では、この推定値は一貫性があり、漸近的に正規であり、重み付け行列を正しく選択すると漸近的に効率的でもあります

プロパティ

一貫性

一貫性は推定値の統計的特性であり、十分な数の観測値があれば推定値は確率的にパラメータの真の値に収束することを示します。

GMM 推定値が一貫性を持つための十分な条件は次のとおりです。

  1. ここでW半正定値行列であり、
  2.   のみ
  3. 可能なパラメータ空間コンパクトであり
  4.   各θにおいて確率1で連続である、

ここでの2番目の条件(いわゆる全体的識別条件)は、検証が特に難しい場合が多い。非識別問題を検出するために使用できる、より単純な必要条件が存在するが、十分条件ではない。

  • 順序条件。モーメント関数m(θ)の次元は、パラメータベクトルθの次元以上でなければならない
  • 局所同定g(Y,θ)が の近傍で連続的に微分可能である場合、行列は完全な列ランク を持つ必要があります。

実際には、応用計量経済学者は、グローバル識別が成り立つことを実際に証明することなく、単に仮定することが多い。 [3] : 2127 

漸近正規性

漸近正規性は、推定値の信頼区間を構築し、さまざまな検定を実施できるため、有用な性質です。GMM推定値の漸近分布について述べる前に、2つの補助行列を定義する必要があります

そして、以下の条件1~6の下では、GMM推定値は限界分布を持つ漸近正規分布となる。

条件:

  1. は一貫している(前のセクションを参照)、
  2. 可能なパラメータの集合はコンパクトである
  3. は確率1でNの近傍において連続的に微分可能である。
  4. 行列は特異ではない。

相対的な効率

これまで、行列Wの選択については、半正定値行列でなければならないということ以外何も述べてきませんでした。実際、そのような行列であれば、一貫性があり漸近的に正規なGMM推定値を生成することができ、唯一の違いはその推定値の漸近分散にあります。

は、すべての(一般化)モーメント法推定量の中で最も効率的な推定量となります。直交条件が無限個存在する場合にのみ、最小の分散、すなわちクラメール・ラオ境界が得られます。

この場合、GMM推定量の漸近分布の式は次のように簡略化される。

このような重み行列の選択が実際に局所最適であるという証明は、他の推定値の効率性を証明する際に、若干の修正を加えてしばしば採用されます。経験則として、重み行列はクラメール・ラオの限界に近い表現になるほど、最適性に近づきます。

証明。任意のWを持つ漸近分散と を持つ漸近分散の差について考察する何らかの行列CについてCC'の形の対称積に因数分解できる場合、この差は非負定であることが保証され、したがって定義により最適となる。
ここで、表記を少し簡略化するために行列ABを導入しました。I単位行列です。ここで行列Bは対称かつべき等であることが分かります。これは、I−Bも対称かつべき等であることを意味します:。したがって、前の式を因数分解し続けると、

実装

概説した方法を実行する際の難しさの一つは、W = Ω −1とできないことである。なぜなら、行列Ωの定義により、この行列を計算するにはθ 0の値を知る必要があるが、 θ 0はまさに我々が知らない量であり、そもそも推定しようとしているからである。Y tが iidの場合、W は次のように推定できる。

この問題に対処するにはいくつかの方法がありますが、最初の方法が最も人気があります。

  • 2段階実行可能GMM :
    • ステップ1W = I単位行列)またはその他の正定値行列を取り、予備的なGMM推定値を計算する。この推定値はθ 0に対しては整合しているが、効率的ではない。
    • ステップ2 :確率的にΩ −1に収束するため、この重み行列で計算すると、推定量は漸近的に効率的になります。
  • 反復GMM。基本的に2段階GMMと同じ手順ですが、行列が  複数回再計算されます。つまり、ステップ2で得られた推定値を用いてステップ3の重み行列を計算し、これを収束基準を満たすまで繰り返します。
    漸近的にはこのような反復を通じて改善は達成されないが、特定のモンテカルロ実験ではこの推定値の有限サンプル特性がわずかに優れていることが示唆されている。[引用が必要]
  • 連続的に更新されるGMM(CUGMMまたはCUE)。重み行列Wの推定と同時に推定を行う。
    モンテカルロ実験では、この方法は従来の2段階GMMよりも優れた性能を示しました。推定値の中央値バイアスは小さく(ただし、裾は太くなります)、過剰識別制約に対するJ検定は多くの場合より信頼性が高かったです。[4]

最小化手順の実装におけるもう一つの重要な問題は、関数が(場合によっては高次元の)パラメータ空間Θを探索し、目的関数を最小化するθの値を見つけることである。このような手順に関する一般的な推奨は存在せず、これは数値最適化という独自の分野における主題である

サーガン・ハンセンJ検定

モーメント条件の数がパラメータベクトルθの次元よりも大きい場合、モデルは過剰識別されていると言われます。Sargan (1958) は、過剰識別制約の数に依存する自由度を持つカイ二乗変数として大規模なサンプルに分布している操作変数推定値に基づく、過剰識別制約の検定を提案しました。その後、Hansen (1982) はこの検定を、GMM 推定値の数学的に同等な定式化に適用しました。ただし、このような統計量は、モデルが誤って指定された実証アプリケーションでは負になる可能性があり、モデルは帰無仮説と対立仮説の両方の下で推定されるため、尤度比検定から洞察が得られる可能性があることに注意してください (Bhargava and Sargan, 1983)。

概念的には、モデルがデータに適合していることを示すのに十分ゼロに近いかどうかを検証できます。GMM法では、制約に完全に一致するように方程式 を解く問題を、最小化計算に置き換えています。となるような が存在しない場合でも、常に最小化を実行できます。これがJ検定の目的です。J検定は、制約 の過剰識別検定とも呼ばれます。

