LOOCV公式的证明


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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)=1n∑i=1nMSEi
MSEi=(yi−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ÿ我我

CV(n)=1n∑i=1n(yi−y^i1−hi)2
y^iihi
hi=1n+(xi−x¯)2∑j=1n(xj−x¯)2.

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。ħ我

y^i=β0+∑i=1kβkXk+some polynomial terms of degree ≥2
hi

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
— 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)ķ V ķ = { (X ķ,ÿ ķ)} Ť ķ = X ∖ V ķ ķ X = { (0 ,1 ),(1 ,2 ),(2 ,3 )}X={(xi,yi):i∈Z+}kVk={(xk,yk)}Tk=X∖VkkX={(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。 Ť 1 ={(1,2),(2,3)} Ť 1 Ŷ我 =X+1MSE V 1 Ŷ 1 =1个 Ÿ (1 ) 1 =0+1=1 MSE 1 =0V1={(0,1)}T1={(1,2),(2,3)}T1y^i=X+1MSEV1y1=1y^1(1)=0+1=1MSE1=0
— 单簧管

Answers:


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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)。Xt

让我自由使用稍微修改的符号。

我们首先表明, β 其中, β是使用所有数据和所述估计 β(吨)留出时估计X(吨),观察吨。让X吨被定义为行向量,使得 ý吨=X吨 β。ü牛逼是残差。

β^−β^(t)=(u^t1−ht)(X′X)−1Xt′,(A)
β^β^(t)X(t)tXty^t=Xtβ^u^t

证明使用以下矩阵代数结果。

设为非奇异矩阵,b为矢量,λ为标量。如果 λAbλ然后 (甲+λbb')-1

λ≠−1b′A−1b
(A+λbb′)−1=A−1−(λ1+λb′A−1b)A−1bb′A−1(B) 

证明

{A−1−(λ1+λb′A−1b)A−1bb′A−1}(A+λbb′)=I.

以下结果有助于证明(A)

(X(t)′X(t))−1Xt′=(11−ht)(X′X)−1Xt′. (C)

通过(B),我们有,使用:(C)的证明, (X ' (吨) X (吨))- 1∑t=1TXt′Xt=X′X 因此我们发现 (X ' (牛逼) X(牛逼))-1X ' 牛逼

(X(t)′X(t))−1=(X′X−Xt′Xt)−1=(X′X)−1+(X′X)−1Xt′Xt(X′X)−11−Xt(X′X)−1Xt′.
(X(t)′X(t))−1Xt′=(X′X)−1Xt′+(X′X)−1Xt′(Xt(X′X)−1Xt′1−Xt(X′X)−1Xt′)=(11−ht)(X′X)−1Xt′.

X′Xβ^=X′y,
(X(t)′X(t)+Xt′Xt)β^=X(t)′y(t)+Xt′yt,
{Ik+(X(t)′X(t))−1Xt′Xt}β^=β^(t)+(X(t)′X(t))−1Xt′(Xtβ^+u^t).
β^=β^(t)+(X(t)′X(t))−1Xt′u^t=β^(t)+(X′X)−1Xt′u^t1−ht,

ht=Xt(X′X)−1Xt′Xtytu^(t)β^(t)yt−Xtβ^(t)

u^(t)=u^t+(u^t1−ht)ht
u^(t)=u^t(1−ht)+u^tht1−ht=u^t1−ht

X(t)XXŤ

X′X=∑Ť=1个ŤXŤ′XŤ

@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

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(X(Ť)′X(Ť))-1个=(X′X-XŤ′XŤ)-1个

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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
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