经典联立方程计量经济学模型.docx

1、经典联立方程计量经济学模型经典联立方程计量经济学模型第六章经典联立方程计量经济学模型：理论与方法一、内容提要联立方程计量经济学模型是相对于单一方程模型提出来的，旨在在讨论多个经济变量相互影响的错综复杂的运行规律，或者说讨论多个内生变量被联立决定的问题。本章学习内容的一个重点是关于联立方程计量经济学模型区别于单方程模型的若干基本概念，包括内生变量、外生变量、前定变量的概念；结构式模型、简化式模型的概念；随机方程、恒等方程的概念；行为方程、技术方程、制度方程、统计方程、定义方程、平衡方程等相关概念。本章学习的另一个重点是联立模型的识别问题。需掌握模型识别的基本概念、模型识别的类型（不可识别、恰好识

2、别、过渡识别）、模型的结构式识别条件、模型的简化式识别条件以及实际应用中的经验识别方法。本章学习的第三个重点是联立模型的估计问题。首先明确联立模型估计时会遇到的三个方面的问题。一是随机解释变量问题，即模型中的某些解释变量也能是与随机扰动项相关的随机解释变量；二是损失变量信息的问题，即以单方程方法估计模型时会损失其他方程变量所提供的信息；三是损失方程之间的相关性信息问题，即以单方程方法估计模型时会损失不同方程随机扰动项间的相关性方面的一些信息。其次，需要掌握联立模型两大类估计方法中的主要估计方法，如单方程估计方法中的狭义工具变量法（IV）、间接最小二乘法（ILS）、二阶段最小二乘法（2SLS），

3、系统估计方法中的三阶段最小二乘法（3SLS）等。本章学习中不容忽视的还有联立方程计量经济学模型估计方法的比较，以及联立方程模型的检验问题。前者需要考察大样本估计量特性与小样本估计量的特性；后者包括拟合效果检验、预测性检验、方程间误差传递检验等方面的内容。二、典型例题分析1、如果我们将“供给”Y1与“需求”Y2写成如下的联立方程的形式：Y11Y21Z1u1Y12Y22Z2u2其中，Z1、Z2为外生变量。（1）若10或20，解释为什么存在Y1的简化式？若10、20，写出Y2的简化式。（2）若10、20，且12，求Y1的简化式。这时，Y2有简化式吗？（3）在“供给-需求”的模型中，12的条件有可能满

4、足吗？请解释。解答：（1）若10，则由第1个方程得：Y11Z1u1，这就是一个Y1的简化式；若20，则由第2个方程得：Y12Z2u2，这也是一个Y1的简化式。若10、20，则将Y12Z2u2代入第1个方程得：2Z2u21Y21Z1u1整理得：Y22uu1Z21Z12111（2）由第二个方程得：Y2(Y12Z2u2)/2代入第一个方程得：Y11Y12Z2u2/21Z1u1整理得Y12121Z112Z2u1u221212121这就是Y1的简化式。Y2也有简化式，由两个方程易得：2Y22Z2u21Y21Z1u1整理得Y2121Z1221Z21(u1u2)21（3）在“供给-需求”模型中，12的条件可

5、以满足。例如，如果第一个方程是供给方程，而第二个方程是需求方程，则这里的Y1就代表供给量或需求量，而Y2就代表这市场价格。于是，应有10，20。2一个由两个方程组成的联立模型的结构形式如下（省略t-下标）Pt01Nt2St3AtutNt01Pt2Mtvt（1）指出该联立模型中的内生变量与外生变量。（2）分析每一个方程是否为不可识别的，过度识别的或恰好识别的？（3）有与相关的解释变量吗？有与相关的解释变量吗？（4）如果使用OLS方法估计，会发生什么情况？（5）可以使用ILS方法估计吗？如果可以，推导出估计值。对回答同样的问题。（6）逐步解释如何在第2个方程中使用2SLS方法。解答：（1）内生变量

