Bayesianische Analyse von Paneldaten∗ Ulrich Morawetz Juni 2005 Zusammenfassung In der Seminararbeit werden die in der frequentistischen Ökonometrie für Paneldaten sehr gebräuchlichen Fixed und Random Effects Modell in einem bayesianischen Kontext vorgestellt und an Hand einer Schätzung von Rapserenteerträgen angewendet. Genauer wird hierbei das Verhalten von Variablen behandelt, die für ein Individuum über die Zeit konstant sind. Es wird demonstriert dass sich diese auch im bayesianischen Modell mit der standard Spezifikation nicht schätzen lassen. Der Vergleich der Ergebnisse der Schätzungen zeigt außerdem, dass es bei nicht informativen priori Informationen keine nennenswerten Unterschiede gibt. 1 Einleitung In der folgenden Abhandlung wird erörtert welche Möglichkeiten die bayesianische Analyse von Paneldaten bietet. Ziel der Untersuchung ist es herauszufinden ob die bayesianische Methode zusätzliche Möglichkeiten bietet zeitkonstanten Variablen zu behandeln. Die Arbeit orientiert sich an Tony Lancasters Buch über Bayesiansche Ökonometrie [4]. Nach der Einführung wird eine intuitive Vorstellung der bayesianischen Idee geboten, hiernach die Methode genauer in Anwendung auf ein Fixed und ein Random Effects Modell dargestellt. Anhand eines Beispiel werden zuletzt beide Modelle ausprobiert und dann die Ergebnisse miteinander und mit den frequentistischen Pendants verglichen. Die statistischen Schätzungen für das bayesianische Modell wurden mit den Softwarepacketen R [5] und WinBUGS [7] durchgeführt, jene für die frequentistischen Modelle mit STATA [6]. ∗ Seminararbeit für den UK 300632 “Oekonometrische Methoden für Paneldaten” an der Universität Wien im SS 2005 von Prof. Robert Kunst. 1 2 Baysianische Grundlagen In der bayesianischen Analyse wird davon ausgegangen, dass man über die zu schätzenden Parameter bereits vor Beginn der Datenanalyse Information hat. Und auch wenn dies nur die Information ist, dass man keine Information hat, fließt sie doch in die bayesianische Analyse ein. Diese, a priori Information, wird dann durch die beobachteten Daten aktualisiert. Damit die a priori Information verwendet werden kann, muss sie in Form einer Verteilung spezifiziert werden. Die Daten andererseits werden anhand einer likelihood Funktion erfasst (siehe Abbildung 1). 0.15 Bay’sche Datenanalyse 0.05 Dichte 0.10 likelihood 0.00 priori −30 −20 −10 0 10 20 30 beta Abbildung 1: Dichte von Priori und Likelihood. Hat man keine priori Informationen muss man eine möglichst unpräzise priori Information (also mit sehr großer Varianz) statt dessen verwenden. Man spricht dann von einer “non-informative” priori Information. Die Verwendung einer non-informative priori Verteilung führt dazu, dass die posteriori Verteilung alleine durch die Daten, also die likelihood Funktion, bestimmt wird. Nach den Grundlagen des Theorem von Bayes (siehe z.B. [3], Seite 430), 2 prob(parameter|daten) = prob(daten|parameter) ∗ prob(parameter) prob(daten) ∝ prob(daten|parameter) ∗ prob(parameter) = Likelihood ∗ P rioriV erteilung, (1) werden die beiden Verteilungen zusammengeführt. Durch die Multiplikation von priori Verteilung und likelihood Funktion entsteht die posteriori Verteilung (siehe Abb. 2). Die Multiplikation der Funktionen kann in manchen Fällen analytisch erfolgen, im allgemeinen jedoch nur durch Simulation. 