使用lm（）时R中权重参数背后的理论

在读研究生一年后，我的“加权最小二乘”的理解是这样的：让 $\mathbf{y} \in \mathbb{R}^n$ ， $\mathbf{X}$ 是一些 $n \times p$ 设计矩阵，是一个参数向量中的是误差向量，使得，其中和。然后模型 $\boldsymbol\beta \in \mathbb{R}^p$ $\boldsymbol\epsilon \in \mathbb{R}^n$ $\boldsymbol\epsilon \sim \mathcal{N}(\mathbf{0}, \sigma^2\mathbf{V})$ $\mathbf{V} = \text{diag}(v_1, v_2, \dots, v_n)$ $\sigma^2 > 0$

y = X β + ϵ

$\mathbf{y} = \mathbf{X}\boldsymbol\beta + \boldsymbol\epsilon$ 在该假设下的模型称为“加权最小二乘”模型。WLS问题最终是找到

\arg min_{β} {(y - X β)}^{T} V^{- 1} (y - X β) .

$\begin{equation} \arg\min_{\boldsymbol \beta}\left(\mathbf{y}-\mathbf{X}\boldsymbol\beta\right)^{T}\mathbf{V}^{-1}\left(\mathbf{y}-\mathbf{X}\boldsymbol\beta\right)\text{.} \end{equation}$ 假设

y = {[\begin{matrix} y_{1} & \dots & y_{n} \end{matrix}]}^{T}

$\mathbf{y} = \begin{bmatrix} y_1 & \dots & y_n\end{bmatrix}^{T}$ ，

β = {[\begin{matrix} β_{1} & \dots & β_{p} \end{matrix}]}^{T}

$\boldsymbol\beta = \begin{bmatrix} \beta_1 & \dots & \beta_p\end{bmatrix}^{T}$ 和

X = [\begin{matrix} x_{11} & \dots & x_{1 p} \\ x_{21} & \dots & x_{2 p} \\ ⋮ & ⋮ & ⋮ \\ x_{n 1} & \dots & x_{n p} \end{matrix}] = [\begin{matrix} x_{1}^{T} \\ x_{2}^{T} \\ ⋮ \\ x_{n}^{T} \end{matrix}] .

$\mathbf{X} = \begin{bmatrix} x_{11} & \cdots & x_{1p} \\ x_{21} & \cdots & x_{2p} \\ \vdots & \vdots & \vdots \\ x_{n1} & \cdots & x_{np} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \mathbf{x}_{1}^{T} \\ \mathbf{x}_{2}^{T} \\ \vdots \\ \mathbf{x}_{n}^{T} \end{bmatrix}\text{.}$

x_{i}^{T} β \in R^{1}

$\mathbf{x}_i^{T}\boldsymbol\beta\in \mathbb{R}^1$ ，因此

y - X β = [\begin{matrix} y_{1} - x_{1}^{T} β \\ y_{2} - x_{2}^{T} β \\ ⋮ \\ y_{n} - x_{n}^{T} β \end{matrix}] .

$\mathbf{y}-\mathbf{X}\boldsymbol\beta = \begin{bmatrix} y_1-\mathbf{x}_{1}^{T}\boldsymbol\beta \\ y_2-\mathbf{x}_{2}^{T}\boldsymbol\beta \\ \vdots \\ y_n-\mathbf{x}_{n}^{T}\boldsymbol\beta \end{bmatrix}\text{.}$ 这给出

\begin{aligned} (y - X β)^{T} V^{- 1} & = [\begin{matrix} y_{1} - x_{1}^{T} β & y_{2} - x_{2}^{T} β & \dots & y_{n} - x_{n}^{T} β \end{matrix}] diag (v_{1}^{- 1}, v_{2}^{- 1}, \dots, v_{n}^{- 1}) \\ = [\begin{matrix} v_{1}^{- 1} (y_{1} - x_{1}^{T} β) & v_{2}^{- 1} (y_{2} - x_{2}^{T} β) & \dots & v_{n}^{- 1} (y_{n} - x_{n}^{T} β) \end{matrix}] \end{aligned}

