Heterocedasticidade e erros-padrão robustos

O mesmo coeficiente de uma regressão pode parecer muito ou pouco preciso, dependendo de como calculamos o erro-padrão. Quando a variância dos resíduos muda entre as observações, o erro-padrão usual deixa de medir a incerteza da estimativa. No exercício, usamos o PIB e a população dos municípios brasileiros para mostrar o que a heterocedasticidade afeta, o que ela mantém e como os erros-padrão robustos corrigem a inferência.
Dispersão dos resíduos da regressão contra os valores ajustados, formando um leque que se abre conforme o valor previsto aumenta

Uma regressão devolve um coeficiente com estatística t acima de 200. O mesmo coeficiente, com o erro-padrão calculado de outra forma, tem estatística t perto de 9. A estimativa do efeito é idêntica nos dois casos, e o que muda é a medida da incerteza em torno dela. Neste exercício, vamos ver por que o erro-padrão muda tanto e como corrigi-lo.

A diferença vem da heterocedasticidade, que acontece quando a variância dos erros da regressão muda ao longo dos dados. Ou seja, algumas observações ficam, em média, muito mais longe da reta estimada do que outras.

No nosso exemplo, a regressão relaciona o PIB de cada município brasileiro à sua população. Municípios mais populosos tendem a ter PIB maior, e a dificuldade está na dispersão dos pontos em torno da reta estimada.

Dispersão dos resíduos da regressão contra os valores ajustados, formando um leque que se abre conforme o valor previsto aumenta
Resíduos contra valores previstos. Fonte: IBGE (SIDRA 5938 e 6579).

Na figura acima, cada ponto é um município, com o valor previsto pela regressão no eixo horizontal e o resíduo no eixo vertical. O resíduo é a diferença entre o PIB observado e o PIB previsto.

Os pontos formam um leque que se abre da esquerda para a direita. Para municípios pequenos, os resíduos se concentram perto de zero, e para municípios grandes eles se espalham por uma faixa muito mais larga.

O formato de leque é o sinal visual mais comum da heterocedasticidade. Se a variância fosse constante, a nuvem de pontos teria largura parecida em toda a extensão do eixo horizontal.

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O que a heterocedasticidade afeta na regressão?

O método de mínimos quadrados supõe que os erros da regressão têm variância constante, condição chamada de homocedasticidade.

Var(εi | Xi) = σ2  para todo i

Na equação, εi é o erro da observação i, Xi são suas variáveis explicativas e σ2 é a variância comum a todas as observações.

Quando essa variância depende das variáveis explicativas, a suposição de homocedasticidade falha. O que acontece então com a regressão?

O estimador de mínimos quadrados continua não viesado: em média, ele acerta o coeficiente verdadeiro. O problema aparece na fórmula do erro-padrão, que foi derivada supondo variância constante.

Var(β̂) = σ2 (X′X)−1

Na fórmula, β̂ é o coeficiente estimado e X é a matriz das variáveis explicativas. Como a fórmula usa um único σ2 para todas as observações, a incerteza calculada fica errada quando a variância muda entre observações, e em geral fica menor do que a verdadeira.

O erro-padrão robusto

O erro-padrão robusto corrige o cálculo trocando o σ2 único por uma estimativa que usa o resíduo de cada observação.

Varrob(β̂) = (X′X)−1 ( Σi ε̂i2 Xi Xi′ ) (X′X)−1

O termo entre as duas matrizes (X′X)−1 soma o quadrado do resíduo de cada observação, e por isso cada observação contribui com a sua própria variância. Pelo formato da expressão, com esse termo entre duas matrizes iguais, o estimador também é chamado de estimador sanduíche.

As variantes HC0, HC1, HC2 e HC3 diferem apenas no ajuste aplicado aos resíduos.

Quanto o erro-padrão muda no nosso exemplo?

Gráfico de barras com o erro-padrão do coeficiente por método, em que o clássico é muito menor que todas as variantes robustas
Erro-padrão do coeficiente por método de estimação. Fonte: IBGE.

Na figura acima, cada barra mostra o erro-padrão do coeficiente calculado por um método. A barra do método clássico é muito menor que as demais.

Entre as variantes robustas, HC0 e HC1 ficam próximas, enquanto HC2 e HC3 sobem mais, porque dão peso maior aos resíduos de observações com alta alavancagem, aquelas cujas variáveis explicativas ficam longe da média e por isso puxam a reta estimada.

No nosso exemplo, os municípios de grande porte são as observações de alta alavancagem, porque a população deles fica muito acima da média. Na prática, a diferença entre os métodos aparece no intervalo de confiança, que é o resultado reportado ao leitor.

Estimativa pontual e intervalo de confiança de noventa e cinco por cento por método, com o ponto na mesma altura e as barras de larguras muito diferentes
Mesma estimativa, intervalos de confiança distintos. Fonte: IBGE.