0.15 Bay’sche Datenanalyse 0.05 Dichte 0.10 likelihood posteriori 0.00 priori −30 −20 −10 0 10 20 30 beta Abbildung 2: Dichte von Priori, Likelihood und Posterior Verteilung Für eine likelihood Funktion und eine non noninformative priori Verteilung kann die posteriori Verteilung als f (β, σ 2 |X, y) angeschrieben werden wobei β und σ 2 die zu schätzenden Parameter und X und y die Datenmatrizen darstellen [3]. Um aus dieser Verteilung die Verteilung von β zu errechnen, muss über σ integriert werden, R∞ 0 f (β, σ 2 |y, X)dσ 2 . Dies ist in den meisten Fällen 3 ebenfalls nur durch Simulation mittels Markov Chain Monte Carlo (MCMC) Methoden möglich. 3 Bayesianische Analyse von Panel Daten Betrachtet man ein lineares Modell, so kann die die Zusammenhänge erklärende Gleichung für Paneldaten als yi,t = xi,t β + ǫi,t , i = 1, 2, . . . , N ; t = 1, 2, . . . , T, (2) angeschrieben werden wobeit yi,t die erklärte Variable für Person i zum Zeitpunkt t ist. Um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass die Fehlertermini unabhängig von den erklärenden Variablen sein müssen um die Annahmen für kleinste Quadrat Schätzungen zu genügen, und dies dadurch, dass mehrere Beobachtungen pro Person vorliegen, häufig nicht gegeben ist, wird in der frequentistischen Literatur oft ein Fixed Effects Modell gewählt. Im weiteren soll das bayesianische Pedant dazu vorgestellt werden. 3.1 Fixed Effects Modell Im Fixed Effects Modell wird für jedes Individuum eine Konstante eingefügt die die Effekte die über die Zeit konstant sind erfasst1 . Das erweiterte Modell gestaltet sich dann als yi,t = Xi,t β + αi j + ǫi,t , ǫi,t |xi,t , β, αi , ǫ ∼ n(0, τ ), (3) wobei αi dabei ein Koeffizient für die Dummy-Variable j für Individuum i ist. Den NT ǫi,t Termini wird eine priori Verteilung gegeben nach der sie unabhängig, normal mit mittel null und Präzision τ verteilt sind. Für dieses Modell müssen nun eine Likelihood Funktion und priori Verteilungen für die Parameter definiert werden. Fasst man die durch das Einfügen von Dummy-Variablen für jedes Individuum entstehende Datenmatrix als Z und den dazugehörigen Vektor der zu schätzenden Parameter als δ zusammen, schreibt sich das Fixed Effects Modell als y = Zδ + ǫ, ǫ|Z, ǫ ∼ n(0, τ IN T ). 1 (4) Äquivaltent kann das Modell auch als Modell mit Variablen als Differenz zum Mittelwert dargestellt werden. Gezeigt wird dies z.B. von Lancaster[4] auf Seite 284 ff. 4 Die likelihood Funktion ist dann gegeben durch (siehe z.B. Lancaster [4]), ℓ(δ, τ ) ∝ τ N T /2 exp −(τ /2)(y − Zδ)′ (y − Zδ) . (5) Für die bayesianische Schätzung sind nun auch noch die priori Verteilungen der Parameter notwendig. Eine nicht informative Priori Verteilung ist ein nahe liegender Ausgangspunkt. Dies kann etwa durch die Annahme einer uniformen Verteilung für die Parameter des Modells, δ, und den Parameter für die Präzision, τ , geschehen, p(δ, τ ) ∝ 1/τ. (6) Durch die Multiplikation von priori Verteilung und likelihood Funktion erhält man die posteriorie Verteilung. Aus dieser kann dann durch Simulation die Verteilung der Parameter errechnet werden. Dieses Modell entspricht seiner Konzeption nach dem fixed Effekts Modell der frequentistischen Literatur. 