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ダミー変数と多重共線性

重回帰分析では、量的変数だけでなく、部屋の向きのような質的変数を扱うこともあります。また、説明変数どうしに強い関係があると、偏回帰係数の推定が不安定になることがあります。このレクチャーでは、質的変数を重回帰分析に取り込むためのダミー変数と、多重共線性について整理します。
このページのゴール

ダミー変数の考え方と、多重共線性が問題になる理由を理解する。

STEP 01

重回帰分析の2つの補足論点

このレクチャーでは、 重回帰分析について 2つの補足的な論点を見ていきます。

① ダミー変数
部屋の向きのような 質的変数を、重回帰式で扱える形に変換する方法
② 多重共線性
説明変数どうしの関係が強すぎると、 偏回帰係数の推定が不安定になる問題
今回の2テーマ
「質的変数をどう入れるか」と 「説明変数どうしが似すぎると何が起こるか」を整理します。
STEP 02

質的変数はそのままでは重回帰式に入れにくい

これまでの重回帰分析では、 部屋の広さや駅徒歩のような 量的変数 を説明変数として使ってきました。

しかし、 実際のデータには、 数値そのものでは表しにくい 質的変数 もあります。

たとえば「部屋の向き」
西

この「南・東・西・北」という文字のままでは、 通常の重回帰式の説明変数として そのまま扱うことはできません。

そこで、 0と1の数値に置き換える工夫をします。

STEP 03

質的変数を複数のダミー変数に分解する

質的変数を重回帰分析で扱うときは、 まず1つの質的変数を、 複数の0・1変数に分解する と考えるとわかりやすいです。

質的変数「部屋の向き」
南・東・西・北
南ダミー
東ダミー
西ダミー

それぞれのダミー変数について、 そのカテゴリに該当すれば1、 該当しなければ0を入れます。

部屋 向き 西
A 1 0 0
B 西 0 0 1
C 0 1 0
D 0 0 0

このように、 質的変数を0と1で表現した変数を ダミー変数 と呼びます。

ダミー変数
1つの質的変数を、 重回帰式で扱える複数の0・1変数に分解したもの。
STEP 04

ダミー変数はカテゴリ数より1つ少なく作る

ここで重要なのが、 元のカテゴリは

南・東・西・北
4種類

あるのに、 ダミー変数は

南・東・西
3個

しか作っていないことです。

南 = 0
東 = 0
西 = 0
それだけで「北」だとわかる

つまり、 北というダミー変数まで作ると、 すでに他の3変数からわかる情報を 重複して持たせることになります。

基本ルール

定数項を含む通常の重回帰モデルでは、 カテゴリ数を \(k\) とすると、 ダミー変数は \(k-1\) 個 用意します。
STEP 05

作らなかったカテゴリが「基準」になる

今回は、 南・東・西のダミー変数を作り、 北のダミー変数を作りませんでした。

このとき、 北が 基準カテゴリ になります。

\[ \hat y = \hat\beta_0 + \hat\beta_{\mathrm{南}}D_{\mathrm{南}} + \hat\beta_{\mathrm{東}}D_{\mathrm{東}} + \hat\beta_{\mathrm{西}}D_{\mathrm{西}} \]

北向きの場合には、 3つのダミー変数がすべて0になります。

\[ D_{\mathrm{南}} = D_{\mathrm{東}} = D_{\mathrm{西}} = 0 \]

したがって、 北向きの場合の予測値は、

\[ \hat y = \hat\beta_0 \]

となります。

定数項との関係

基準カテゴリでは、 すべてのダミー変数が0になるため、 予測値の基準部分は 定数項 \(\hat\beta_0\) になります。

そのため、 他のカテゴリの偏回帰係数は、 この基準カテゴリとの差として解釈できます。
基準カテゴリ
ダミー変数を作らなかったカテゴリでは、 すべてのダミー変数が0になる。

そのため、 そのカテゴリが他のカテゴリを比較する基準になります。
STEP 06

ダミー変数の偏回帰係数は「基準との差」を表す

では、 ダミー変数にかかる偏回帰係数の意味を確認しましょう。

たとえば、 南向きダミーにかかる偏回帰係数を

\[ \hat\beta_{\mathrm{南}} \]

とします。

基準カテゴリである北向きの場合には、 すべてのダミー変数が0なので、

\[ \hat y_{\mathrm{北}} = \hat\beta_0 \]

です。

一方、 南向きの場合には、

\[ D_{\mathrm{南}}=1 \]

となるので、

\[ \hat y_{\mathrm{南}} = \hat\beta_0 + \hat\beta_{\mathrm{南}} \]

となります。

したがって、 南向きと北向きの予測値の差をとると、

\[ \hat y_{\mathrm{南}} – \hat y_{\mathrm{北}} = \hat\beta_{\mathrm{南}} \]

となります。

基準:北向き \[ \hat y_{\mathrm{北}} = \hat\beta_0 \]
+ \(\hat\beta_{\mathrm{南}}\)
南向き \[ \hat y_{\mathrm{南}} = \hat\beta_0+\hat\beta_{\mathrm{南}} \]
偏回帰係数の意味
\(\hat\beta_{\mathrm{南}}\) は、 他の説明変数を固定したときに、 南向きの部屋が 基準の北向きの部屋と比べて \(y\) がどれだけ異なるかを表します。
STEP 07