正式には2つの仮説を検討します

  •   (モデルが「有効」であるという帰無仮説)、そして
  •   (モデルが「無効」であるという対立仮説、つまりデータが制約を満たすにはほど遠い)

仮説 の下では、以下のいわゆる J 統計量は漸近的にカイ2乗分布し、自由度はk–lである。J次のように定義する。

  下

ここで、 はパラメータ のGMM推定値kはモーメント条件の数(ベクトルgの次元)、lは推定パラメータの数(ベクトルθの次元)です。行列 は、効率的な重み行列に確率収束する必要があります(これまでは、推定値が効率的であるためには、 Wが に比例することのみを要求していましたが、J検定を行うには、Wが に正確に等しく、単純に比例している必要はありません)。

対立仮説の下では、J統計量は漸近的に無限大となる。

  下

検定を行うために、データからJの値を計算します。これは非負の数です。これを(例えば)分布の 0.95分位数と比較します

  • 95%の信頼度で棄却される
  • 95%の信頼度で棄却できない

範囲

他の多くの一般的な推定手法は、GMM最適化の観点から表現できます

  • 通常最小二乗法(OLS)は、モーメント条件付きのGMMと同等です。
  • 加重最小二乗法(WLS)
  • 操作変数回帰(IV)
  • 非線形最小二乗法(NLLS):
  • 最大尤度推定(MLE):

GMMの代替

モーメント法では、従来の(非一般化)モーメント法(MoM)の代替法が説明されており、いくつかの応用例への参照と、従来の方法と比較した理論的な長所と短所の一覧が示されている。このベイズ類似MoM(BL-MoM)は、GMMに包含される上記の関連手法とは区別される。[5] [6]文献には、特定の応用におけるGMMとBL-MoMの直接的な比較は含まれていない。

実装

  • Rプログラミング wikibook、モーメント法
  • R
  • Stata
  • EViews
  • SAS
  • Gretl

参照

参考文献

  1. ^ 林文夫 (2000). 計量経済学. プリンストン大学出版局. p. 206. ISBN 0-691-01018-8
  2. ^ Hansen, Lars Peter (1982). 「一般化モーメント法推定量の大規模サンプル特性」. Econometrica . 50 (4): 1029–1054 . doi :10.2307/1912775. JSTOR  1912775.
  3. ^ Newey, W.; McFadden, D. (1994). 「大規模サンプル推定と仮説検定」.計量経済学ハンドブック. 第4巻. Elsevier Science. pp.  2111– 2245. CiteSeerX 10.1.1.724.4480 . doi :10.1016/S1573-4412(05)80005-4. ISBN  9780444887665
  4. ^ Hansen, Lars Peter; Heaton, John; Yaron, Amir (1996). 「いくつかの代替GMM推定量の有限サンプル特性」(PDF) . Journal of Business & Economic Statistics . 14 (3): 262– 280. doi :10.1080/07350015.1996.10524656. hdl : 1721.1/47970 . JSTOR  1392442
  5. ^ アーミテージ, ピーター; コルトン, セオドア編 (2005-02-18). 生物統計百科事典 (第1版). Wiley. doi :10.1002/0470011815. ISBN 978-0-470-84907-1
  6. ^ Godambe, VP編 (2002).関数の推定. Oxford Statistics Series (Repr ed.). Oxford: Clarendon Press. ISBN 978-0-19-852228-7

さらに詳しく

  • Huber, P. (1967). 非標準条件下における最尤推定値の挙動. 第5回バークレー数理統計・確率シンポジウム議事録, 1, 221-233.
  • Newey W., McFadden D. (1994).大規模サンプル推定と仮説検定, 計量経済学ハンドブック, 第36章. Elsevier Science.
  • インベンス, グイド・W. ; スペーディ, リチャード・H. ; ジョンソン, フィリップ (1998). 「モーメント条件モデルにおける推論への情報理論的アプローチ」(PDF) . Econometrica . 66 (2): 333– 357. doi :10.2307/2998561. JSTOR  2998561.
  • サーガン, JD (1958). 操作変数を用いた経済関係の推定. Econometrica, 26, 393-415.
  • サーガン, JD (1959). 操作変数を用いた自己相関残差の関係性の推定. 英国王立統計学会誌 B, 21, 91-105.
  • Wang, CY, Wang, S., Carroll, R. (1997). 測定誤差とブートストラップ分析を用いた選択ベースサンプリングによる推定. Journal of Econometrics , 77, 65-86.
  • Bhargava, A., Sargan, JD (1983). 短期間のパネルデータから動的ランダム効果を推定する. Econometrica, 51, 6, 1635-1659.
  • 林文夫 (2000). 『計量経済学』 プリンストン: プリンストン大学出版局. ISBN 0-691-01018-8
  • ハンセン、ラース・ピーター(2002年)「モーメント法」。スメルサー(ニュージャージー州);ベイツ、PB(編)『国際社会行動科学百科事典』オックスフォード:ペルガモン
  • ホール、アラステア・R. (2005).一般化モーメント法. 計量経済学上級テキスト. オックスフォード大学出版局. ISBN 0-19-877520-2
  • ファシアネ、カービー・アダム・ジュニア (2006)。実証的・定量的ファイナンスのための統計学。実証的・定量的ファイナンスのための統計学。HCベアード。ISBN 0-9788208-9-4
  • 『ビジネスと経済統計ジャーナル』特別号:第14巻第3号および第20巻第4号
  • 一般化モーメント法の簡単な紹介
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