3.2 Random Effekts Modell Hinter dem fixed Effects Modell steht die Annahme, dass die individuellen Effekte, αi , gleichverteilt sind. Es ist jedoch eher anzunehmen, dass Individualeffekte, auch über Individuen hinweg, ähnlich sind. Dies spricht dafür eine Modellspezifikation zu verwenden die davon ausgeht, dass die Individualeffekte ähnlich sind. Um dies zu erreichen, kann ein hierarchisches bayesianisches Modell herangezogen werden. Im folgenden wird davon ausgegangen, dass die individuellen Effekte ein Mittel von α haben um das sie mit gemeinsamer Präzision φ normal variieren. Die zwei so entstehenden Gleichungen schreiben sich als: yi,t = Xi,t β + αi j + ǫi,t , αi = α + ηi,t (7) wobei ǫi,t und ηi,t unabhängig normalverteilt sind mit Präzision τ bzw. φ gegeben Xi , β, τ , α. Der Vektor j besteht aus Einsern und ist so lang wie die Anzahl der Beobachtungen für Individuum i. Setzt man Gleichung 7 in Gleichung 9 ein, so erhält man yi,t = Xi,t β + αj + (ǫi,t + ηi,t j). (8) Der zweigeteilte Fehlerterm ist Normalverteilt mit Mittelwert null und es ist auch möglich möglich die Varianz-Kovarianz Matrix und die Präzision anzugeben (siehe Lancaster [4], Seite 192). 5 Die likelihood Verteilung für dieses Modell dann durch ℓ(β, τ, αi ) ∝ τ N T /2 N X ( exp −(τ /2)( ′ ) (yi − Xi β − αi j) (yi − Xi β − αi j) i=1 (9) gegeben wobei für αi die Gleichung aus Formel 7 einzusetzen ist. Die multivariate priori Verteilung setzt sich aus den priori Verteilungen von den zu schätzenden Parametern zusammen. Die priori Verteilung von β und τ sind unverändert gleichverteilt während αi nach der Modellspezifikation eine normalverteilte priori Verteilung zugeordnet wird. Für die Parametern von αi , namentlich α und φ, wird meistens aus rechnerischen Gründen eine GammaVerteilung angenommen, sie soll hier jedoch nicht festgelegt werden. Unter der Annahme der Unabhängigkeit der einzelnen Verteilungen ist die so entworfene priori Verteilung ist dann p(β, τ, αi , α, φ) = p(β, τ )p(αi |α, φ)p(α|φ)p(φ) N X 1 ∝ φN/2 exp −(φ/2) (αi − α)2 p(α)p(φ). τ i=1 ) ( (10) Das zusammenführen von likelihhood und priori Verteilung ergibt dann die gewünschte posteriori Verteilung, die Grundlage für das errechnen von Schätzparametern ist. 4 Ein Beispiel Geschätzt werden sollen Rapserträge von österreichischen Bauern. Die Daten stammen aus dem LBG Datensätzen über buchführende landwirtschaftliche Betriebe aus den Jahren 1998 bis 2002 [8]. Die erklärte Variable ist Dezitonnen Raps pro Hektar und als erklärende Variablen werden der durchschnittliche Niederschlag pro Monat und ob es sich um einen biologisch wirtschaftenden Betrieb handelt eingesetzt. Die Niederschlagsmessungen beziehen sich auf den nächst gelegnen interpolierten Girdpunkt des jeweiligen geographischen Mittelpunkt der Gemeinde des Bauern und stammen aus der MARS Datenbank [1]. Insgesamt sind 489 Betriebe im Sample. Die Beobachtungen schwanken zwischen einem und fünf Jahren (siehe Tabelle 1). Die Codes für die in WinBUGS geschätzen Modelle sind in den Appendizes A.1 und A.2 zu finden. Es wurden für alle Parameter nicht informative Priori Verteilungen angenommen außer für φ, der Präzision von α im Random Effects Modell, da hier eine nichtinformative priori Verteilung zu einer sehr 6 Beobachtungen pro Hof Anzahl der Höfe 1 2 3 4 5 gesamt 86 86 50 104 163 489 Tabelle 1: Anzahl der Beobachtungen pro Hof langsamen Konvergenz aller Parameter führt (siehe Lancaster [4], Seite 293). Für die Simulation wurden 1000 