$\begin{align} (\mathbf{y}-\mathbf{X}\boldsymbol\beta)^{T}\mathbf{V}^{-1} &= \begin{bmatrix} y_1-\mathbf{x}_{1}^{T}\boldsymbol\beta &y_2-\mathbf{x}_{2}^{T}\boldsymbol\beta & \cdots & y_n-\mathbf{x}_{n}^{T}\boldsymbol\beta \end{bmatrix}\text{diag}(v_1^{-1}, v_2^{-1}, \dots, v_n^{-1}) \\ &= \begin{bmatrix} v_1^{-1}(y_1-\mathbf{x}_{1}^{T}\boldsymbol\beta) &v_2^{-1}(y_2-\mathbf{x}_{2}^{T}\boldsymbol\beta) & \cdots & v_n^{-1}(y_n-\mathbf{x}_{n}^{T}\boldsymbol\beta) \end{bmatrix} \end{align}$ v_n ^ {-1}（y_n- \ mathbf {x} _ {n} ^ {T} \ boldsymbol \ beta）\ end {bmatrix} \ end {align} 因此

\arg min_{β} {(y - X β)}^{T} V^{- 1} (y - X β) = \arg min_{β} \sum_{i = 1}^{n} v_{i}^{- 1} (y_{i} - x_{i}^{T} β)^{2} .

$\begin{equation} \arg\min_{\boldsymbol \beta}\left(\mathbf{y}-\mathbf{X}\boldsymbol\beta\right)^{T}\mathbf{V}^{-1}\left(\mathbf{y}-\mathbf{X}\boldsymbol\beta\right) \end{equation} = \arg\min_{\boldsymbol \beta}\sum_{i=1}^{n}v_i^{-1}(y_i-\mathbf{x}^{T}_i\boldsymbol\beta)^2\text{.}$

β

$\boldsymbol\beta$ 使用

\hat{β} = (X^{T} V^{- 1} X)^{- 1} X^{T} V^{- 1} y .

$\hat{\boldsymbol\beta} = (\mathbf{X}^{T}\mathbf{V}^{-1}\mathbf{X})^{-1}\mathbf{X}^{T}\mathbf{V}^{-1}\mathbf{y}\text{.}$ 这是我所熟悉的知识的范围。我从来没有教如何

v_{1}, v_{2}, \dots, v_{n}

$v_1, v_2, \dots, v_n$ 应选择，尽管它似乎是，通过判断在这里，通常

Var (ϵ) = diag (σ_{1}^{2}, σ_{2}^{2}, \dots, σ_{n}^{2})

$\text{Var}(\boldsymbol\epsilon) = \text{diag}(\sigma^2_1, \sigma^2_2, \dots, \sigma^2_n)$ ，这很直观。（在WLS问题中，赋予高度可变的权重将使权重减小，而使变异性较小的观察将具有更大的权重。）

我特别好奇的是，R当权重lm()分配为整数时，如何处理函数中的权重。通过使用?lm：

非NULL权重可用于表示不同的观察值具有不同的方差（权重中的值与方差成反比）；或等效地，重元素为正整数时，每个响应是单位权重观测值的平均值（包括存在观测值等于且数据已汇总的情况）。 $w_i$ $y_i$ $w_i$ $w_i$ $y_i$

我已经多次阅读了本段内容，对我而言这毫无意义。使用上面开发的框架，假设我具有以下模拟值：

x <- c(0, 1, 2)
y <- c(0.25, 0.75, 0.85)
weights <- c(50, 85, 75)

lm(y~x, weights = weights)

Call:
lm(formula = y ~ x, weights = weights)

Coefficients:
(Intercept)            x  
     0.3495       0.2834

使用我上面开发的框架，这些参数如何导出？这是我手动进行的尝试：假设，我们有并在Give中执行此操作（请注意，在这种情况下，可逆性不起作用，因此我使用了广义逆）： $\mathbf{V} = \text{diag}(50, 85, 75)$

\begin{aligned} [\begin{matrix} {\hat{β}}_{0} \\ {\hat{β}}_{1} \end{matrix}] = \\ {([\begin{matrix} 1 & 1 \\ 1 & 1 \\ 1 & 1 \end{matrix}] diag (1 / 50, 1 / 85, 1 / 75) {[\begin{matrix} 1 & 1 \\ 1 & 1 \\ 1 & 1 \end{matrix}]}^{T})}^{- 1} {[\begin{matrix} 1 & 1 \\ 1 & 1 \\ 1 & 1 \end{matrix}]}^{T} diag (1 / 50, 1 / 85, 1 / 75) [\begin{matrix} 0.25 \\ 0.75 \\ 0.85 \end{matrix}] \end{aligned}

$\begin{align}&\begin{bmatrix} \hat\beta_0 \\ \hat\beta_1 \end{bmatrix} = \\ &\left(\begin{bmatrix} 1 & 1\\ 1 & 1\\ 1 & 1 \end{bmatrix}\text{diag}(1/50, 1/85, 1/75)\begin{bmatrix} 1 & 1\\ 1 & 1\\ 1 & 1 \end{bmatrix}^{T} \right)^{-1}\begin{bmatrix} 1 & 1\\ 1 & 1\\ 1 & 1 \end{bmatrix}^{T}\text{diag}(1/50, 1/85, 1/75)\begin{bmatrix} 0.25 \\ 0.75 \\ 0.85 \end{bmatrix} \end{align}$ R