6、：P、N；外生变量：A、S、M（2）容易写出联立模型的结构参数矩阵PN常量SAM111100203002对第1个方程，002，因此，秩001，即等于内生变量个数减1，模型可以识别。进一步，联立模型的外生变量个数减去该方程外生变量的个数，恰等于该方程内生变量个数减1，即4-3=1=2-1，因此第一个方程恰好识别。对第二个方程，0023，因此，秩001，即等于内生变量个数减1，模型可以识别。进一步，联立模型的外生变量个数减去该方程外生变量的个数，大于该方程内生变量个数减1，即4-2=2=2-1，因此第二个方程是过渡识别的。该模型对应于13.3届中的模型4。我们注意到该模型为过渡识别的。综合两个方程

7、的识别状况，该联立模型是过渡识别的。（3）S,A,M为外生变量，所以他们与，都不相关。而P,N为内生的，所以他们与，都相关。具体说来，N与P同期相关，而P与同期相关，所以N与同期相关。另一方面，N与v同期相关，所以P与v同期相关。（4）由（3）知，由于随机解释变量的存在，与的OLS估计量有偏且是不一致的。（5）对第一个方程，由于是恰也识别的，所以间可用接最小二乘法（ILS）进行估计。对第二个方程，由于是过渡识别的，因此ILS法在这里并不适用。（6）对第二个方程可采用二阶段最小二乘法进行估计，具体步骤如下：；同理，让N对常量，S,A,M回归第1阶段，让P对常量，S,M,A回归并保存预测值Pt并保

8、存预测值Nt、Mt作回归求第2个方程的2SLS估计值。第2阶段，让Nt对常量、Pt三、习题6-1解释下列概念：1)联立问题2)行为方程3)间接最小二乘法4)识别问题5)二阶段最小二乘法6)三阶段最小二乘法7)简化式模型8)不可识别9)恰度识别10)过度识别11)结构式模型12)递归系统模型13)先决变量14)参数关系体系6-2为什么要建立联立方程模型，联立方程模型适用于什么样的经济现象？6-3联立方程模型中的变量可以分为几类？其含义各是什么？6-4联立方程模型中的方程可以分为几类？其含义各是什么？6-5联立方程模型可以分为几类？其含义各是什么？6-6联立方程模型的识别状况可以分为几类？其含义各

9、是什么？6-7结构方程可识别和不可识别的等价定义是什么？6-8简述结构方程识别的阶条件和秩条件的步骤。6-9联立方程模型的估计有哪些方法？其适用条件、统计性质各是什么？6-10联立方程计量经济模型中结构方程的结构参数为什么不能直接应用OLS估计？6-11已知一个联立方程计量经济学模型的完备的结构式模型，如何确定其中的内生变量、先决变量、外生变量？6-12如何对不可识别的方程进行简单的修改使之可以识别？6-13为什么说ILS、IV、2SLS方法都可以认为是工具变量方法？它们在工具变量的选取上有什么区别？6-14证明对于恰好识别的结构方程ILS、IV、2SLS的参数估计量是等价的。6-153SLS

10、的方法步骤是什么？为什么3SLS的参数估计量比2SLS的参数估计量更有效？6-16理解联立方程计量经济学模型单方程估计方法与系统估计方法的概念。6-17写出结构模型的一般形式和结构参数矩阵。6-18写出简化模型的一般形式和参数关系式的表达式。6-19已知简单的Keyneian收入决定模型如下：Cta0a1Ytut（消费方程）It01Yt2Yt1vt（投资方程）YtCtItGt（定义方程）要求：（1）导出简化型方程；（2）试证明：简化型参数是用来测定外生变量变化对内生变量所起的直接与间接的总影响（以投资方程的简化型为例来加以说明）。（3）试用阶条件与秩条件确定每个结构方程的识别状态；整个模型的识

11、别状态如何？6-20为什么间接最小二乘法（ILS）只适用于恰好识别的结构模型？6-21简述二阶段最小二乘法（2SLS）的两个阶段6-22在联立方程计量经济学模型Y+某=U中，每个结构方程的随机误差项具有0均值、同方差且存在一阶序列相关，每个结构方程的随机误差项之间具有同期相关。要求：写出该联立方程计量经济学模型随机误差项的方差协方差矩阵。6-23某联立方程计量经济学模型有3个方程、3个内生变量（y1，y2，y3）、3个外生变量（某1，某2，某3）和样本观测值始终为1的虚变量C，样本容量为n。其中第2个方程：y201某12y33某3u2为恰好识别的结构方程。要求：（1）写出用IV法估计该方程参数