Iterationen durchgeführt und die letzten 500 für die Schätzung der Parameter benützt. WinBUGS wurde von R aus mit Hilfe von bugs.R [2] bedient. Entsprechend der Spezifikation des Fixed Effekts Modells wird für jeden Hof eine Konstante geschätzt. Auch für das Random Effects Modell wird für jeden Betrieb eine Konstante geschätzt, jedoch unter der Bedingung dass die Parameter (Konstanten) um einen geschätzten Mittelwert normal variieren. Die Schätzergebnisse für die beiden Modelle für die 489 Konstanten sind in einem Boxplot in Abbildung 3 dargestellt. Die Mittewerte liegen nahe bei einander und wie zu erwarten war streuen die Konstanten des Fixed Effects Modells stärker als jene des Random Effekts Modells. 30 20 0 10 dt Raps per ha 40 50 Konstanten der Betriebe FE RE Abbildung 3: Boxplot der Konstanten im Fixed und im Random Effects Modell. Die Ergebnisse der anderen geschätzten Parameter sind aus der Tabelle 2, der Abbildung 6 und der Abbildung 7 ersichtlich. Die Abbildungen zeigen jeweils den Parameter Mittelwert und das 95% Vertrauensintervall (V.I.). Bei den Parametern für den Niederschlag zeigt sich, dass insbesondere jene Para7 meter für die Monate wo der Raps frisch gesäht ist (Oktober und November) und wenn der Raps wachst (März-Juni) von null verschieden sind. Abgesehen vom Jänner sind die Parameter des Random Effects Modells immer näher bei null als jener des Fixed Effects Modells. Die Individuen spezifischen Termini des Fixed Effekts Modells scheinen den zeitkonstanten Einfluss von unbeobachteten Variablen demnach in einer Weise zu erfassen der die Parameter des Niederschlages stärker zu Geltung kommen lässt. Fixed Effect Variable Random Effects Mittel [95% -V.I.] Mittel [95% -V.I.] bio 1.42 -0.28 3.29 -0.44 -1.75 0.80 Nied. Jän 1.71 0.37 3.10 2.39 1.23 3.56 Nied. Feb -0.16 -1.03 0.72 0.08 -0.64 0.73 Nied. Mär -1.13 -1.69 -0.52 -0.97 -1.52 -0.43 Nied. Apr 1.08 0.36 1.86 0.64 -0.08 1.34 Nied. Mai 1.47 0.86 2.05 1.24 0.68 1.79 Nied. Jun 0.83 0.21 1.37 0.77 0.27 1.28 Nied. Jul 0.21 -0.35 0.77 0.29 -0.20 0.80 Nied. Aug -0.06 -0.40 0.27 0.01 -0.28 0.31 Nied. Sep 0.24 -0.15 0.60 0.10 -0.23 0.42 Nied. Okt -1.20 -1.64 -0.76 -1.23 -1.63 -0.86 Nied. Nov 1.60 0.89 2.34 1.07 0.43 1.73 Nied. Dez -1.42 -2.46 -0.40 -0.77 -1.59 0.12 τ 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 φ – – – 0.03 0.02 0.04 ᾱ – – – 20.73 18.50 23.83 Tabelle 2: Geschätze Parameter des bayesianischen Random und Fixed Effekts Modelle Nur sehr unpräzise Aussagen lassen die Schätzungen für die Dummy-Variable für biologische Wirtschaftsweise “bio” zu. Außerdem ist das Vorzeichen im Fixed und im Random Effects Modell konträr. Für das Fixed Effects Modell ist das dadurch zu erklären, dass nur Parameter geschätz werden können die sich über die Zeit verändern. Die meisten Bauern blieben jedoch während des Beobachtungszeitraumes bei einer Wirtschaftsweise und nur 63 wechselten. Diese geringe Anzahl an variierenden Beobachtungen ist der Grund für die unpräzisen Schätzergebnisse des Fixed Effects Modells. Doch auch im Random Effects 8 Modell sind die Auswirkungen der geringeren Variabilität der Variable2 an der Größe des Vertraunesintervalls zu merken. Aber im Random Effects Modell entspricht wenigstens das Vorzeichen den Erwartungen (niedrigere Erträge bei biologischem Anbau). 