证明OLS估计量是尺度相等的吗?


11

我没有尺度等方差的正式定义,但是这是《统计学习入门》在p上对此的描述。217:

标准最小二乘系数...是等比例的:将乘以常数只会导致将最小二乘系数估计值按比例缩放。XĴC1个/C

为简单起见,我们假设通用线性模型,其中,是矩阵(其中),其中,和是具有的实值随机变量的维向量。- [R β &Element; [R p + 1 ε Ñ ë [ ε ] = 0 Ñ × 1ÿ=Xβ+ϵÿ∈[RñXñ×(p+1个)p+1个<ñ[Rβ∈[Rp+1个ϵñË[ϵ]=0ñ×1个

根据OLS估算,我们知道如果具有完整(列)排名,则 假设我们相乘的一个列,说一些,通过常数。这相当于矩阵 β X = (X Ť X )- 1 X Ť ÿ。X X ķ ķ ∈ { 1 ,2 ,... ,p + 1 } Ç ≠ 0 X [ 1X

β^X=(XŤX)-1个XŤÿ。
XXķķ∈{1个,2,…,p+1个}c≠0š0Çķ小号〜X〜Xβ〜X=(〜 X Ť〜X)-1〜XŤÿ。〜XŤ〜X=[X Ť 1
X[11⋱1c1⋱1]⏟S=[x1x2⋯cxk⋯xp+1]≡X~
,其中矩阵所有其他条目均为,并且在对角线的第个条目中。然后,S0ckSX~X~因为新的设计矩阵是 经过一番努力,人们可以证明
β^X~=(X~TX~)−1X~Ty.
X〜ŤX〜=[X1个ŤX1个X1个ŤX2⋯CX1个ŤXķ⋯X1个ŤXp+1个X2ŤX1个X2ŤX2⋯CX2ŤXķ⋯X2ŤXp+1个⋮⋮⋱⋮⋯⋮CXķŤX1个CXķŤX2⋯C2XķŤXķ⋯CXķŤXp+1个⋮⋮⋮⋮⋯⋮Xp+1个ŤX1个Xp+1个ŤX2⋯CXp+1个ŤXp+1个⋯Xp+1个ŤXp+1个]
\ cdots和\ mathbf {x} _ {p + 1} ^ {T} \ mathbf {x} _ {p + 1} \\ \ end {bmatrix} 和
X〜Ťÿ=[X1个ŤÿX2Ťÿ⋮CXķŤÿ⋮Xp+1个Ťÿ]
我如何从此处显示上面引用的声明(即)?我不清楚如何计算。(〜X Ť〜X)-1β^X〜=1个Cβ^X(X〜ŤX〜)-1个

我认为您的是不正确的,它在整行中都缺少乘法器。 ÇX〜ŤX〜C
— Firebug

1
另外,请记住声明是,而不是每个。ββ^ķ,新=1个Cβ^ķ,旧β
— Firebug

@Firebug是的,我只是想通了。我正在发布答案。
— 单簧管手

2
可以更换所有通过简单得多的单位分析该代数,因为乘以由仅仅改变其测量的单元,因此,在与它的系数相关联的单元的相应变化是通过将其分摊。不幸的是,这并不能证明必须除以。但是,这种思路可能会提醒我们,可以通过一次对一个回归变量进行一系列回归来执行多重回归,很明显,除以,因此证明是完整的。 ç β Ĵ ç β Ĵ ç β Ĵ çXĴCβĴCβ^ĴCβ^ĴC
— ub

@whuber,虽然对结果的直觉很清楚,但在提供证明时似乎必须有一点代数。毕竟,比例因子需要反转。C
— user795305 2017年

Answers:


11

由于引号中的断言是有关重新缩放列的语句的集合,因此您不妨一次证明它们。确实,无需做更多工作即可证明该断言的一般性:X

当与可逆矩阵右乘时,则新系数估计等于左乘以。甲β甲β甲- 1X一种β^一种β^一种-1个

对于唯一的矩阵和,您唯一需要的代数事实是的(容易证明的,众所周知的事实为可逆矩阵和。(使用广义逆时,需要后者的更微妙的形式:对于可逆和以及任何,。 )甲乙(甲乙)- 1 = 乙- 1甲- 1甲乙甲乙X (甲X 乙)- = 乙- 1 X -甲- 1(一种乙)′=乙′一种′一种乙(一种乙)-1个=乙-1个一种-1个一种乙一种乙X(一种X乙)-=乙-1个X-一种-1个


代数证明:

