R平方的条件期望


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考虑简单的线性模型:

yy=X′ββ+ϵ

其中ϵi∼i.i.d.N(0,σ2)和 X∈Rn×p,和包含常数的列。p≥2X

我的问题是,给定,和,是否存在 * 上非平凡上界的公式?(假设模型是由OLS估算的)。E(X′X)βσE(R2)

*我以书面形式假设,不可能获得本身。E(R2)

编辑1

使用StéphaneLaurent派生的解决方案(见下文),我们可以得出的非平凡上界。一些数值模拟(如下)表明,这个界限实际上是很严格的。E(R2)

斯特凡·洛朗(StéphaneLaurent)得到了以下: 其中是具有以下项的非中心Beta分布非中心参数与R2∼B(p−1,n−p,λ)B(p−1,n−p,λ)λ

λ=||X′β−E(X)′β1n||2σ2

所以

E(R2)=E(χp−12(λ)χp−12(λ)+χn−p2)≥E(χp−12(λ))E(χp−12(λ))+E(χn−p2)

其中是具有参数和自由度的非中心。因此的非平凡上限是χk2(λ)χ2λkE(R2)

λ+p−1λ+n−1

它非常紧(比我预期的要紧得多):

例如,使用:

rho<-0.75
p<-10
n<-25*p
Su<-matrix(rho,p-1,p-1)
diag(Su)<-1
su<-1
set.seed(123)
bet<-runif(p)

在1000次仿真中的平均值为。上面的理论上限给出。在许多值上,边界似乎同样精确。真令人震惊!R20.9608190.9609081R2

编辑2:

经过进一步研究,似乎随着增加(与其他所有相等的情况,随增加),对的上限近似的质量会更好。λ + p λ ÑE(R2)λ+pλn


R2具有Beta分布,其参数仅取决于和。不是吗 np
— 斯特凡·洛朗

1
抱歉,我先前的主张仅在“空模型”(仅拦截)的假设下才是正确的。否则,的分布应类似于非中心Beta分布,其非中心参数涉及未知参数。R2
— 斯特凡·洛朗

@StéphaneLaurent:谢谢。您是否会进一步了解未知参数和Beta参数之间的关系?我被卡住了,所以任何指针都将受到欢迎……
— user603 2013年

您是否绝对需要处理?也许对于E [ R 2 /(1 - R 2)]有一个简单的精确公式。E[R2]E[R2/(1−R2)]
— 斯特凡·洛朗

1
用我的答案符号,对于某些标量k,,并且非中心F分布的第一矩很简单。R2/(1−R2)=kFkF
— 斯特凡·洛朗

Answers:


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任何线性模型可以写成其中ģ对标准正态分布ř Ñ和μ被假定为属于一个线性子空间W¯¯的ř Ñ。在您的情况下,W = Im (X )。Y=μ+σGGRnμWRnW=Im(X)

让是由载体产生的一维线性子空间(1 ,1 ,... ,1 )。服用Ù = [ 1 ]下面,对- [R 2是高度相关的经典费歇尔统计 ˚F = ‖ P ž ý ‖ 2 /(米- ℓ )[1]⊂W(1,1,…,1)U=[1]R2 为的假设检验ħ0:{μ&Element;ù}其中Ú⊂W¯¯是线性子空间,并且由表示 ž=û⊥∩W¯¯的正交补ù在W中,分别表示m=昏暗(W)和ℓ=昏暗(U)

F=‖PZY‖2/(m−ℓ)‖PW⊥Y‖2/(n−m),
H0:{μ∈U}U⊂WZ=U⊥∩WUWm=dim⁡(W)ℓ=dim⁡(U)(则,ℓ = 1)。m=pℓ=1

确实, ,因为的定义- [R2是 - [R2= ‖ P ž ÿ ‖ 2

‖PZY‖2‖PW⊥Y‖2=R21−R2
R2
R2=‖PZY‖2‖PU⊥Y‖2=1−‖PW⊥Y‖2‖PU⊥Y‖2.

显然和 P ⊥ W¯¯ Ŷ = σ P ⊥ w ^ g ^。PZY=PZμ+σPZGPW⊥Y=σPW⊥G

当为真H0:{μ∈U}则,因此 ˚F = ‖ P ž ģ ‖ 2 /(米- ℓ )PZμ=0 具有费希尔˚F米-ℓ,ñ-米分布。因此,来自费希尔分布和Beta分布之间的经典关系- [R2〜乙(米-ℓ,ñ-米)。

F=‖PZG‖2/(m−ℓ)‖PW⊥G‖2/(n−m)∼Fm−ℓ,n−m
Fm−ℓ,n−mR2∼B(m−ℓ,n−m)

在一般的情况,我们必须处理当P ž μ ≠ 0。在这种一般的情况下一个具有‖ P ž ý ‖ 2〜σ 2 χ 2 米- ℓ(λ )时,非中心χ 2与分布米- ℓ自由度和noncentrality参数λ = ‖PZY=PZμ+σPZGPZμ≠0‖PZY‖2∼σ2χm−ℓ2(λ)χ2m−ℓ,然后 ˚F〜˚F米-ℓ,ñ-米(λ)(非中心费舍尔分布)。这是用于计算F检验功效的经典结果。λ=‖PZμ‖2σ2F∼Fm−ℓ,n−m(λ)F

Fisher分布和Beta分布之间的经典关系在非中心情况下也成立。最后,具有非中心贝塔分布,其“形状参数”为m - ℓ和n - m,非中心参数为λ。我认为这些时刻可以从文献中找到,但它们可能非常复杂。R2m−ℓn−mλ

最后,让我们写下。需要注意的是P ž = P w ^ - P ü。一个具有P Ù μ = ˉ μ 1时ù = [ 1 ],和P w ^ μ = μ。因此P ž μ = μ - ˉ μ 1,其中这里μ = X β为未知参数向量β。PZμPZ=PW−PUPUμ=μ¯1U=[1]PWμ=μPZμ=μ−μ¯1μ=Xββ


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是 x在线性子空间 Z上的正交投影。和 P ⊥表示上的正交投影。PZxxZP⊥
— 斯特凡·洛朗

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当心。我将编辑帖子以编写公式。Px≠‖Px‖2
— 斯特凡·洛朗

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完成-您看到任何简化了吗?
— 斯特凡·洛朗

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μ¯=1n∑μi
— 斯特凡劳伦

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类型I很明显:类型II分布在。实际上,R 2 /(1 - R 2)具有II型分布。我已经做了今天的最后更正。(0,∞)R2/(1−R2)
— 斯特凡·洛朗
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