4.1 Das Identifikationsproblem Um genauer Verstehen zu könne wie ein Parameterwert für eine fast zeitkonstante Variable zustande kommt, soll die tatsächlich zeitkonstante Variable, “Erschwerniszone” den beiden Modellen hinzu gefügt werden. Erschwerniszone ist ebenfalls eine Dummy-Variable und sie ist 1 wenn der Betrieb erschwerte Produktionsbedingungen hat. Der Verlauf der jeweils zwei Simulationspfade ist in den Abbildungen 4 und 5 zu sehen. Dort sind die letzten 500 der 1000 Abbildung 4: Konvergence of some parameters in fixed effects model Wiederholungen der MCMC Simulation abgebildet. Die beiden Pfade jeder Abbildung unterscheiden sich in den Startwerten. In der Mitte der Darstellung für 2 Im Gegensatz zu den Variablen für den Niederschlag gibt es hier fast keine Variation innerhalb eines Hofes sondern nur zwischen den Höfen. 9 das Fixed Effects Modell sind die Pfade für den Parameter für den Niederschlag in Dezember zu sehen. Er variiert gering um einen Mittelwert. Die Pfade der Parameter für die Erschwerniszone wandern hingegen stark (man beachte die Skalierung) auf und ab ohne auf einen (gemeinsamen) Wert zu konvergieren. Die Pfade für “bio” liegen in Bezug auf ihre Konvergenz zwischen jenen der Erschwerniszone und jenen des Niederschlages. Es scheint, dass die Parameter bei geringerer Variabiliät weniger konvergieren. Auch im Random Effekts Mo- Abbildung 5: Konvergence of some parameters in random effects model dell ist zu erkennen, dass die Parameter für “erschwerniszone” und “bio” weit gestreut sind und auf und ab wandern. Dadurch, dass die Parameter für jeden Hof jedoch der Auflage unterliegen normalverteilt um ein Mittel α mit Präzision φ zu variieren reduzieren sie die Varianz der zeitkonstanten Variablen nicht vollständig. 10 5 Vergleich bayesianische vs. frequentistische Schätzungen Von besonderem Interesse ist zumeist der Vergleich frequentistischer und bayesianischer Resultate. Zu diesem Zwecke wurde sowohl ein frequentistisches Random Effects als auch ein frequentistisches Fixed Effects Modell geschätzt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 und den Abbildungen 6 und 7 zu finden. Ein Hausman Test um zu testen ob das Randoem Modell konsitent ist ergibt ein χ2 von 651.2 bei 13 Freiheitsgraden und die Hypothese muss verworfen werden. Der Vergleich der Parameter aus den frequentistischen und bayesianischen Modellen zeigt, dass sich die beiden Fixed und die beiden Random Effects Modelle jeweils ähnlich verhalten. Dies gilt sowohl für die Lage des Mittelwertes (Parameters) und für die Größe des Vertrauens- bzw. Konfidenzintervalles. Da nicht informative priori Verteilungen für die Bayesianischen Schätzungen angenommen wurden, entspricht dies den Erwartungen. Fixed Effect Variable Random Effects Koeff. [95% -C.I.] Koeff. [95% -C.I.] bio 0.73 -1.01 2.47 -0.57 -1.86 0.72 Nied. Jän 0.78 -0.61 2.18 2.35 1.13 3.56 Nied. Feb -0.48 -1.34 0.39 0.09 -0.65 0.83 Nied. Mär -1.13 -1.74 -0.52 -0.95 -1.53 -0.38 Nied. Apr 1.14 0.39 1.88 0.61 -0.08 1.31 Nied. Mai 1.53 0.94 2.12 1.21 0.66 1.76 Nied. Jun 0.54 -0.04 1.13 0.75 0.22 1.27 Nied. Jul -0.18 -0.75 0.38 0.28 -0.22 0.79 Nied. Aug -0.07 -0.41 0.27 0.01 -0.30 0.31 Nied. Sep -0.09 -0.49 0.32 0.08 -0.26 0.42 Nied. Okt -1.44 -1.88 -1.00 -1.25 -1.64 -0.85 Nied. Nov 1.76 1.07 2.45 1.03 0.39 1.68 Nied. Dez -2.19 -3.21 -1.17 -0.74 -1.62 0.13 Kons. 24.80 19.75 29.86 21.65 17.83 25.46 Tabelle 3: Geschätze Parameter des frequentistischen Random und Fixed Effekts Modelle 11 Einfluß der Niederschlagsmenge auf Rapsernte 0 Dez Nov Okt Sep Aug Jul Jun Mai Apr Mär Feb Jän −3 −2 −1 Koeffizient 1 2 3 Bayes FE Bayes RE Freq. FE Freq. RE Abbildung 6: Mittelwerte und Vertrauens- bzw. Konfidenzintervalle für Niederschlagsmenge in verschiedenen Modellen. 