% ========================================================================= % GSF6053 — Économétrie Financière (Hiver 2025) % Université Laval — Faculté des sciences de l'administration % Auteur : Simon-Pierre Boucher % Contact : contact@spboucher.ai % ========================================================================= \documentclass{beamer} % Encodages et langues \usepackage[T1]{fontenc} \usepackage[french]{babel} % Packages supplémentaires \usepackage{graphicx} \usepackage{amsmath, amssymb} \usepackage{booktabs} % Pour des tableaux plus esthétiques \usepackage{hyperref} % Pour les hyperliens \usepackage{pgfplots} % Pour les graphiques avancés \pgfplotsset{compat=1.17} % Thème et couleurs \usetheme{default} % Un thème plus moderne et professionnel \usecolortheme{seagull} % Palette de couleurs harmonieuse % Police \usepackage{lmodern} % Police améliorée % Informations sur la présentation \title[S01 Régression et MCO]{Régression et Moindres Carrés Ordinaires\\ (Séance 1)} \subtitle{GSF-6053 : Économétrie Financière} \author[SP. Boucher]{Simon-Pierre Boucher\inst{1}} \institute[Université Laval] { \inst{1}% Département de Finance, Assurance et Immobilier\\ Faculté des Sciences de l'Administration\\ Université Laval } \date[Hiver 2025]{14 Janvier 2025} % Configuration du pied de page avec logo en bas à droite \setbeamertemplate{footline}{ \leavevmode% \hbox{% \begin{beamercolorbox}[wd=.7\paperwidth,ht=2ex,dp=1ex,left]{author in head/foot}% \usebeamerfont{author in head/foot}\insertshortauthor \end{beamercolorbox}% \begin{beamercolorbox}[wd=.3\paperwidth,ht=2ex,dp=1ex,right]{date in head/foot}% \usebeamerfont{date in head/foot}\insertshortdate{}\hspace*{0.5em} \insertframenumber{} / \inserttotalframenumber\hspace*{0.5em} \raisebox{0.2cm}{\includegraphics[height=0.6cm]{logo_universite_laval.png}} % Ajustement du logo \end{beamercolorbox}}% \vskip0pt% } \setbeamertemplate{navigation symbols}{} % Supprime les symboles de navigation par défaut \begin{document} % Page de titre \begin{frame} \titlepage \end{frame} % Références \begin{frame}{Références} \textbf{Obligatoires :} \begin{itemize} \item \textbf{Wooldridge :} chapitres 2 à 7 \end{itemize} \vspace{0.5cm} \textbf{Complémentaires :} \begin{itemize} \item \textbf{Gujarati et Porter :} chapitres 1 à 9 \item \textbf{Greene :} chapitres 2, 3, 4, 5, 9, 14, 20, appendices C et D \end{itemize} \end{frame} % Plan de la séance \begin{frame}{Plan de la séance} \tableofcontents \end{frame} % Section Modèle de Régression \section{Modèle de Régression} \frame{\tableofcontents[current]} \begin{frame}{Modèle de Régression} \begin{itemize} \item Espérance conditionnelle d'une variable dépendante \textbf{(Y)} conditionnelle à la valeur connue des régresseurs \textbf{(X)} \begin{align*} \mathbb{E}(Y \vert X_i) = f(X_i) \end{align*} Où \( f(X_i) \) est une fonction des variables explicatives \( \mathbf{X} \) \vspace{0.5cm} \item Relation conditionnelle linéaire \begin{align*} \mathbb{E}(Y \vert X_i) = \beta_1 + \beta_2 X_i \end{align*} \item Composition de \( Y \) : \begin{itemize} \item Partie systématique ou déterministe, \( \mathbb{E}(Y \vert X_i) \) \item Partie aléatoire et non systématique, \( \mu_i \) \end{itemize} \end{itemize} \end{frame} \begin{frame}{Modèle de Régression} \begin{itemize} \item Modèle de Régression Linéaire Simple \begin{align*} Y_i = \beta_1 + \beta_2 X_i + \mu_i \end{align*} \item Prendre l'espérance des deux côtés \begin{align*} \mathbb{E}(Y_i \vert X_i) = \mathbb{E}(Y \vert X_i) + \mathbb{E}(\mu_i) \end{align*} Sachant que \( \mathbb{E}(Y_i \vert X_i) = \mathbb{E}(Y \vert X_i) \), alors \( \mathbb{E}(\mu_i) = 0 \) \item Les paramètres obtenus à partir d'un échantillon sont des estimateurs (notés avec \( \hat{} \)) \begin{align*} \hat{Y}_i = \hat{\beta}_1 + \hat{\beta}_2 X_i \end{align*} \begin{align*} Y_i = \hat{\beta}_1 + \hat{\beta}_2 X_i + \hat{\mu}_i \end{align*} \( \hat{\mu}_i \) représente l'estimateur du terme d'erreur, le résidu \end{itemize} \end{frame} % Section Moindres Carrés Ordinaires (En sommation) \section{Moindres Carrés Ordinaires (En sommation)} \frame{\tableofcontents[current]} \begin{frame}{Moindres Carrés Ordinaires (En sommation)} \begin{itemize} \item Définissons les résidus \begin{align*} \hat{\mu}_i = Y_i - \hat{Y}_i = Y_i - \hat{\beta}_1 - \hat{\beta}_2 X_i \end{align*} \item Choisir des estimateurs de \( \hat{\beta}_1 \) et \( \hat{\beta}_2 \) de façon à minimiser la somme des carrés des résidus \begin{align*} \sum_{i=1}^{N} \hat{\mu}_i^2 & = \left[\hat{\mu}_1^2 + \hat{\mu}_2^2 + \dots + \hat{\mu}_N^2 \right] \\ & = \sum_{i=1}^{N} (Y_i - \hat{\beta}_1 - \hat{\beta}_2 X_i)^2 \end{align*} \end{itemize} \end{frame} \begin{frame}{Moindres Carrés Ordinaires (En sommation)} \begin{itemize} \item Minimiser la somme des carrés des résidus par rapport à \( \hat{\beta}_1 \) et \( \hat{\beta}_2 \) \begin{align*} \min_{\hat{\beta}_1, \hat{\beta}_2} \sum_{i=1}^{N} (Y_i - \hat{\beta}_1 - \hat{\beta}_2 X_i)^2 = \min_{\hat{\beta}_1, \hat{\beta}_2} \sum_{i=1}^{N} \hat{\mu}_i^2 \end{align*} \item Équations normales \begin{equation} \frac{\partial \sum_{i=1}^{N} \hat{\mu}_i^2}{\partial \hat{\beta}_1} = -2 \sum_{i=1}^N (Y_i - \hat{\beta}_1 - \hat{\beta}_2 X_i) = 0 \end{equation} \begin{equation} \frac{\partial \sum_{i=1}^{N} \hat{\mu}_i^2}{\partial \hat{\beta}_2} = -2 \sum_{i=1}^N X_i (Y_i - \hat{\beta}_1 - \hat{\beta}_2 X_i) = 0 \end{equation} \end{itemize} \end{frame} \begin{frame}{Moindres Carrés Ordinaires (En sommation)} \begin{itemize} \item Solution de \( \hat{\beta}_1 \) à l'aide de l'équation (1) \begin{align*} -2 \sum_{i=1}^N (Y_i - \hat{\beta}_1 - \hat{\beta}_2 X_i) = 0 \end{align*} \begin{align*} \sum_{i=1}^N Y_i - N \hat{\beta}_1 - \hat{\beta}_2 \sum_{i=1}^N X_i = 0 \end{align*} \begin{align*} N \hat{\beta}_1 = \sum_{i=1}^N Y_i - \hat{\beta}_2 \sum_{i=1}^N X_i \end{align*} \end{itemize} \end{frame} \begin{frame}{Moindres Carrés Ordinaires (En sommation)} \begin{itemize} \item Solution de \( \hat{\beta}_1 \) à l'aide de l'équation (1) \vspace{0.5cm} On pose la propriété suivante : \begin{itemize} \item \( \sum_{i=1}^N Y_i = N \overline{Y} \) \item \( \sum_{i=1}^N X_i = N \overline{X} \) \end{itemize} \begin{align*} N \hat{\beta}_1 = N \overline{Y} - N \hat{\beta}_2 \overline{X} \end{align*} \begin{align*} \hat{\beta}_1 = \frac{N \overline{Y}}{N} - \frac{N \hat{\beta}_2 \overline{X}}{N} \end{align*} \begin{block}{Solution de \( \hat{\beta}_1 \)} \begin{align*} \hat{\beta}_1 = \overline{Y} - \hat{\beta}_2 \overline{X} \end{align*} \end{block} \end{itemize} \end{frame} \begin{frame}{Moindres Carrés Ordinaires (En sommation)} \begin{itemize} \item Solution de \( \hat{\beta}_2 \) à l'aide de l'équation (2) \begin{align*} -2 \sum_{i=1}^N X_i (Y_i - \hat{\beta}_1 - \hat{\beta}_2 X_i) = 0 \end{align*} \begin{align*} \sum_{i=1}^N X_i Y_i - \hat{\beta}_1 \sum_{i=1}^N X_i - \hat{\beta}_2 \sum_{i=1}^N X_i^2 = 0 \end{align*} Sachant \( \hat{\beta}_1 = \overline{Y} - \hat{\beta}_2 \overline{X} \) \begin{align*} \sum_{i=1}^N X_i Y_i - [\overline{Y} - \hat{\beta}_2 \overline{X}] \sum_{i=1}^N X_i - \hat{\beta}_2 \sum_{i=1}^N X_i^2 = 0 \end{align*} \end{itemize} \end{frame} \begin{frame}{Moindres Carrés Ordinaires (En sommation)} \begin{itemize} \item Solution de \( \hat{\beta}_2 \) à l'aide de l'équation (2) \begin{align*} \sum_{i=1}^N X_i Y_i - \overline{Y} \sum_{i=1}^N X_i - \hat{\beta}_2 \overline{X} \sum_{i=1}^N X_i - \hat{\beta}_2 \sum_{i=1}^N X_i^2 = 0 \end{align*} \begin{align*} \sum_{i=1}^N X_i Y_i - N \overline{X} \overline{Y} + \hat{\beta}_2 N \overline{X}^2 - \hat{\beta}_2 \sum_{i=1}^N X_i^2 = 0 \end{align*} \begin{align*} \sum_{i=1}^N X_i Y_i - N \overline{X} \overline{Y} = \hat{\beta}_2 \left[ \sum_{i=1}^N X_i^2 - N \overline{X}^2 \right] \end{align*} \end{itemize} \end{frame} \begin{frame}{Moindres Carrés Ordinaires (En sommation)} \begin{itemize} \item Solution de \( \hat{\beta}_2 \) à l'aide de l'équation (2) \begin{align*} \hat{\beta}_2 = \frac{\sum_{i=1}^N X_i Y_i - N \overline{X} \overline{Y}}{\sum_{i=1}^N X_i^2 - N \overline{X}^2} \end{align*} Sachant que \begin{itemize} \item \( \sum_{i=1}^N X_i Y_i - N \overline{X} \overline{Y} = \sum_{i=1}^N (X_i - \overline{X})(Y_i - \overline{Y}) \) \item \( \sum_{i=1}^N X_i^2 - N \overline{X}^2 = \sum_{i=1}^N (X_i - \overline{X})^2 \) \end{itemize} \begin{block}{Solution de \( \hat{\beta}_2 \)} \begin{align*} \hat{\beta}_2 = \frac{\sum_{i=1}^N (X_i - \overline{X})(Y_i - \overline{Y})}{\sum_{i=1}^N (X_i - \overline{X})^2} \end{align*} \end{block} \end{itemize} \end{frame} % Section Moindres Carrés Ordinaires (Format Matricielle) \section{Moindres Carrés Ordinaires (Format Matricielle)} \frame{\tableofcontents[current]} \begin{frame}{Moindres Carrés Ordinaires (Format Matricielle)} \begin{itemize} \item Vecteur de la variable à expliquer \textbf{(n $\times$ 1)} \[ Y = \begin{pmatrix} y_1 \\ y_2 \\ \vdots \\ y_n \\ \end{pmatrix} \] \item Matrice de variables explicatives \textbf{(n $\times$ (k+1))} \[ X = \begin{bmatrix} 1 & x_{11} & x_{21} & \cdots & x_{k1} \\ 1 & x_{12} & \cdots & \cdots & x_{k2} \\ 1 & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 1 & x_{1n} & \cdots & \cdots & x_{kn} \end{bmatrix} \] \end{itemize} \end{frame} \begin{frame}{Moindres Carrés Ordinaires (Format Matricielle)} \begin{itemize} \item Vecteur de coefficients associés \textbf{(k+1 $\times$ 1)} \[ \beta = \begin{pmatrix} \beta_0 \\ \beta_1 \\ \beta_2 \\ \vdots \\ \beta_k \\ \end{pmatrix} \] \item Vecteur associé au terme d'erreur \textbf{(n $\times$ 1)} \[ u = \begin{pmatrix} u_1 \\ u_2 \\ \vdots \\ u_n \\ \end{pmatrix} \] \end{itemize} \end{frame} \begin{frame}{Moindres Carrés Ordinaires (Format Matricielle)} \begin{itemize} \item Modèle Univarié \begin{align*} \begin{pmatrix} y_1 \\ y_2 \\ \vdots \\ y_n \\ \end{pmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & x_{11} & x_{21} & \cdots & x_{k1} \\ 1 & x_{12} & \cdots & \cdots & x_{k2} \\ 1 & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 1 & x_{1n} & \cdots & \cdots & x_{kn} \end{bmatrix} \begin{pmatrix} \beta_0 \\ \beta_1 \\ \beta_2 \\ \vdots \\ \beta_k \\ \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} u_1 \\ u_2 \\ \vdots \\ u_n \\ \end{pmatrix} \end{align*} Que nous réécrirons comme suit : \begin{align*} Y = X \beta + u \end{align*} \end{itemize} \end{frame} \begin{frame}{Moindres Carrés Ordinaires (Format Matricielle)} \begin{itemize} \item Hypothèses distributionnelles sur \( u \) \begin{itemize} \item \( u \sim \text{iid} \) et \( \mathbb{E}(u) = 0 \) \item \( \text{Var}(u) = \sigma^2 I \) \item \( u \sim \text{iid } N(0, \sigma^2) \) \end{itemize} \begin{align*} \mathbb{E}(u) = \begin{pmatrix} \mathbb{E}(u_1) = 0 \\ \mathbb{E}(u_2) = 0 \\ \vdots \\ \mathbb{E}(u_n) = 0 \\ \end{pmatrix} \end{align*} \item Il n'y a pas de corrélation sérielle des erreurs \begin{align*} \text{Var}(u) = \mathbb{E}(uu') = \sigma^2 I \end{align*} \item Découle de l'indépendance \begin{align*} \text{Cov}(u_i, u_j) = 0 \quad \text{pour } i \neq j \quad \forall i, j \end{align*} \end{itemize} \end{frame} \begin{frame}{Moindres Carrés Ordinaires (Format Matricielle)} \textbf{Rappel :} \begin{align*} \text{Var}(u) = \mathbb{E}(uu') - \mathbb{E}(u)\mathbb{E}(u') \end{align*} \textbf{Avec l'hypothèse d'indépendance :} \begin{align*} \text{Var}(u) = \begin{pmatrix} \sigma^2 & \cdots & 0 \\ \vdots & \sigma^2 & \vdots \\ 0 & \cdots & \sigma^2 \end{pmatrix} = \sigma^2 \begin{pmatrix} 1 & \cdots & 0 \\ \vdots & 1 & \vdots \\ 0 & \cdots & 1 \end{pmatrix} \end{align*} \end{frame} \begin{frame}{Dérivation MCO (Format Matricielle)} \begin{align*} \hat{\beta} = \arg\min_{\beta} (\hat{u}'\hat{u}) \end{align*} \begin{align*} \hat{\beta} = \arg\min_{\beta} \left( (Y - X \hat{\beta})' (Y - X \hat{\beta}) \right) \end{align*} Distribution des termes de la multiplication matricielle : \begin{align*} (Y - X \beta)' (Y - X \beta) = Y'Y - Y'X \hat{\beta} - \hat{\beta}'X'Y + \hat{\beta}'X'X \hat{\beta} \end{align*} Sachant \begin{align*} Y'X \hat{\beta} = \hat{\beta}'X'Y \end{align*} Alors : \begin{align*} (Y - X \beta)' (Y - X \beta) = Y'Y - 2 Y'X \hat{\beta} + \hat{\beta}'X'X \hat{\beta} \end{align*} \end{frame} \begin{frame}{Dérivation MCO (Format Matricielle)} \begin{itemize} \item Dérivée de la somme des résidus au carré par rapport à \( \beta \) \begin{align*} \frac{\partial (\text{RSS})}{\partial \hat{\beta}} = \frac{\partial (Y'Y - 2 Y'X \hat{\beta} + \hat{\beta}'X'X \hat{\beta})}{\partial \hat{\beta}} \end{align*} Sachant \begin{align*} \frac{\partial (Y'X \hat{\beta})}{\partial \hat{\beta}} = X'Y \end{align*} \begin{align*} \frac{\partial (\hat{\beta}'X'X \hat{\beta})}{\partial \hat{\beta}} = 2 X'X \hat{\beta} \end{align*} \end{itemize} \end{frame} \begin{frame}{Dérivation