LOOCV公式的证明

根据James等人的《统计学习入门》，留一法交叉验证（LOOCV）估计值定义为其中。

{CV}_{(n)} = \frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} {MSE}_{i}

$\text{CV}_{(n)} = \dfrac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^{n}\text{MSE}_i$

{MSE}_{i} = (y_{i} - {\hat{y}}_{i})^{2}

$\text{MSE}_i = (y_i-\hat{y}_i)^2$

没有证据，方程式（5.2）指出，对于最小二乘或多项式回归（我是否只适用于仅对一个变量进行回归），其中“为在从原来的最小二乘个拟合值拟合（不知道的方式这意味着什么，，它使用意味着所有数据集？点）和是杠杆作用”，这是由定义

{CV}_{(n)} = \frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} {(\frac{y_{i} - {\hat{y}}_{i}}{1 - h_{i}})}^{2}

$\text{CV}_{(n)} = \dfrac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^{n}\left(\dfrac{y_i - \hat{y}_i}{1-h_i}\right)^2$

{\hat{y}}_{i}

$\hat{y}_i$

i

$i$

h_{i}

$h_i$

h_{i} = \frac{1}{n} + \frac{(x_{i} - \bar{x})^{2}}{\sum_{j = 1}^{n} (x_{j} - \bar{x})^{2}} .

$h_i = \dfrac{1}{n}+\dfrac{(x_i - \bar{x})^2}{\sum\limits_{j=1}^{n}(x_j - \bar{x})^2}\text{.}$

如何证明这一点？

我的尝试：首先可以注意到但分开由此（如果我还记得，公式仅适用于简单的线性回归...），我不确定如何从此处继续。

{\hat{y}}_{i} = β_{0} + \sum_{i = 1}^{k} β_{k} X_{k} + some polynomial terms of degree \geq 2

$\hat{y}_i = \beta_0 + \sum\limits_{i=1}^{k}\beta_k X_k + \text{some polynomial terms of degree }\geq 2$

h_{i}

$h_i$

— 单簧管
source

您的方程式似乎将用于不止一件事，或者我感到非常困惑。无论哪种方式，额外的清晰度都将是好的。

i

$i$

— Glen_b-恢复莫妮卡

@Glen_b我昨天才刚刚了解LOOCV，所以我可能无法正确理解某些内容。据我了解，您有一组数据点，例如。使用LOOCV，对于每个固定（正整数），您都有一些验证集和测试集用于为每个生成拟合模型。举例来说，例如，我们使用具有三个数据点简单线性回归拟合模型。我们将会（待续）

X = {(x_{i}, y_{i}) : i \in Z^{+}}

$\mathcal{X} = \{(x_i, y_i): i \in \mathbb{Z}^+\}$

k

$k$

V_{k} = {(x_{k}, y_{k})}

$\mathcal{V}_k = \{(x_k, y_k)\}$

T_{k} = X ∖ V_{k}

$\mathcal{T}_k = \mathcal{X}\setminus \mathcal{V}_k$

k

$k$

X = {(0, 1), (1, 2), (2, 3)}

$\mathcal{X} = \{(0, 1), (1, 2), (2,3)\}$

— 单簧管

@Glen_b和。使用，我们可以发现，使用简单的线性回归可以得到模型。然后我们使用作为验证集来计算并得到（仅使用给定的点）和，给出。好的，也许使用上标不是最好的主意-我将在原始帖子中对此进行更改。

V_{1} = {(0, 1)}

$\mathcal{V}_1 = \{(0, 1)\}$

T_{1} = {(1, 2), (2, 3)}

$\mathcal{T}_1 = \{(1, 2), (2, 3)\}$

T_{1}

$\mathcal{T}_1$

{\hat{y}}_{i} = X + 1

$\hat{y}_i = X + 1$

MSE

$\text{MSE}$

V_{1}

$\mathcal{V}_1$

y_{1} = 1

$y_1 = 1$

{\hat{y}}_{1}^{(1)} = 0 + 1 = 1

$\hat{y}_1^{(1)} = 0 + 1 = 1$

{MSE}_{1} = 0

$\text{MSE}_1 = 0$

— 单簧管

这是衍生页面

— Xavier Bourret Sicotte

无论回归变量是否为多项式，我都会显示任何多元线性回归的结果。实际上，它显示的内容远远超出您的要求，因为它表明每个LOOCV残差都与完全回归中相应的杠杆加权残差相同，而不仅是您可以获得（5.2）中的LOOCV误差（还有即使平均值中的每个术语都不相同，也可能是平均值达成一致的其他方式）。 $X_t$

