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Multicollinearity; 다중공선성
회귀모형의 설명변수(독립변수)들 사이에 강한 선형 상관관계가 존재해 회귀계수 추정이 불안정해지는 현상
  • 회귀계수의 분산이 커져 추정값이 불안정해진다
  • 표본이 조금만 바뀌어도 계수의 크기와 부호가 뒤집힌다
  • 계수의 개별 해석이 사실상 불가능해진다
  • 모형 전체의 설명력(결정계수)은 높은데 개별 계수는 유의하지 않은 모순이 나타난다

설명변수 사이의 선형 관계가 원인이다. 비선형 관계가 있다고 해서 다중공선성이 생기는 것은 아니다.

지표 판단 기준
VIF(분산팽창요인, Variance Inflation Factor) 10 이상이면 다중공선성이 있다고 본다. VIF = 1/(1−R²)
공차한계(Tolerance) VIF 의 역수. 0.1 이하면 문제
상관계수 행렬 설명변수끼리 상관계수가 높은 쌍을 찾는다
상태지수(Condition Index) 30 이상이면 의심
  • Cook's Distance 는 이상치·영향점을 찾는 지표이고, Mallow's Cp 는 변수 선택 기준이다. 다중공선성 진단 지표가 아니다.
  • 상관이 높은 변수 중 하나를 제거한다
  • 주성분 분석으로 서로 직교하는 새 변수(주성분)를 만들어 쓴다
  • 능형회귀(Ridge), 라쏘(Lasso) 같은 규제 회귀를 쓴다
  • 표본 수를 늘린다

자주 나오는 정리

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  • 다중공선성이 있으면 회귀계수 추정량의 분산과 표준오차가 커져 계수가 불안정하고 정확한 추정과 해석이 어렵다.
  • 진단은 VIF(분산팽창계수)로 한다. VIF 가 1 이면 공선성이 없고, 10 이상이면 심각한 다중공선성으로 본다. "VIF 가 1 이하일 때 문제가 있다" 는 틀리다.
  • 표본이 작을수록 독립변수들 사이의 표본 상관이 우연히 커지기 쉬워 다중공선성이 나타나기 쉽고 그 영향도 크다. 표본 크기와 무관하게 정해지는 것이 아니다.
  • 해결할 때 제거하는 것은 상관이 높은 독립변수다. 종속변수가 아니다. 주성분 분석이나 Ridge 회귀를 쓰기도 한다.

구조적 다중공선성과 평균 중심화

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다중공선성은 생기는 원인에 따라 두 가지로 나눈다.

구분 원인 예 대처
구조적 다중공선성 분석자가 기존 변수로 새 항을 만들어 모형에 넣어서 생긴다 X 와 X², 교호작용항 X₁×X₂ 변수를 평균 중심화(각 값에서 평균을 뺌)한 뒤 제곱항·교호작용항을 만든다
데이터 다중공선성 관측된 데이터에서 설명변수끼리 원래 상관이 높다 키와 몸무게, 소득과 소비 변수 제거, 주성분 분석, 규제 회귀, 표본 추가

X 가 모두 양수이면 X 가 커질 때 X² 도 함께 커지므로 둘의 상관이 높다. 평균을 뺀 (X − X̄) 로 제곱항을 만들면 값이 0 을 중심으로 양쪽에 놓이게 되어 (X − X̄) 와 (X − X̄)² 의 상관이 크게 줄어든다. 중심화는 변수의 기준점만 옮기는 것이라 모형의 적합도(결정계수)는 그대로다.

  • 평균 중심화는 구조적 다중공선성에 쓰는 해결책이다. 서로 다른 두 변수의 상관계수는 평균을 빼도 변하지 않으므로, 데이터 다중공선성은 중심화로 없어지지 않는다.
  • 상관이 높고 중요도가 낮은 변수를 제거하거나 주성분 분석으로 차원을 줄이는 것은 데이터 다중공선성의 해결책이다.
  • VIF 는 다중공선성이 있는지 판단하는 진단 지표다. VIF 를 계산하는 것만으로 다중공선성이 해소되지는 않는다.