LPM, Logit e Máxima Verossimilhança — Teoria e Aplicações
A esperança matemática (ou valor esperado) representa a média ponderada de todos os valores possíveis de uma variável aleatória, onde os pesos são as probabilidades.
Para uma esperança condicional, calculamos o valor esperado dado que conhecemos o valor de outra variável:
Pense na esperança como o "centro de gravidade" da distribuição. Se repetíssemos o experimento infinitas vezes, a média dos resultados convergiria para E(Y).
A variância mede a dispersão dos valores em torno da média. A variância condicional considera essa dispersão dado um valor de X.
Uma fórmula útil quando E(Y|X) = 0:
Uma variável de Bernoulli assume apenas dois valores: 0 (fracasso) ou 1 (sucesso), com probabilidade p de sucesso.
Se Y = 1 indica "cara" com p = 0.5:
O Modelo de Probabilidade Linear aplica regressão linear por MQO quando a variável dependente é binária (0 ou 1).
Onde:
Esta é uma das demonstrações mais importantes para entender o LPM. Provaremos que o valor esperado condicional de Y é igual à probabilidade de sucesso.
No LPM, a esperança condicional E(Y|X) é interpretada diretamente como a probabilidade de sucesso. Por isso, os coeficientes representam variações em pontos percentuais (p.p.) na probabilidade.
Um problema fundamental do LPM é que os erros são heterocedásticos por construção.
O erro é definido como: uᵢ = Yᵢ - Pᵢ
| Se Y = | u = | u² = | Probabilidade |
|---|---|---|---|
| 1 | 1 - Pᵢ | (1 - Pᵢ)² | Pᵢ |
| 0 | 0 - Pᵢ = -Pᵢ | Pᵢ² | 1 - Pᵢ |
A variância depende de Pᵢ = β₀ + β₁Xᵢ, que varia com X. Como a variância não é constante, o erro é heterocedástico por construção.
O LPM pode gerar previsões impossíveis:
Considere: deny = -0.091 + 0.559(P/I) + 0.177(Afam)
Para um indivíduo branco (Afam=0) sem dívida (P/I=0):
Problema: Uma probabilidade negativa é matematicamente impossível!
Para corrigir a heterocedasticidade, usamos MQP dividindo toda a equação pelo desvio-padrão estimado:
Após a transformação, o novo termo de erro tem variância constante (homocedástico).
O modelo Logit resolve o problema das probabilidades fora de [0,1] usando a função logística:
Vamos demonstrar que o termo linear é igual ao logaritmo da razão de chances:
O termo à direita é chamado de Odds (razão de chances).
No Logit, os coeficientes NÃO representam variação direta na probabilidade!
Eles representam variação no log-odds.
Se β₁ = 1.27, então:
Isso significa que um aumento de 1 unidade em X multiplica a odds por 3.56.
Modelo: L̂ = -4.13 + 5.37(P/I) + 1.27(Afam)
Interpretação ERRADA: "Ser afro-americano aumenta a probabilidade de negação em 127%"
Interpretação CORRETA: Como e^(1.27) ≈ 3.5, a chance (odds) de um afro-americano ter crédito negado é aproximadamente 3,5 vezes maior que a de um branco com mesmas condições financeiras.
Para calcular o efeito marginal no Logit, precisamos da regra da cadeia do cálculo diferencial:
No contexto do Logit:
Note que e^(-Z)/(1+e^(-Z)) = 1 - P
O termo P(1-P) determina a sensibilidade do modelo em diferentes pontos da probabilidade.
| P | P(1-P) | Sensibilidade |
|---|---|---|
| 0.10 | 0.09 | Baixa |
| 0.30 | 0.21 | Média |
| 0.50 | 0.25 (máximo) | Máxima |
| 0.70 | 0.21 | Média |
| 0.90 | 0.09 | Baixa |
O efeito marginal é máximo quando P = 0.5 e diminui nos extremos. Isso significa que o Logit é mais sensível a mudanças em X quando a probabilidade está no meio da distribuição, e menos sensível nos extremos (perto de 0 ou 1).
Dado β(P/I) = 5.37:
O impacto de um aumento na dívida é 2.8 vezes maior para quem está na faixa média de probabilidade!
A Máxima Verossimilhança (MLE) busca os parâmetros que maximizam a probabilidade de observar os dados que temos.
Para uma observação individual com Y ∈ {0,1}:
Verificação:
A função de verossimilhança é o produto das probabilidades individuais (assumindo independência):
Por conveniência matemática, trabalhamos com o logaritmo (transforma produtos em somas):
Sabemos que no Logit:
Substituindo:
Para encontrar o máximo, derivamos em relação a β e igualamos a zero.
A condição Σ(Yᵢ - Pᵢ)Xᵢ = 0 diz que os resíduos (Yᵢ - Pᵢ) devem ser ortogonais às variáveis explicativas Xᵢ. Isso é análogo à condição de MQO, onde Σ(Yᵢ - Ŷᵢ)Xᵢ = 0.
A equação Σ(Yᵢ - Pᵢ)Xᵢ = 0 é não-linear em β (pois Pᵢ depende de β de forma não-linear). Por isso, o MLE do Logit requer métodos numéricos iterativos (Newton-Raphson, por exemplo).
No R, variáveis categóricas (fatores) são armazenadas internamente como inteiros 1, 2, 3, etc. Para o LPM funcionar, precisamos de 0 e 1.
Sem a subtração, o modelo preveria valores em torno de 1.5 (média de 1 e 2), em vez de probabilidades entre 0 e 1. A interpretação como probabilidade exige que Y seja 0 ou 1.
| Aspecto | lm() padrão | coeftest() com vcovHC |
|---|---|---|
| Coeficientes | Corretos | Corretos |
| Erros-padrão | Incorretos | Corretos |
| Estatística t | Inválida | Válida |
| p-valores | Não confiáveis | Confiáveis |
| Pressuposto | Homocedasticidade | Permite heterocedasticidade |
A função vcovHC (Heteroskedasticity-Consistent) calcula uma matriz de covariância que é consistente mesmo sob heterocedasticidade. Ela usa os resíduos ao quadrado de cada observação para estimar a variância individual, em vez de assumir variância constante.