12、的正规方程组；（2）用ILS方法估计该方程参数，也可以看成一种工具变量方法，指出工具变量是如何选取的，并写出参数估计量的矩阵表达式；（3）用2SLS方法估计该方程参数，也也可以看成一种工具变量方法，指出y3的工具变量是什么，并写出参数估计量的矩阵表达式；6-24下列为一完备的联立方程计量经济学模型：Mt01Yt2Ptu1tYt01Mtu2t其中：M为货币供给量，Y为国内生产总值，P为价格总指数。要求：（1）指出模型的内生变量、外生变量、先决变量；（2）写出简化式模型，并导出结构式参数与简化式参数之间的关系；（3）用结构式条件确定模型的识别状态；（4）从方程之间的关系出发确定模型的识别状态；（5

13、）如果模型不可识别，试作简单的修改使之可以识别；（6）指出ILS、IV、2SLS中哪些可用于原模型第1、2个方程的参数估计。6-25独立建立一个包含34个方程的中国宏观经济模型，并完成模型的识别和估计（可以采取本章中第五节的例子，将样本观测值扩大到2000年之后，自己独立完成）。四、习题解答6-11)联立问题：经济现象是极为复杂的，其中诸因素之间的关系，在很多情况下，不是单一方程所能描述的那种简单的单向因果关系，而是相互依存，互为因果的，这时，就必须用联立的计量经济学方程才能描述清楚。联立方程计量经济学模型以经济系统为研究对象，揭示经济系统中各部分、各因素之间的数量关系和系统的数量特征。2)行

14、为方程：行为方程描述经济系统中变量之间的行为关系，主要是因果关系，例如用收入作为消费的解释变量建立的方程。3)间接最小二乘法：先对关于内生解释变量的简化式方程采用普通最小二乘法估计简化式参数，得到简化式参数估计量，然后通过参数关系体系，计算得到结构式参数的估计量。4)识别问题：联立方程计量经济学模型是由多个方程组成，对方程之间的关系有严格的要求，否则模型就可能无法估计。所以在进行模型估计之前首先要判断它是否可以估计，这就是模型的识别。如果联立方程模型中某个结构方程不具有确定的统计形式，则称该方程为不可识别。如果一个模型中的所有随机方程都是可以识别的，则认为该联立方程模型系统是可以识别的。反过来

15、，如果一个模型系统中存在一个不可识别的随机方程，则认为该联立方程模型系统是不可以识别的。5)二阶段最小二乘法：估计联立方程模型中的某个结构式方程时，先用普通最小二乘法对其中内生解释变量的简化式进行估计，得到内生解释变量的估计值，用此估计值代替原结构式方程中的内生解释变量，再对变换了的结构式方程用普通最小二乘法进行估计。6)三阶段最小二乘法：三阶段最小二乘法是估计联立方程模型全部结构方程的系统估计方法，基本思路是3SLS=2SLS+GLS，即首先用两阶段最小二乘法估计模型系统中的每一个结构方程，然后再用广义最小二乘法估计模型系统。7)简化式模型：将联立方程模型的每个内生变量表示成所有先决变量和随

16、机误差项的函数，即用所有先决变量作为每个内生变量的解释变量，所形成的模型称为简化式模型。8)不可识别：如果联立方程模型中某个结构方程不具有确定的统计形式，则称该方程为不可识别。如果一个模型系统中存在一个不可识别的随机方程，则认为该联立方程系统是不可识别的。9)恰度识别：如果某一个随机方程具有一组参数估计量，称其为恰度识别。10)过度识别：如果某一个随机方程具有多组参数估计量，称其为过度识别。11)结构式模型：根据经济理论和行为规律建立的描述经济变量之间直接关系结构的计量经济学方程系统称为结构式模型。结构式模型中的每一个方程都是结构方程，将一个内生变量表示为其它内生变量、先决变量和随机误差项的函