X <- matrix(rep(1, times = 6), byrow = T, nrow = 3, ncol = 2)
V_inv <- diag(c(1/50, 1/85, 1/75))
y <- c(0.25, 0.75, 0.85)

library(MASS)
ginv(t(X) %*% V_inv %*% X) %*% t(X) %*% V_inv %*% y

         [,1]
[1,] 0.278913
[2,] 0.278913

这些与lm()输出中的值不匹配。我究竟做错了什么？

r linear-model weighted-regression

— 单簧管
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矩阵应该是而不是另外，您应该是，不是。 $X$

[\begin{matrix} 1 & 0 \\ 1 & 1 \\ 1 & 2 \end{matrix}],

$\begin{bmatrix} 1 & 0\\ 1 & 1\\ 1 & 2 \end{bmatrix},$

[\begin{matrix} 1 & 1 \\ 1 & 1 \\ 1 & 1 \end{matrix}] .

$\begin{bmatrix} 1 & 1\\ 1 & 1\\ 1 & 1 \end{bmatrix}.$ V_invdiag(weights)diag(1/weights)

x <- c(0, 1, 2)
y <- c(0.25, 0.75, 0.85)
weights <- c(50, 85, 75)
X <- cbind(1, x)

> solve(t(X) %*% diag(weights) %*% X, t(X) %*% diag(weights) %*% y)
       [,1]
  0.3495122
x 0.2834146

— 马克999
source

尤其感谢您清除错误的设计矩阵！我对这种材料很生疏。因此，作为最后一个问题，这是否意味着在WLS假设中？

Var (ϵ) = diag (1 / weights)

$\text{Var}(\boldsymbol\epsilon) = \text{diag}(1/\text{weights})$

— 单簧管演奏家

是的，尽管权重仅需与1 /方差成比例，但不一定相等。例如，如果weights <- c(50, 85, 75)/2在示例中使用，则会得到相同的结果。

— mark999

为了更简洁地回答这个问题，使用weightsin 的加权最小二乘回归R做出以下假设：假设我们有weights = c(w_1, w_2, ..., w_n)。让，是设计矩阵，是一个参数矢量，和中的是均值和方差矩阵的误差向量，其中。然后，按照原始帖子中的推导相同步骤，我们得到 $\mathbf{y} \in \mathbb{R}^n$ $\mathbf{X}$ $n \times p$ $\boldsymbol\beta\in\mathbb{R}^p$ $\boldsymbol\epsilon \in \mathbb{R}^n$ $\mathbf{0}$ $\sigma^2\mathbf{V}$ $\sigma^2 > 0$

V = diag (1 / w_{1}, 1 / w_{2}, \dots, 1 / w_{n}) .

$\mathbf{V} = \text{diag}(1/w_1, 1/w_2, \dots, 1/w_n)\text{.}$

\begin{aligned} \arg min_{β} {(y - X β)}^{T} V^{- 1} (y - X β) & = \arg min_{β} \sum_{i = 1}^{n} (1 / w_{i})^{- 1} (y_{i} - x_{i}^{T} β)^{2} \\ = \arg min_{β} \sum_{i = 1}^{n} w_{i} (y_{i} - x_{i}^{T} β)^{2} \end{aligned}

$\begin{align} \arg\min_{\boldsymbol \beta}\left(\mathbf{y}-\mathbf{X}\boldsymbol\beta\right)^{T}\mathbf{V}^{-1}\left(\mathbf{y}-\mathbf{X}\boldsymbol\beta\right)&= \arg\min_{\boldsymbol \beta}\sum_{i=1}^{n}(1/w_i)^{-1}(y_i-\mathbf{x}^{T}_i\boldsymbol\beta)^2 \\ &= \arg\min_{\boldsymbol \beta}\sum_{i=1}^{n}w_i(y_i-\mathbf{x}^{T}_i\boldsymbol\beta)^2 \end{align}$ 和使用来自GLS的假设。

β

$\boldsymbol\beta$

\hat{β} = (X^{T} V^{- 1} X)^{- 1} X^{T} V^{- 1} y

$\hat{\boldsymbol\beta} = (\mathbf{X}^{T}\mathbf{V}^{-1}\mathbf{X})^{-1}\mathbf{X}^{T}\mathbf{V}^{-1}\mathbf{y}$

— 单簧管
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