1 −2 −1 0 Koeffizient 2 3 Einfluss bio auf Rapsernte Bio Abbildung 7: Mittelwert und Vertrauens- bez. Konfidenzintervall für die Dummyvariable für biologische Wirtschaftsweise in verschiedenen Modellen. 12 6 Schlussfolgerungen Die Motivation sich mit dem bayesianischen Zugang zu beschäftigen war die Hoffnung auf diesem Weg über die Zeit konstante Variablen schätzen zu können. Entgegen den ersten Eindrücken wurde diese Hoffnung auf Grund der Nichtkonvergenz der Parameter enttäuscht. Ein möglicher, noch auszutestender Weg dieses Problem zu lösen ist ein Random Effects Modell zu Schätzen und informative priori Verteilungen einzusetzen. Dies könnte die Konvergenz erleichtern und gleichzeitig die gegebene Variabilität zwischen den Individuen nützen. Gelingt es nicht zeitkonstante Parameter mit dem bayesianischen Modell zu schätzen, muss subsumiert werden, dass der Aufwand im Vergleich zum frequentistischen Modell um ein vielfaches höher ist, die Ergebnisse jedoch in etwa gleich. Literatur [1] European Comission Directorate General Joint Research Centre. Monitoring of Agriculture with Remote Sensing (MARS) meteorological database, 2004. [2] A. Gelman. bugs.R: functions for running WinBugs from R. Columbia University, 2004. [3] W. H. Greene. Econometric Analysis. Prentice Hall, 5 edition, 2002. [4] T. Lancaster. An Introduction to Modern Bayesian Econometrics. Blackwell Publishing Ltd, 2004. [5] R Development Core Team. 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Technical report, LBG, 1998-2002. 13 A A.1 WinBUGS Program Code Program Code für Fixed Effects Modell model{ for(n in 1:N){ y[n]~dnorm(mu[n],tau) mu[n]<beta1[x1[n]]+ beta2*x2[n]+ beta3*x3[n]+ beta4*x4[n]+ beta5*x5[n]+ beta6*x6[n]+ beta7*x7[n]+ beta8*x8[n]+ beta9*x9[n]+ beta10*x10[n]+ beta11*x11[n]+ beta12*x12[n]+ beta13*x13[n]+ alpha[farm[n]]} for (f in 1:T){ alpha[f]~dnorm(0,0.0001) } beta1[1]<-0 for(b in 2:2){ beta1[b]~dnorm(0,0.0001)} beta2~dnorm(0,0.0001) beta3~dnorm(0,0.0001) beta4~dnorm(0,0.0001) beta5~dnorm(0,0.0001) beta6~dnorm(0,0.0001) beta7~dnorm(0,0.0001) beta8~dnorm(0,0.0001) beta9~dnorm(0,0.0001) 14 beta10~dnorm(0,0.0001) beta11~dnorm(0,0.0001) beta12~dnorm(0,0.0001) beta13~dnorm(0,0.0001) tau~dgamma(0.01,0.01)} A.2 Program Code für Random Effects Modell model{ for(n in 1:N){ y[n]~dnorm(mu[n],tau) mu[n]<beta1[x1[n]]+ beta2*x2[n]+ beta3*x3[n]+ beta4*x4[n]+ beta5*x5[n]+ beta6*x6[n]+ beta7*x7[n]+ beta8*x8[n]+ beta9*x9[n]+ beta10*x10[n]+ beta11*x11[n]+ beta12*x12[n]+ beta13*x13[n]+ alpha[farm[n]]} for (f in 1:T){ alpha[f]~dnorm(alphabar,phi)} alphabar~dnorm(0,0.0001) beta1[1]<-0 for(b in 2:2){ beta1[b]~dnorm(0,0.0001)} 15 beta2~dnorm(0,0.0001) beta3~dnorm(0,0.0001) beta4~dnorm(0,0.0001) beta5~dnorm(0,0.0001) beta6~dnorm(0,0.0001) beta7~dnorm(0,0.0001) beta8~dnorm(0,0.0001) beta9~dnorm(0,0.0001) beta10~dnorm(0,0.0001) beta11~dnorm(0,0.0001) beta12~dnorm(0,0.0001) beta13~dnorm(0,0.0001) tau~dgamma(0.01,0.01) phi~dgamma(0.01, 10)} 16