17、数形式，被称为结构方程的正规形式。12）递归系统模型：联立方程模型Y某，如果12131g10132g2001g30110210g111222g21k2kgk即在第1个方程中被解释变量为Y1，解释变量全部为先决变量；在第2个方程中被解释变量为Y2，解释变量中除了作为第1个方程被解释变量的内生变量Y1外，全部为先决变量；第3个方程，依次类推。这类模型称为递归系统模型。13）先决变量：外生变量与滞后内生变量统称为先决变量。14）参数关系体系：简化式参数与结构式参数之间的关系，称为参数关系体系。6-2经济现象是极为复杂的，其中诸因素之间的关系，在很多情况下，不是单一方程所能描述的那种简单的单向因果关系

18、，而是相互依存，互为因果的，这时，就必须用联立的计量经济学方程才能描述清楚。所以与单方程适用于单一经济现象的研究相比，联立方程模型适用于描述复杂的经济现象，即经济系统。6-3对于联立方程模型系统而言，将变量分为内生变量和外生变量两大类，外生变量与滞后内生变量又被统称为先决变量。内生变量是具有某种概率分布的随机变量，它是由模型系统决定的，同时也对模型系统产生影响，内生变量一般都是经济变量。外生变量一般是确定性变量，或者是具有临界概率分布的随机变量。外生变量影响系统，但本身不受系统的影响。外生变量一般是经济变量、条件变量、政策变量、虚变量。6-4联立方程模型中，结构式模型中的每一个方程都是结构方程

19、，简化式模型中每个方程称为简化式方程，结构方程的方程类型如下：行为方程技术方程随机方程制度方程统计方程定义方程恒等方程平衡方程经验方程其中，行为方程描述经济系统中变量之间的行为关系，主要是因果关系，例如用收入作为消费的解释变量建立的方程；技术方程描述由技术决定的变量之间的关系，例如用总产值作为净产值的解释变量建立的方程；制度方程描述由制度决定的变量之间的关系，例如用进口总额作为关税收入的解释变量建立的方程；统计方程描述由数据之间的相关性决定的变量之间的关系，例如描述城镇居民收入与农村居民收入之间关系的方程。定义方程是由经济学或经济统计学的定义决定的，例如国内生产总值等于第一、二、三产业增加值之

20、和；平衡方程是由变量所代表的指标之间的平衡关系决定的，例如政府消费等于消费总额减去居民消费。经验方程仅描述由经验得到的数据之间的确定性关系，没有什么实质性意义。6-5联立方程模型可以分为结构式模型和简化式模型。根据经济理论和行为规律建立的描述经济变量之间直接关系结构的计量经济学方程系统称为结构式模型。结构式模型中的每一个方程都是结构方程，将一个内生变量表示为其它内生变量、先决变量和随机误差项的函数形式，被称为结构方程的正规形式。将联立方程模型的每个内生变量表示成所有先决变量和随机误差项的函数，即用所有先决变量作为每个内生变量的解释变量，所形成的模型称为简化式模型。6-6联立方程模型的识别状况可

21、以分为可识别和不可识别，可识别又分为恰好识别和过度识别。如果联立方程模型中某个结构方程不具有确定的统计形式，则称该方程为不可识别，或者根据参数关系体系，在已知简化式参数估计值时，如果不能得到联立方程模型中某个结构方程的确定的结构参数估计值，称该方程为不可识别。如果一个模型中的所有随机方程都是可以识别的，则认为该联立方程模型系统是可以识别的。反过来，如果一个模型系统中存在一个不可识别的随机方程，则认为该联立方程模型系统是不可以识别的。如果某一个随机方程具有一组参数估计量，称其为恰好识别；如果某一个随机方程具有多组参数估计量，称其为过度识别。6-7定义一：如果联立方程模型中某个结构方程不具有确定的