让我自由使用稍微修改的符号。

我们首先表明，其中，是使用所有数据和所述估计留出时估计，观察。让被定义为行向量，使得。是残差。

\begin{aligned} \hat{β} - {\hat{β}}_{(t)} & = (\frac{{\hat{u}}_{t}}{1 - h_{t}}) (X^{'} X)^{- 1} X_{t}^{'}, (A) \end{aligned}

$\begin{align*} \hat\beta-\hat\beta_{(t)}&=\left(\frac{\hat u_t}{1-h_t}\right)(X'X)^{-1}X_t', \quad\quad \textrm{(A)} \end{align*}$

\hat{β}

$\hat\beta$

{\hat{β}}_{(t)}

$\hat\beta_{(t)}$

X_{(t)}

$X_{(t)}$

t

$t$

X_{t}

$X_t$

{\hat{y}}_{t} = X_{t} \hat{β}

$\hat y_t=X_t\hat\beta$

{\hat{u}}_{t}

$\hat u_t$

证明使用以下矩阵代数结果。

设为非奇异矩阵，为矢量，为标量。如果 $A$ $b$ $\lambda$ 然后

\begin{aligned} λ & \neq - \frac{1}{b^{'} A^{- 1} b} \end{aligned}

$\begin{align*} \lambda&\neq -\frac{1}{b'A^{-1}b} \end{align*}$

\begin{aligned} (A + λ b b^{'})^{- 1} & = A^{- 1} - (\frac{λ}{1 + λ b^{'} A^{- 1} b}) A^{- 1} b b^{'} A^{- 1} (B) \end{aligned}

$\begin{align*} (A+\lambda bb')^{-1}&=A^{-1}-\left(\frac{\lambda}{1+\lambda b'A^{-1}b}\right)A^{-1}bb'A^{-1}\quad\quad \textrm{(B) }\end{align*}$

证明

\begin{aligned} {A^{- 1} - (\frac{λ}{1 + λ b^{'} A^{- 1} b}) A^{- 1} b b^{'} A^{- 1}} (A + λ b b^{'}) = I . \end{aligned}

$\begin{align*} \left\{A^{-1}-\left(\frac{\lambda}{1+\lambda b'A^{-1}b}\right)A^{-1}bb'A^{-1}\right\}(A+\lambda bb')=I. \end{align*}$

以下结果有助于证明（A）

\begin{aligned} (X_{(t)}^{'} X_{(t)})^{- 1} X_{t}^{'} = (\frac{1}{1 - h_{t}}) (X^{'} X)^{- 1} X_{t}^{'} . (C) \end{aligned}

$\begin{align} (X_{(t)}'X_{(t)})^{-1}X_t'=\left(\frac{1}{1-h_t}\right)(X'X)^{-1}X_t'.\quad\quad \textrm{ (C)} \end{align}$

通过（B），我们有，使用：（C）的证明， $\sum_{t=1}^TX_t'X_t=X'X$ 因此我们发现

\begin{aligned} (X_{(t)}^{'} X_{(t)})^{- 1} & = (X^{'} X - X_{t}^{'} X_{t})^{- 1} \\ = (X^{'} X)^{- 1} + \frac{(X^{'} X)^{- 1} X_{t}^{'} X_{t} (X^{'} X)^{- 1}}{1 - X_{t} (X^{'} X)^{- 1} X_{t}^{'}} . \end{aligned}

$\begin{align*} (X_{(t)}'X_{(t)})^{-1}&=(X'X-X_t'X_t)^{-1}\\ &=(X'X)^{-1}+\frac{(X'X)^{-1}X_t'X_t(X'X)^{-1}}{1-X_t(X'X)^{-1}X_t'}. \end{align*}$

\begin{aligned} (X_{(t)}^{'} X_{(t)})^{- 1} X_{t}^{'} & = (X^{'} X)^{- 1} X_{t}^{'} + (X^{'} X)^{- 1} X_{t}^{'} (\frac{X_{t} (X^{'} X)^{- 1} X_{t}^{'}}{1 - X_{t} (X^{'} X)^{- 1} X_{t}^{'}}) \\ = (\frac{1}{1 - h_{t}}) (X^{'} X)^{- 1} X_{t}^{'} . \end{aligned}

