Harapan bersyarat dari R-squared


16

Pertimbangkan model linier sederhana:

yy = X ′ ββ + ϵ

yy=X′ββ+ϵ

dimana ϵ i ∼ i . i . d .N ( 0 , σ 2 )ϵi∼i.i.d.N(0,σ2) dan X ∈ R n × pX∈Rn×p , p ≥ 2p≥2 dan XX berisi kolom konstanta.

Pertanyaan saya adalah, mengingat E ( X ′ X )E(X′X) , ββ dan σσ , apakah ada rumus untuk batas atas non trivial pada E ( R 2 )E(R2) *? (dengan asumsi model diestimasi oleh OLS).

* Saya berasumsi, menulis ini, bahwa mendapatkan E ( R 2 )E(R2) itu sendiri tidak akan mungkin.

EDIT1

menggunakan solusi yang diturunkan oleh Stéphane Laurent (lihat di bawah) kita bisa mendapatkan batas atas non trivial pada E ( R 2 )E(R2) . Beberapa simulasi numerik (di bawah) menunjukkan bahwa ikatan ini sebenarnya cukup ketat.

Stéphane Laurent diturunkan sebagai berikut: R 2 ∼ B ( p - 1 , n - p , λ ) diR2∼B(p−1,n−p,λ) mana B ( p - 1 , n - p , λ )B(p−1,n−p,λ) adalah distribusi Beta non-sentral dengan parameter non-sentralitas λλ dengan

λ = | | X ′ β - E ( X ) ′ β 1 n | | 2σ 2

λ=||X′β−E(X)′β1n||2σ2

Begitu

E ( R 2 ) = E ( χ 2 p - 1 ( λ )χ 2 p - 1 ( λ ) + χ 2 n - p )≥E(χ 2 p - 1 (λ))E ( χ 2 p - 1 ( λ ) ) + E ( χ 2 n - p )

E(R2)=E(χ2p−1(λ)χ2p−1(λ)+χ2n−p)≥E(χ2p−1(λ))E(χ2p−1(λ))+E(χ2n−p)

di mana χ 2 k ( λ )χ2k(λ) adalah non-tengah χ 2χ2 dengan parameter λλ dan kk derajat kebebasan. Jadi batas atas non-sepele untuk E ( R 2 )E(R2) adalah

λ + p - 1λ + n - 1

λ+p−1λ+n−1

itu sangat ketat (jauh lebih ketat dari apa yang saya harapkan mungkin terjadi):

misalnya, menggunakan:

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)

rata-rata dari R 2 lebih dari 1000 simulasi adalah . Batas atas teoretis di atas memberi . Terikat tampaknya sama-sama tepat di banyak nilai-nilai R 2 . Benar-benar mencengangkan!R20.9608190.9609081R2

EDIT2:

setelah penelitian lebih lanjut, tampak bahwa kualitas perkiraan batas atas ke E ( R 2 ) akan menjadi lebih baik karena λ + p meningkat (dan semuanya sama, λ meningkat dengan n ).E(R2)λ+pλn


R 2 memiliki distribusi Beta dengan parameter tergantung hanya pada n dan p . Tidak ? R2np
— Stéphane Laurent

1
Oooppss maaf, klaim saya sebelumnya hanya benar di bawah hipotesis "model nol" (intersep saja). Kalau tidak, distribusi R 2 harus seperti distribusi Beta noncentral, dengan parameter noncentrality yang melibatkan parameter yang tidak diketahui. R2
— Stéphane Laurent

@ StéphaneLaurent: terima kasih. Apakah Anda tahu lebih banyak tentang hubungan antara parameter yang tidak diketahui dan parameter Beta? Saya macet, jadi setiap penunjuk akan disambut ...
— user603

Apakah Anda benar-benar harus berurusan dengan E [ R 2 ] ? Mungkin ada rumus tepat sederhana untuk E [ R 2 / ( 1 - R 2 ) ] . E[R2]E[R2/(1−R2)]
— Stéphane Laurent

1
Dengan notasi jawaban saya, R 2 / ( 1 - R 2 ) = k F untuk beberapa skalar k dan momen pertama distribusi F noncentral sederhana. R2/(1−R2)=kFkF
— Stéphane Laurent

Jawaban:


12

Any linear model can be written Y=μ+σGY=μ+σG where GG has the standard normal distribution on RnRn and μμ is assumed to belong to a linear subspace WW of RnRn. In your case W=Im(X)W=Im(X).