β^一种=((X一种)′((X一种))-(X一种)′ÿ=一种-1个(X′X)-(一种′)-1个一种′ÿ=一种-1个β^,

QED。 (为了使该证明完全通用,上标指的是广义逆。)-


几何证明:

给定碱基和的和,分别表示从线性变换到。与右乘可被视为使此变换固定不变,但将更改为(即更改为的列)。在这种基础变化下,任何矢量必须通过与左乘法来改变,Ë ñ - [R ñ - [R p X - [R p - [R Ñ X 甲é p甲é p甲β&Element; [R p 甲- 1ËpËñ[Rñ[RpX[Rp[RñX一种Ëp一种Ëp一种β^∈RpA−1QED。

(即使是不可逆的,该证明也可以有效地使用,但不会修改。)X′X


引用具体指的是对且的对角矩阵为的情况。A i i = 1 i ≠ j A j j = cAAii=1i≠jAjj=c


最小二乘连接

这里的目的是使用第一原理来获得结果,该原理是最小二乘法:估计使残差的平方和最小的系数。

再次证明,证明(巨大的)概括不再困难,而只是揭示而已。 假设是实向量空间的任何映射(线性或非线性),并且是上的任何实值函数。让是点的(可能为空)为其中被最小化。 Q W¯¯ Ñ ù ⊂ V p v Q (φ (v ))

ϕ:Vp→Wn
QWnU⊂VpvQ(ϕ(v))

结果: 仅由和确定的不依赖于用于表示向量的基础任何选择。Q ϕ E p V pUQϕEpVp

证明: QED。

没有什么可证明的!

结果的应用:令为上的正半定二次型,令,并假定是当为时由表示的线性映射和。定义。选择一个的基础,并假设是该基础上某些的表示。 这是最小二乘:最小化平方距离。因为ř Ñ ý ∈ [R Ñ φ X V p = - [R p w ^ Ñ = - [R Ñ Q (X )= ˚F (Ý ,X )- [R p β v ∈ Ù X = X β ˚F (Ý ,X )X - [R p X 甲β甲- 1FRny∈RnϕXVp=RpWn=RnQ(x)=F(y,x)Rpβ^v∈Ux=Xβ^F(y,x)X是线性图,改变的基础对应于右乘以由一些可逆矩阵。将左乘由,QED。RpXAβ^A−1


6

定义最小二乘估计器,其中设计矩阵是满分。假设缩放矩阵是可逆的。 X∈[RÑ×p小号∈[Rp×pβ^=arg⁡minβ∈Rp‖y−Xβ‖22X∈Rn×pS∈Rp×p

定义此新的缩放估算器。这意味着对于所有。限定,我们可以重写该显示上述不等式为为所有。因此,得出最小二乘估计量 由于缩放矩阵的可逆性 ‖ý-X小号〜α ‖ 2 2 <‖ý-X小号α‖ 2 2 α≠〜α 〜β =小号〜α ‖ÿ-X〜β ‖ 2 2 <‖ÿ-α~=arg⁡minα∈Rp‖y−XSα‖22

‖ÿ-X小号α〜‖22<‖ÿ-X小号α‖22
α≠α〜β〜=小号α〜 β ≠ 〜β 〜β = ARG 分钟β &Element; [R p ‖ ý - X β ‖ 2 2 β = 〜β = 小号〜α。小号〜α = 小号- 1 β β ķ 吨ħ 1
‖ÿ-Xβ〜‖22<‖ÿ-Xβ‖22
β≠β〜β~=arg⁡minβ∈Rp‖y−Xβ‖22
β^=β~=Sα~.
S,则。在我们的情况下,这与的唯一不同之处在于项由缩放。α~=S−1β^β^kth1c

1
我不熟悉使用和类似函数的方法-您能解释一下从第二行到第三行的转换吗?精氨酸
— 单簧管

我写的有点不同,这应该使步骤更清晰。
— user795305 '17

这真的很聪明。(+1)
— 单簧管手

4

发布问题后,我想出了这一点。但是,如果我的工作是正确的,我会误解该索赔。所述仅缩放发生的一个部件上对应的列乘以。 βXÇ1个CβXC

请注意,上面的符号是对角对称矩阵,并且具有逆矩阵(因为它是对角线) 请注意是矩阵。假设 (p + 1 )× (p + 1 )S − 1 = [ 1小号(p+1个)×(p+1个)(〜X Ť〜X)-1(p+1)×(p+1)(XŤX)-1=[ Ž 1个ž 2 ⋯ Ž ķ ⋯ Ž p + 1 ]。(〜X Ť〜X)-1=[(X小号)