$\begin{align*} (X_{(t)}'X_{(t)})^{-1}X_t'&=(X'X)^{-1}X_t'+(X'X)^{-1}X_t'\left(\frac{X_t(X'X)^{-1}X_t'}{1-X_t(X'X)^{-1}X_t'}\right)\\ &=\left(\frac{1}{1-h_t}\right)(X'X)^{-1}X_t'. \end{align*}$

\begin{aligned} X^{'} X \hat{β} & = X^{'} y, \end{aligned}

$\begin{align*} X'X\hat\beta&=X'y, \end{align*}$

\begin{aligned} (X_{(t)}^{'} X_{(t)} + X_{t}^{'} X_{t}) \hat{β} & = X_{(t)}^{'} y_{(t)} + X_{t}^{'} y_{t}, \end{aligned}

$\begin{align*} (X_{(t)}'X_{(t)}+X_t'X_t)\hat\beta &=X_{(t)}'y_{(t)}+X_t' y_t, \end{align*}$

\begin{aligned} {I_{k} + (X_{(t)}^{'} X_{(t)})^{- 1} X_{t}^{'} X_{t}} \hat{β} & = {\hat{β}}_{(t)} + (X_{(t)}^{'} X_{(t)})^{- 1} X_{t}^{'} (X_{t} \hat{β} + {\hat{u}}_{t}) . \end{aligned}

$\begin{align*} \left\{I_k+(X_{(t)}'X_{(t)})^{-1}X_t'X_t\right\}\hat\beta&=\hat\beta_{(t)}+(X_{(t)}'X_{(t)})^{-1}X_t'(X_t\hat\beta+\hat u_t). \end{align*}$

\begin{aligned} \hat{β} & = {\hat{β}}_{(t)} + (X_{(t)}^{'} X_{(t)})^{- 1} X_{t}^{'} {\hat{u}}_{t} \\ = {\hat{β}}_{(t)} + (X^{'} X)^{- 1} X_{t}^{'} \frac{{\hat{u}}_{t}}{1 - h_{t}}, \end{aligned}

$\begin{align*} \hat\beta&=\hat\beta_{(t)}+(X_{(t)}'X_{(t)})^{-1}X_t'\hat u_t\\ &=\hat\beta_{(t)}+(X'X)^{-1}X_t'\frac{\hat u_t}{1-h_t}, \end{align*}$

$h_t=X_t(X'X)^{-1}X_t'$ $X_t$ $y_t$ $\hat u_{(t)}$ $\hat\beta_{(t)}$ $y_t-X_t\hat\beta_{(t)}$

{\hat{u}}_{(t)} = {\hat{u}}_{t} + (\frac{{\hat{u}}_{t}}{1 - h_{t}}) h_{t}

$\hat u_{(t)}=\hat u_t+\left(\frac{\hat u_t}{1-h_t}\right)h_t$

{\hat{u}}_{(t)} = \frac{{\hat{u}}_{t} (1 - h_{t}) + {\hat{u}}_{t} h_{t}}{1 - h_{t}} = \frac{{\hat{u}}_{t}}{1 - h_{t}}

$\hat u_{(t)}=\frac{\hat u_t(1-h_t)+\hat u_th_t}{1-h_t}=\frac{\hat u_t}{1-h_t}$

— 克里斯多夫·汉克
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X_{(t)}

$X_{(t)}$

X

$X$

X_{t}

$X_t$

X^{'} X = \sum_{t = 1}^{T} X_{t}^{'} X_{t}

$X'X=\sum_{t=1}^T X_t'X_t$

@mpiktas，是的，谢谢你的指导。我进行了编辑，以考虑到第一个评论。第二个帮助到底在哪里？或者只是在您的评论中留下？

— Christoph Hanck

(X_{(t)}^{'} X_{(t)})^{- 1} = (X^{'} X - X_{t}^{'} X_{t})^{- 1}

$(X_{(t)}'X_{(t)})^{-1}=(X'X-X_t'X_t)^{-1}$

两年后...现在，我已经完成了研究生级别的线性模型序列，我对这个答案更加满意。我正在以这种新视角重新学习这些材料。您是否有任何建议的参考文献（教科书？），这些参考文献都像您在本答案中的详细介绍一样经过推导？

— 单簧管手