MCO (Format Matricielle)} \begin{align*} \frac{\partial (\text{RSS})}{\partial \hat{\beta}} = -2 X'Y + 2 X'X \hat{\beta} = 0 \end{align*} \begin{align*} X'Y = X'X \hat{\beta} \end{align*} \begin{align*} \hat{\beta} = (X'X)^{-1} X'Y \end{align*} \begin{block}{Estimateur de \( \hat{\beta} \) par MCO} \begin{align*} \hat{\beta} = (X'X)^{-1} X'Y \end{align*} \end{block} \end{frame} \begin{frame}{Dérivation MCO (Format Matricielle)} \begin{itemize} \item Il n'existe pas d'estimateur de \( \sigma^2 \) pour la méthode des Moindres Carrés Ordinaires \item On peut estimer empiriquement comme suit : \begin{align*} \hat{\sigma}^2 = \frac{1}{T} \sum_{i=1}^N \hat{u}_i^2 = \frac{\hat{u}'\hat{u}}{N} \end{align*} \end{itemize} \end{frame} % Section Exemple Numérique \section{Exemple Numérique} \frame{\tableofcontents[current]} \begin{frame}{Exemple Numérique} \begin{itemize} \item Nous allons générer des variables aléatoires à l’aide d’un modèle dont nous allons déterminer les paramètres. \item Nous allons utiliser un modèle linéaire simple ayant le format suivant : \begin{align*} Y = \beta_1 + \beta_2 X_i + \epsilon_i \end{align*} \begin{itemize} \item L'intercepte de notre modèle sera de \( \beta_1 = 60 \). \item La pente de notre modèle sera de \( \beta_2 = 2 \). \item Nous allons faire l'hypothèse que notre terme d'erreur suit une loi normale de moyenne 0 et variance 4 (\( \epsilon \sim N(0,4) \)). \end{itemize} \item Il nous est maintenant possible de déterminer une valeur pour chaque \( Y_i \) en utilisant les \( X_i \). \item Pour les \( X_i \) nous allons générer uniformément 40 observations entre 0 et 40. \end{itemize} \end{frame} \begin{frame}{Nuage de points et régression linéaire (\( \epsilon \sim N(0,2) \))} \includegraphics[width=10cm, height=8cm]{ols_2.png} \end{frame} \begin{frame}{Nuage de points et régression linéaire (\( \epsilon \sim N(0,4) \))} \includegraphics[width=10cm, height=8cm]{ols_4.png} \end{frame} \begin{frame}{Nuage de points et régression linéaire (\( \epsilon \sim N(0,6) \))} \includegraphics[width=10cm, height=8cm]{ols_6.png} \end{frame} \begin{frame}{Nuage de points et régression linéaire (\( \epsilon \sim N(0,8) \))} \includegraphics[width=10cm, height=8cm]{ols_8.png} \end{frame} \begin{frame}{Exemple Numérique} \begin{table} \begin{center} \begin{tabular}{l c c c c} \hline & \( \epsilon \sim N(0,2) \) & \( \epsilon \sim N(0,4) \) & \( \epsilon \sim N(0,6) \) & \( \epsilon \sim N(0,8) \) \\ \hline (Intercept) & \( 59.30^{***} \) & \( 59.28^{***} \) & \( 60.89^{***} \) & \( 55.68^{***} \) \\ & \( (0.68) \) & \( (1.35) \) & \( (2.43) \) & \( (2.31) \) \\ X & \( 2.02^{***} \) & \( 2.03^{***} \) & \( 2.00^{***} \) & \( 2.13^{***} \) \\ & \( (0.03) \) & \( (0.06) \) & \( (0.10) \) & \( (0.10) \) \\ \hline \( R^2 \) & \( 0.99 \) & \( 0.96 \) & \( 0.89 \) & \( 0.91 \) \\ Adj. \( R^2 \) & \( 0.99 \) & \( 0.96 \) & \( 0.89 \) & \( 0.91 \) \\ Num. obs. & \( 50 \) & \( 50 \) & \( 50 \) & \( 50 \) \\ \hline \multicolumn{5}{l}{\scriptsize{\(^{***}p<0.001\); \(^{**}p<0.01\); \(^{*}p<0.05\)}} \end{tabular} \caption{Table de régression} \label{table:coefficients} \end{center} \end{table} \end{frame} \end{document}