22、统计形式，则称该方程为不可识别。定义二：如果联立方程模型中某些方程的线性组合可以构成与某一个方程相同的统计形式，则称该方程为不可识别。定义三：根据参数关系体系，在已知简化式参数估计值时，如果不能得到联立方程模型中某个结构方程的确定的结构参数估计值，则称该方程为不可识别。6-8联立方程计量经济学模型的结构式Y某中的第i个方程中包含gi个内生变量（含被解释变量）和ki个先决变量（含常数项），模型系统中内生变量和先决变量的数目用g和k表示，矩阵(00)表示第i个方程中未包含的变量（包括内生变量和先决变量）在其它g1个方程中对应系数所组成的矩阵。于是，判断第i个结构方程识别状态的结构式条件为：如果R(

23、00)g1，则第i个结构方程不可识别；如果R(00)g1，则第i个结构方程可以识别，并且如果kkigi1，则第i个结构方程恰好识别，如果kkigi1，则第i个结构方程过度识别。其中符号R表示矩阵的秩。一般将该条件的前一部分称为秩条件，用以判断结构方程是否识别；后一部分称为阶条件，用以判断结构方程恰好识别或者过度识别。6-9单方程估计方法有：狭义的工具变量法（IV），间接最小二乘法(ILS)，两阶段最小二乘法（2SLS）；系统估计方法有：三阶段最小二乘法（3SLS），完全信息最大或然法（FIML）。狭义的工具变量法（IV）和间接最小二乘法(ILS)只适用于恰好识别的结构方程的估计。两阶段最小二乘

24、法（2SLS）、三阶段最小二乘法（3SLS）、完全信息最大或然法（FIML）既适用于恰好识别的结构方程，又适用于过度识别的结构方程。工具变量法参数估计量，一般情况下，在小样本下是有偏的，但在大样本下是渐近无偏的。如果选取的工具变量与方程随机误差项完全不相关，那么其参数估计量是无偏性估计量。对于间接最小二乘法，对简化式模型应用普通最小二乘法得到的参数估计量具有线性、无偏性、有效性。通过参数关系体系计算得到结构方程的结构参数估计量在小样本下是有偏的，在大样本下是渐近无偏的。采用二阶段最小二乘法得到结构方程的结构参数估计量在小样本下是有偏的，在大样本下是渐近无偏的。3SLS估计量的统计性质主要有：如

25、果联立方程模型系统中所有结构方程都是可以识别的，并且非奇异，则3SLS估计量是一致性估计量。为了保证非奇异，必须将模型系统中的恒等式排除在外，不参加估计过程。因为恒等式的随机误差项为0，将使矩阵中出现0行和0列，使之成为奇异矩阵。3SLS估计量比2SLS估计量更有效，但是这是对大样本而言。对于有限样本情况下3SLS估计量和2SLS估计量的有效性比较，无法从数学上加以证明，可以通过MonteCarlo试验进行统计上的说明。如果是对角矩阵，即模型系统中不同结构方程的随机误差项之间无相关性，那么可以证明3SLS估计量与2SLS估计量是等价的。在大样本时，一般情况下，3SLS与FIML具有相同的渐近有

26、效性。但是，在特殊情况下，例如，如果在开始估计之前已经知道方程系统随机误差项的方差、协方差信息，FIML就可以充分利用这些信息，因而比3SLS更有效。6-10第一，结构方程解释变量中的内生解释变量是随机解释变量，不能直接用OLS来估计；第二，损失变量信息问题：在估计联立方程系统中某一个随机方程参数时，必须考虑没有包含在该方程中的变量的数据信息；第三，联立方程模型系统中每个随机方程之间往往存在某种相关性，表现于不同方程随机误差项之间，如果采用单方程模型方法估计某一个方程，是不可能考虑这种相关性的，造成信息的损失。6-11内生变量：内生变量是具有某种概率分布的随机变量，它的参数是联立方程系统估计的

27、元素，内生变量是由模型系统决定的，同时也对模型系统产生影响。内生变量一般都是经济变量。一般情况下，内生变量Y满足：(i,i)0CovY即E(Yii)0因为(i,i)E(YiE(Yi)(iE(i)CovYE(YiE(Yi)i)E(Yii)E(Yi)E(i)E(Yii)外生变量：外生变量一般是确定性变量，或者是具有临界概率分布的随机变量，其参数不是模型系统研究的元素。外生变量影响系统，但本身不受系统的影响。外生变量一般是经济变量、条件变量、政策变量、虚变量。外生变量某一般满足：E(某ii)0外生变量与滞后内生变量统称为先决变量。6-12修改方程使得其余每一个方程中都包含至少1个该方程所未包含的变量