小号-1个=[1个1个⋱1个1个C1个⋱1个]。
(X〜ŤX〜)-1个(p+1个)×(p+1个)
(XŤX)-1个=[ž1个ž2⋯žķ⋯žp+1个]。
(X〜ŤX〜)-1个=[(X小号)ŤX小号]-1个=(小号ŤXŤX小号)-1个=(小号XŤX小号)-1个=小号-1个(XŤX)-1个小号-1个。
因此, 并将其乘以与将乘以效果相似-保持不变,乘以
小号-1个(XŤX)-1个=[ž1个ž2⋱1个Cžķ⋱žp+1个]
小号-1个X小号1个Cžķ1个C: 因此,
小号-1个(XŤX)-1个小号-1个=[ž1个ž2⋱1个C2žķ⋱žp+1个]。
β^X〜=小号-1个(XŤX)-1个小号-1个(X小号)Ťÿ=[ž1个ž2⋱1个C2žķ⋱žp+1个][X1个ŤÿX2Ťÿ⋮CXķŤÿ⋮Xp+1个Ťÿ]=[ž1个X1个Ťÿž2X2Ťÿ⋮1个CžķXķŤÿ⋮žp+1个Xp+1个Ťÿ]
。

有一个错字在。您需要转置。小号-1个(XŤX)-1个小号-1个(X小号)ÿ(X小号)
— JohnK

3

有史以来最琐碎的证明

您从线性方程式开始: 现在,您想更改回归器的比例,也许从公制转换为英制,您知道千克到磅,米到码等。所以,您来转换矩阵为,其中每个是设计矩阵变量(列)的转换系数。

ÿ=Xβ+ε
小号=d一世一种G(s1个,s1个,…,sñ)s一世一世X

让我们重新编写方程:

ÿ=(X小号)(小号-1个β)+ε

现在已经很清楚,比例缩放是方程式线性的属性,而不是系数估计的OLS方法。无论采用线性方程式的估算方法如何,您都可以将回归系数缩放为新系数应该缩放为X小号小号-1个β

代数证明仅适用于OLS

缩放比例是这样的: 其中每个变量(列)的比例因子,是的缩放版本。我们称对角线比例矩阵。您的OLS估计器是 让我们插入缩放的矩阵而不是并使用一些矩阵代数: 因此,您将看到新系数只是简单地按预期比例缩小了旧系数。

ž=X∗d一世一种G(s1个,s2,。。。,sñ)
s一世žX小号≡d一世一种G(s1个,s2,。。。,sñ)
β^=(XŤX)-1个XŤÿ
žX
(žŤž)-1个žŤÿ=(小号ŤXŤX小号)-1个小号ŤXŤÿ=小号-1个(XŤX)-1个小号-1个小号XŤÿ=小号-1个(XŤX)-1个XŤÿ=小号-1个β^

2
我喜欢您的方法,但是对“有史以来最琐碎的证据”感到不服。您已经隐含地假设,并且仍然需要证明,重写的模型必须与原始模型具有相同的拟合度。更严格地说:如果我们将拟合过程视为函数,其中是所有可能数据的集合(我们可以将其写为有序对),是所有可能系数估计的集合,那么您需要证明为所有可逆,所有,以及所有。(这并不总是正确的!)δ:中号→[Rp中号(X,ÿ)[Rpδ(X,ÿ)=小号-1个δ(X小号,ÿ)小号Xÿ
— whuber

@whuber,实际上是另一种方式:合理的拟合过程应满足此条件,否则,简单地更改度量单位将产生不同的预测/估计。我会更新我的答案,会去想它一点点
— Aksakal

我同意-但是我可以想象在以下情况下的例外情况 X排名不完整。这就是给我的提示,这种情况并不像看起来那样琐碎。
— 豪伯

3
皇室成员,不是皇家 ...:D(很好的回答,+ 1)
— usεr11852

@usεr11852,我今天学到了一些东西:)
— Aksakal

2

ÿ^ÿX。 β^是表示为线性时系数的向量列的组合。如果某列按因子缩放,则很明显,线性组合中的相应系数必须按缩放。ÿ^XC1个/C

假设是的值,而是用缩放一列时的OLS解决方案的值b一世β^一种一世C。

b1个X1个+。。。+b一世X一世+。。。+b米X米=一种1个X1个+。。。一种一世(CX一世)+。。。+一种ñXñ

表示bĴ=一种Ĵ,假设的列是线性独立的其中和。Ĵ≠一世b一世=一种一世CX

By using our site, you acknowledge that you have read and understand our Cookie Policy and Privacy Policy.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.