Regularization Methods for Statistical Modelling in Small Area Estimation

Die vorgelegte Dissertation trägt den Titel Regularization Methods for Statistical Modelling in Small Area Estimation. In ihr wird die Verwendung regularisierter Regressionstechniken zur geographisch oder kontextuell hochauflösenden Schätzung aggregatspezifischer Kennzahlen auf Basis kleiner Stichproben studiert. Letzteres wird in der Fachliteratur häufig unter dem Begriff Small Area Estimation betrachtet. Der Kern der Arbeit besteht darin die Effekte von regularisierter Parameterschätzung in Regressionsmodellen, welche gängiger Weise für Small Area Estimation verwendet werden, zu analysieren. Dabei erfolgt die Analyse primär auf theoretischer Ebene, indem die statistischen Eigenschaften dieser Schätzverfahren mathematisch charakterisiert und bewiesen werden. Darüber hinaus werden die Ergebnisse durch numerische Simulationen veranschaulicht, und vor dem Hintergrund empirischer Anwendungen kritisch verortet. Die Dissertation ist in drei Bereiche gegliedert. Jeder Bereich behandelt ein individuelles methodisches Problem im Kontext von Small Area Estimation, welches durch die Verwendung regularisierter Schätzverfahren gelöst werden kann. Im Folgenden wird jedes Problem kurz vorgestellt und im Zuge dessen der Nutzen von Regularisierung erläutert. Das erste Problem ist Small Area Estimation in der Gegenwart unbeobachteter Messfehler. In Regressionsmodellen werden typischerweise endogene Variablen auf Basis statistisch verwandter exogener Variablen beschrieben. Für eine solche Beschreibung wird ein funktionaler Zusammenhang zwischen den Variablen postuliert, welcher durch ein Set von Modellparametern charakterisiert ist. Dieses Set muss auf Basis von beobachteten Realisationen der jeweiligen Variablen geschätzt werden. Sind die Beobachtungen jedoch durch Messfehler verfälscht, dann liefert der Schätzprozess verzerrte Ergebnisse. Wird anschließend Small Area Estimation betrieben, so sind die geschätzten Kennzahlen nicht verlässlich. In der Fachliteratur existieren hierfür methodische Anpassungen, welche in der Regel aber restriktive Annahmen hinsichtlich der Messfehlerverteilung benötigen. Im Rahmen der Dissertation wird bewiesen, dass Regularisierung in diesem Kontext einer gegen Messfehler robusten Schätzung entspricht - und zwar ungeachtet der Messfehlerverteilung. Diese Äquivalenz wird anschließend verwendet, um robuste Varianten bekannter Small Area Modelle herzuleiten. Für jedes Modell wird ein Algorithmus zur robusten Parameterschätzung konstruiert. Darüber hinaus wird ein neuer Ansatz entwickelt, welcher die Unsicherheit von Small Area Schätzwerten in der Gegenwart unbeobachteter Messfehler quantifiziert. Es wird zusätzlich gezeigt, dass diese Form der robusten Schätzung die wünschenswerte Eigenschaft der statistischen Konsistenz aufweist. Das zweite Problem ist Small Area Estimation anhand von Datensätzen, welche Hilfsvariablen mit unterschiedlicher Auflösung enthalten. Regressionsmodelle für Small Area Estimation werden normalerweise entweder für personenbezogene Beobachtungen (Unit-Level), oder für aggregatsbezogene Beobachtungen (Area-Level) spezifiziert. Doch vor dem Hintergrund der stetig wachsenden Datenverfügbarkeit gibt es immer häufiger Situationen, in welchen Daten auf beiden Ebenen vorliegen. Dies beinhaltet ein großes Potenzial für Small Area Estimation, da somit neue Multi-Level Modelle mit großem Erklärungsgehalt konstruiert werden können. Allerdings ist die Verbindung der Ebenen aus methodischer Sicht kompliziert. Zentrale Schritte des Inferenzschlusses, wie etwa Variablenselektion und Parameterschätzung, müssen auf beiden Levels gleichzeitig durchgeführt werden. Hierfür existieren in der Fachliteratur kaum allgemein anwendbare Methoden. In der Dissertation wird gezeigt, dass die Verwendung ebenenspezifischer Regularisierungsterme in der Modellierung diese Probleme löst. Es wird ein neuer Algorithmus für stochastischen Gradientenabstieg zur Parameterschätzung entwickelt, welcher die Informationen von allen Ebenen effizient unter adaptiver Regularisierung nutzt. Darüber hinaus werden parametrische Verfahren zur Abschätzung der Unsicherheit für Schätzwerte vorgestellt, welche durch dieses Verfahren erzeugt wurden. Daran anknüpfend wird bewiesen, dass der entwickelte Ansatz bei adäquatem Regularisierungsterm sowohl in der Schätzung als auch in der Variablenselektion konsistent ist. Das dritte Problem ist Small Area Estimation von Anteilswerten unter starken verteilungsbezogenen Abhängigkeiten innerhalb der Kovariaten. Solche Abhängigkeiten liegen vor, wenn eine exogene Variable durch eine lineare Transformation einer anderen exogenen Variablen darstellbar ist (Multikollinearität). In der Fachliteratur werden hierunter aber auch Situationen verstanden, in welchen mehrere Kovariate stark korreliert sind (Quasi-Multikollinearität). Wird auf einer solchen Datenbasis ein Regressionsmodell spezifiziert, dann können die individuellen Beiträge der exogenen Variablen zur funktionalen Beschreibung der endogenen Variablen nicht identifiziert werden. Die Parameterschätzung ist demnach mit großer Unsicherheit verbunden und resultierende Small Area Schätzwerte sind ungenau. Der Effekt ist besonders stark, wenn die zu modellierende Größe nicht-linear ist, wie etwa ein Anteilswert. Dies rührt daher, dass die zugrundeliegende Likelihood-Funktion nicht mehr geschlossen darstellbar ist und approximiert werden muss. Im Rahmen der Dissertation wird gezeigt, dass die Verwendung einer L2-Regularisierung den Schätzprozess in diesem Kontext signifikant stabilisiert. Am Beispiel von zwei nicht-linearen Small Area Modellen wird ein neuer Algorithmus entwickelt, welche den bereits bekannten Quasi-Likelihood Ansatz (basierend auf der Laplace-Approximation) durch Regularisierung erweitert und verbessert. Zusätzlich werden parametrische Verfahren zur Unsicherheitsmessung für auf diese Weise erhaltene Schätzwerte beschrieben. Vor dem Hintergrund der theoretischen und numerischen Ergebnisse wird in der Dissertation demonstriert, dass Regularisierungsmethoden eine wertvolle Ergänzung der Fachliteratur für Small Area Estimation darstellen. Die hier entwickelten Verfahren sind robust und vielseitig einsetzbar, was sie zu hilfreichen Werkzeugen der empirischen Datenanalyse macht.