Distribusi kesalahan jumlah kuadrat untuk regresi linier?


12

Saya tahu bahwa distribusi varians sampel Dari fakta bahwa dapat diekspresikan dalam bentuk matriks, (di mana A: simetris), dan itu bisa lagi diekspresikan dalam: (di mana Q: ortonormal, D: matriks diagonal).

∑(Xi−X¯)2σ2∼χ(n−1)2
∑(Xi−X¯)2n−1∼σ2n−1χ(n−1)2
(X−X¯)2xAx′x′QDQ′x

Bagaimana dengan , dengan asumsi ? ∑(Yi−β^0−β^1Xi)2(Y−β0−β1X)∼N(0,σ2)

Saya pikir

∑(Yi−β^0−β^1Xi)2σ2∼χ(n−2)2.

Tapi saya tidak tahu bagaimana membuktikan atau menunjukkannya.

Apakah didistribusikan persis seperti ?χ(n−2)2


1
Apakah ini pekerjaan rumah? Jika demikian, silakan gunakan tag Pekerjaan Rumah.
— MånsT

Tidak, tidak. Saya pikir itu benar karena bagaimanapun, jumlah kuadrat adalah kuadrat kombinasi linear dari Y yang diberikan konstanta X. Tetapi apakah itu? Bukti sederhana seperti ini akan sangat dihargai! math.stackexchange.com/questions/47009/…
— KH Kim

Deskripsi yang Anda berikan dalam pertanyaan dan komentar Anda agak kacau. Sudahkah Anda menuliskan apa matriks AndaAharus untuk varians sampel? Apakah itu membantu Anda melihat cara menggeneralisasi?
— kardinal

Dikoreksi untuk D. Saya pikir titik kritisnya adalah elemen diagonal D harus kira-kira seperti (1,1,1, ..., 1,0,0). Apakah ada cara untuk membuktikannya? atau Apakah ada cara untuk menunjukkan ituχ2(n)=χ2(n-2)+χ2(1)+χ2(1) dimana sse /σ2∼χ2(n-2), ∑esaya2/σ2∼χ2(n)
— KH Kim

Jawaban:


13

Kami dapat membuktikan ini untuk kasus yang lebih umum halvariabel dengan menggunakan "hat matrix" dan beberapa properti yang berguna. Hasil ini biasanya jauh lebih sulit untuk dinyatakan dalam istilah non-matriks karena penggunaan dekomposisi spektral.

Sekarang dalam versi matriks kuadrat terkecil, matriks topi adalah H=X(XTX)−1XT dimana X telah n baris dan p+1 kolom (kolom yang untuk β0). Asumsikan peringkat kolom lengkap untuk kenyamanan - jika tidak Anda bisa menggantip+1 oleh peringkat kolom Xberikut ini. Kita dapat menulis nilai yang dipasang sebagaiY^saya=∑j=1nHsayajYj atau dalam notasi matriks Y^=HY. Dengan menggunakan ini, kita dapat menulis jumlah kuadrat sebagai:

∑saya=1(Y-Ysaya^)2σ2=(Y-Y^)T(Y-Y^)σ2=(Y-HY)T(Y-HY)σ2
=YT(sayan-H)Yσ2

Dimana sayan adalah matriks identitas ketertiban n. Langkah terakhir mengikuti dari fakta ituH adalah matriks idepotent, sebagai

H2=[X(XTX)-1XT][X(XTX)-1XT]=X(XTX)-1XT=H=HHT=HTH

Sekarang properti rapi dari matriks idepotent adalah bahwa semua nilai eigennya harus sama dengan nol atau satu. Membiarkane menunjukkan vektor eigen yang dinormalisasi H dengan nilai eigen l, kita dapat membuktikan ini sebagai berikut:

He=le⟹H(He)=H(le)
L.HS=H2e=He=leRHS=lHe=l2e
⟹le=l2e⟹l=0 atau 1

(perhatikan itu e tidak boleh nol karena harus memuaskan eTe=1) Sekarang karena H idepoten, sayan-H juga, karena

(In−H)(In−H)=I−IH−HI+H2=In−H

Kami juga memiliki properti bahwa jumlah nilai eigen sama dengan jejak matriks, dan

tr(In−H)=tr(In)−tr(H)=n−tr(X(XTX)−1XT)=n−tr((XTX)−1XTX)
=n−tr(Ip+1)=n−p−1

Karenanya I−H harus punya n−p−1 nilai eigen sama dengan 1 dan p+1 nilai eigen sama dengan 0.

Sekarang kita dapat menggunakan dekomposisi spektral I−H=ADAT dimana D=(In−p−10[n−p−1]×[p+1]0[p+1]×[n−p−1]0[p+1]×[p+1]) dan A bersifat ortogonal (karena I−Hsimetris). Properti selanjutnya yang bermanfaat adalah ituHX=X. Ini membantu mempersempitA matriks

HX=X⟹(I−H)X=0⟹ADATX=0⟹DATX=0
⟹(ATX)ij=0i=1,…,n−p−1j=1,…,p+1

dan kami mendapatkan:

∑i=1(Y−Yi^)2σ2=YTADATYσ2=∑i=1n−p−1(ATY)i2σ2

Sekarang, di bawah model yang kita miliki Y∼N(Xβ,σ2I) dan menggunakan teori normal standar yang kita miliki ATY∼N(ATXβ,σ2ATA)∼N(ATXβ,σ2I) menunjukkan bahwa komponen ATYindependen. Sekarang menggunakan hasil yang bermanfaat, kami memilikinya(ATY)i∼N(0,σ2) untuk i=1,…,n−p−1. Distribusi chi-square dengann−p−1 derajat kebebasan untuk jumlah kesalahan kuadrat segera menyusul.


Wow, terima kasih banyak. Benar-benar luar biasa! Bentuk matriks benar-benar terbayar! Singkatnya, SSE /σ2=YT(I−H)Y dan I−Hidempoten. Matriks idempoten memiliki nilai eigen 0 atau 1. Jadi jumlah nilai eigen adalah jumlah nilai eigen 1. dantr(In−H)=tr(In)−tr(H)=tr(In)−tr(X(XTX)−1XT)=tr(In)−tr((XTX)−1XTX) sejak tr(AB)=tr(BA), dan tr(In−H)menjadi n-p + 1. dan jumlah nilai eigen dari sebuah matriks adalah jumlah jejak dari matriks! danI−H dapat dinyatakan sebagai ADAT. Jadi yang pertamaYT(I−H)Y menjadi YTADATYdengan D dengan hanya np-1 diagonal 1's.
— KH Kim

1
Jawaban bagus !! Hanya untuk menyajikan pendekatan lain, kita dapat memilih untuk mendefinisikan variabel normal multivariat yang ditransformasikanv:=A′Y dan masih akan mengikuti distribusi yang sama N(0,σ2I)jika kita menggunakan properti affine. Kemudian fraksi terakhirY′ADA′Yσ2=v′Dvσ2=v′[I000]vσ2=∑i=1tr⁡D(viσ)2.
— Daeyoung Lim
Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.