Na figura acima, cada ponto é a estimativa do coeficiente e cada barra vertical é o intervalo de confiança de 95% calculado por um método. Os pontos ficam todos na mesma altura, porque a estimativa pontual não depende do tipo de erro-padrão, enquanto as barras mudam de largura.

Um intervalo estreito demais leva a rejeitar hipóteses que deveriam ser mantidas, e informa ao leitor uma precisão maior do que os dados sustentam.

Quantas vezes o erro-padrão clássico rejeita uma hipótese verdadeira?

Podemos verificar por simulação que o erro-padrão clássico rejeita a hipótese nula com frequência excessiva. O exercício gera dados com heterocedasticidade em que o coeficiente verdadeiro é zero, e registra quantas vezes cada método rejeita a hipótese nula.

Comparação da taxa de rejeição entre erro-padrão clássico e robusto em simulações com coeficiente verdadeiro zero, com o clássico bem acima do nível nominal
Taxa de rejeição com coeficiente verdadeiro zero. Elaboração: Análise Macro.

Na figura acima, a linha tracejada marca o nível nominal de 5%, a taxa de rejeição que esperamos quando a hipótese nula é verdadeira. A barra do método clássico fica bem acima dessa linha, e a barra do método robusto fica perto dela.

Ou seja, com o erro-padrão clássico encontramos relações que não existem numa proporção maior do que os 5% aceitos ao escolher o corte.

Os limites do que o exercício mostra

🔧

A especificação continua a mesma
A correção ajusta a medida de incerteza. Uma relação não linear ou uma variável omitida continuam no modelo e precisam de outra correção.
👥

Grupos pedem outro cálculo
Com erros correlacionados dentro de grupos, como alunos numa escola, a correção adequada é o erro-padrão agrupado.
📐

O logaritmo costuma resolver
Quando a variância cresce com o nível, estimar em logaritmo reduz a heterocedasticidade, porque a dispersão passa a ser medida em variação percentual, e muda a leitura do coeficiente para elasticidade.

O tamanho da amostra também afeta a escolha da variante. Em amostras pequenas, o HC0 tende a subestimar a variância, e o HC3 costuma ser a escolha mais segura.

O roteiro para tratar a heterocedasticidade

Passo O que fazer
1 Estime o modelo e plote os resíduos contra os valores ajustados.
2 Procure o formato de leque, que indica variância crescente.
3 Confirme com o teste de Breusch-Pagan ou de White.
4 Considere transformar a variável dependente antes de corrigir.
5 Reporte erros-padrão robustos, e agrupados quando houver estrutura de grupo.

O quarto passo vem antes do quinto porque corrigir o erro-padrão mantém a especificação como está. Transformar a variável, por exemplo com o logaritmo, pode reduzir a heterocedasticidade e melhorar o ajuste do modelo ao mesmo tempo.

Considerações finais

O diagnóstico da heterocedasticidade começa por um gráfico dos resíduos, e a correção do erro-padrão exige uma mudança pequena na estimação. Quando ignoramos o problema, publicamos intervalos estreitos demais e testes que rejeitam hipóteses verdadeiras com frequência acima do corte escolhido.

Os testes formais, como o de Breusch-Pagan, complementam o gráfico dos resíduos e confirmam o diagnóstico.

  • Analista de dados: plota os resíduos antes de reportar qualquer coeficiente, e reconhece o leque de imediato.
  • Economista: usa erro-padrão agrupado em regressão com microdados, em que domicílios do mesmo setor censitário se parecem.
  • Gestor de risco: desconfia de significância obtida em dados cuja dispersão cresce com o tamanho da exposição.
  • Trader: trata séries de retorno sabendo que a volatilidade varia no tempo, o que é a versão temporal do mesmo problema.
  • Atuária: modela sinistro por apólice considerando que a variância cresce com o valor segurado.

Em todos esses casos, olhamos os resíduos antes de confiar no erro-padrão.

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Referências

ANGRIST, J. D.; PISCHKE, J.-S. Mostly Harmless Econometrics: An Empiricist's Companion. Princeton: Princeton University Press, 2009.

BREUSCH, T. S.; PAGAN, A. R. A Simple Test for Heteroscedasticity and Random Coefficient Variation. Econometrica, v. 47, n. 5, p. 1287-1294, 1979.

MACKINNON, J. G.; WHITE, H. Some heteroskedasticity-consistent covariance matrix estimators with improved finite sample properties. Journal of Econometrics, v. 29, n. 3, p. 305-325, 1985.

WHITE, H. A Heteroskedasticity-Consistent Covariance Matrix Estimator and a Direct Test for Heteroskedasticity. Econometrica, v. 48, n. 4, p. 817-838, 1980.

WOOLDRIDGE, J. M. Econometric Analysis of Cross Section and Panel Data. 2. ed. Cambridge: MIT Press, 2010.

Leia também: Poder estatístico: o que um resultado não significante deixa de dizer

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