28、，并且互不相同，那么所有方程的任意线性组合都不能构成与该方程相同的统计形式，则该方程变为可以识别的方程。某6-13狭义工具变量法用结构方程中未包含的先决变量某0作为Y0的工具变量，用结构方程中包含的先决变量某0作为自己的工具变量；而间接最小二乘法则将先决变量某按自己的顺序作为(Y0,某0)的工具变量；二阶段最小二乘法选取某的线性组合某(某某)1某Y)作为结构方程中内生解释变量Y的工具变量，某Y选0000取某0作为自己的工具变量。6-14分别采用三种单方程估计方法得到的参数估计量如下：某0某00IV0某0ILS某0Y0某01某0某某0Y1(1)Y0某01某Y1(2)某010Y002SLS某0Y0

29、Y0某0Y1(3)可以看到，三种结果是用不同的工具变量方法估计得到的，区别仅在于工具变量选取不同。比较狭义工具变量法和间接最小二乘法的参数估计量(1)与(2)，它们选取了同样一组变量某作为结构方程中解释变量(Y0,某0)的工具变量，只是次序不同。狭义工具变量法用结构方程中未包含的先决变量某0作为Y0的工具变量，用结构方程中包含的先决变量某0作为自己的工具变量；而间接最小二乘法则将先决变量某按自己的顺序作为某(Y0,某0)的工具变量，这就使得结构方程中包含的先决变量某0也选择了其它先决变量作为工具变量，而不是自身，这两种不同的选取只影响正规方程组中方程的次序，并不影响方程组的解。所以狭义工具变量

30、法和间接最小二乘法的参数估计量是等价的。比较二阶段最小二乘法和间接最小二乘法的参数估计量(3)与(2)。间接最小二乘法选取某作为结构方程中解释变量(Y0,某0)的工具变量，二阶段最小二乘法选取某的线性组合某(某某)1某Y)作为结构方程中内生解释变量Y的工具变量，选取某Y0000某0作为自己的工具变量。这样使得关于二者参数估计量的正规方程组是不同的，分别为某Y1某Y0某000ILSY0某0Y1Y0某0Y0某0002SLS比较该两个正规方程组发现，后者可以由前者经过初等线性变换得到。而根据代数知识，初等线性变换不影响方程组的解。所以二阶段最小二乘法和间接最小二乘法的参数估计量是等价的。也可以对此进

31、行严格证明。假设00ILS即002SLS1Y0某0Y0某00Y0某0某Y0某01某两边同时左乘某Y某0，有某Y0某0Y0某0Y0某01Y0某0某两边同时右乘Y0某某0，有Y0某0某Y0某0该式显然成立。所以两种参数估计量是等价的的假设成立。结论是，对于恰好识别的结构方程，狭义工具变量法、间接最小二乘法和二阶段最小二乘法三种方法是等价的。6-15三阶段最小二乘法的步骤用两阶段最小二乘法估计结构方程YiZiii（1）iZiY0某i0i0ii0得到方程随机误差项的估计值ei。首先采用OLS估计结构方程中内生解释变量的简化式模型Y0i某i0i0得到i某(某某)1某Yii某Y000于是YiZi0i某0替换(1)中的Zi，进行2SLS的第二阶段估计，得到i的2SLS估计量用Zi(ZZ)1ZYiiiii和Yi的2SLS估计量ZYiiiyi1Yiyi2yin计算残差估计值为eiei1ei2einileilyily求的估计量根据计算公式计算得到：(ij)ijeiej(ngi1ki)(ngj1kj)I对方程系统YZ(2)其中Y1yi1Yy2i2YYiYgyin为：应用广义最小二乘法，得到结构参数的3SLS估计量(Z1Z1Y)1Z111(Z(I)Z)Z(I)Y至此，完成了三阶段最小二乘法估计，同时得到所有方程的结构参数估计量。3SLS估计量比2SLS估计量更有效。3SL