次に、多重共線性を考える

ここからは、 重回帰分析でもう1つ重要な論点である 多重共線性 を見ていきます。

多重共線性

説明変数どうしに非常に強い関係があるために、 それぞれの偏回帰係数を 安定して推定しにくくなる問題。

たとえば、 家賃を説明する変数として

部屋の広さ \(x_1\)

駅徒歩 \(x_2\)

があるとします。

この2つに非常に強い関係があると、 「家賃への効果がどちらの変数によるものなのか」 を切り分けにくくなります。

STEP 08

説明変数どうしがほぼ同じ情報を持つと困る

多重共線性の本質は、 複数の説明変数が ほとんど同じ情報を持ってしまう ことです。

たとえば、

\[ x_2 \approx 2x_1 \]

という非常に強い関係があったとします。

\(x_1\) の値がわかる
\(x_2\) もほぼ決まる
\(x_1\) と \(x_2\) の 個別の効果を切り分けにくい
多重共線性のイメージ
説明変数どうしが似た情報を持ちすぎると、 どちらの変数にどれだけ効果を割り振るべきかが わかりにくくなります。
STEP 09

その結果、偏回帰係数の推定が不安定になる

重回帰式では、 各説明変数の効果を 偏回帰係数として分けて表します。

\[ \hat y = \hat\beta_0 + \hat\beta_1x_1 + \hat\beta_2x_2 \]

しかし、 \(x_1\) と \(x_2\) がほとんど同じ情報を持っていると、

\(x_1\) の効果を大きめにする
\(x_2\) の効果を大きめにする
どちらでも似た予測値を作れてしまう

そのため、 標本が少し変わっただけでも、 偏回帰係数の値が大きく変動することがあります。

問題になること
予測値そのものが大きく変わらなくても、 個々の偏回帰係数は大きく変動することがあります。
STEP 10

係数が大きく変わっても、似た予測を作れてしまう

多重共線性によって 偏回帰係数が不安定になるイメージを、 数式で確認してみましょう。

たとえば、 重回帰式が

\[ \hat y = 1 + 2x_1 – 10x_2 \]

と推定されていたとします。

さらに、 2つの説明変数に

\[ x_2 \approx 2x_1 \]

という非常に強い関係があるとします。

このとき、 元の式の説明変数部分は、

\[ 2x_1-10x_2 \]

ですが、 \(x_2\approx2x_1\) を使えば、

\[ 2x_1-10x_2 \approx 2x_1-20x_1 = -18x_1 \]

とみなすことができます。

2つの係数の表現を比べる
\[ 2x_1-10x_2 \]
\(\approx\)
\[ -18x_1+0x_2 \]

係数を見れば、

\(x_1\) の係数:2 → −18
\(x_2\) の係数:−10 → 0

と大きく変わっています。

それでも、 \(x_1\) と \(x_2\) がほぼ同じ情報を持っているため、 予測値はほとんど同じ になってしまいます。

係数は大きく違う
でも
予測値はほとんど変わらない
どの係数の組み合わせが正しいか決めにくい

これが、 多重共線性によって 偏回帰係数の推定が不安定になるイメージです。

注意

これは、 「偏回帰係数を自由に好きな値へ変えてよい」 という意味ではありません。

説明変数どうしがほぼ線形な関係をもつことで、 大きく異なる係数の組み合わせでも、 データに対して似た予測値を作れてしまう ということです。
多重共線性の本質
説明変数どうしが似すぎていると、 予測への寄与を個々の説明変数へ 安定して割り振ることが難しくなります。
STEP 11

説明変数どうしの強い関係に注意する

多重共線性を疑う典型的な状況は、 説明変数どうしに 非常に強い相関 がある場合です。

説明変数どうしに強い関係
個別の効果を切り分けにくい
偏回帰係数の推定が不安定になる

したがって、 説明変数間の相関係数が非常に大きい場合には、 多重共線性を疑う必要があります。

補足

説明変数が3個以上ある場合には、 単純な2変数間の相関係数だけでは 多重共線性を十分に把握できないこともあります。

実務では、 VIFなどの指標を確認することもあります。
SUMMARY

ダミー変数と多重共線性を整理する

ダミー変数
質的変数を、 0と1の数値に変換して 重回帰式に組み込みます。

定数項を含む通常の重回帰モデルでは、 カテゴリ数が \(k\) 個なら ダミー変数は \(k-1\) 個

作らなかったカテゴリが 基準カテゴリ になります。
多重共線性
説明変数どうしの関係が非常に強いと、 個々の説明変数の効果を切り分けにくくなります。

その結果、 偏回帰係数の推定が不安定 になることがあります。
特に重要な4点
① 質的変数はダミー変数に変換する
② ダミー変数は基本的にカテゴリ数−1個
③ 偏回帰係数は基準カテゴリとの差を表す
④ 説明変数どうしの関係が強すぎると、多重共線性が問題になる
最後に
重回帰分析では、 「どんな変数をどう入れるか」だけでなく、 「説明変数どうしがどんな関係にあるか」 にも注意する必要があります。
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