Let [1]⊂W[1]⊂W be the one-dimensional linear subspace generated by the vector (1,1,…,1)(1,1,…,1). Taking U=[1]U=[1] below, the R2R2 is highly related to the classical Fisher statistic F=‖PZY‖2/(m−ℓ)‖P⊥WY‖2/(n−m),

F=∥PZY∥2/(m−ℓ)∥P⊥WY∥2/(n−m),
for the hypothesis test of H0:{μ∈U}H0:{μ∈U} where U⊂WU⊂W is a linear subspace, and denoting by Z=U⊥∩WZ=U⊥∩W the orthogonal complement of UU in WW, and denoting m=dim(W)m=dim(W) and ℓ=dim(U)ℓ=dim(U) (then m=pm=p and ℓ=1ℓ=1 in your situation).

Indeed, ‖PZY‖2‖P⊥WY‖2=R21−R2

∥PZY∥2∥P⊥WY∥2=R21−R2
because the definition of R2R2 is R2=‖PZY‖2‖P⊥UY‖2=1−‖P⊥WY‖2‖P⊥UY‖2.
R2=∥PZY∥2∥P⊥UY∥2=1−∥P⊥WY∥2∥P⊥UY∥2.

Obviously PZY=PZμ+σPZGPZY=PZμ+σPZG and P⊥WY=σP⊥WGP⊥WY=σP⊥WG.

When H0:{μ∈U}H0:{μ∈U} is true then PZμ=0PZμ=0 and therefore F=‖PZG‖2/(m−ℓ)‖P⊥WG‖2/(n−m)∼Fm−ℓ,n−m

F=∥PZG∥2/(m−ℓ)∥P⊥WG∥2/(n−m)∼Fm−ℓ,n−m
has the Fisher Fm−ℓ,n−mFm−ℓ,n−m distribution. Consequently, from the classical relation between the Fisher distribution and the Beta distribution, R2∼B(m−ℓ,n−m)R2∼B(m−ℓ,n−m).

In the general situation we have to deal with PZY=PZμ+σPZGPZY=PZμ+σPZG when PZμ≠0PZμ≠0. In this general case one has ‖PZY‖2∼σ2χ2m−ℓ(λ)∥PZY∥2∼σ2χ2m−ℓ(λ), the noncentral χ2χ2 distribution with m−ℓm−ℓ degrees of freedom and noncentrality parameter λ=‖PZμ‖2σ2λ=∥PZμ∥2σ2, and then F∼Fm−ℓ,n−m(λ)F∼Fm−ℓ,n−m(λ) (noncentral Fisher distribution). This is the classical result used to compute power of FF-tests.

The classical relation between the Fisher distribution and the Beta distribution hold in the noncentral situation too. Finally R2R2 has the noncentral beta distribution with "shape parameters" m−ℓm−ℓ and n−mn−m and noncentrality parameter λλ. I think the moments are available in the literature but they possibly are highly complicated.

Finally let us write down PZμPZμ. Note that PZ=PW−PUPZ=PW−PU. One has PUμ=ˉμ1PUμ=μ¯1 when U=[1]U=[1], and PWμ=μPWμ=μ. Hence PZμ=μ−ˉμ1PZμ=μ−μ¯1 where here μ=Xβμ=Xβ for the unknown parameters vector ββ.


1
PZxPZx is the orthogoanl projection of xx on the linear subspace ZZ. And P⊥P⊥ denotes projection on the orthogonal.
— Stéphane Laurent

1
Beware of Px≠‖Px‖2Px≠∥Px∥2. I'm going to edit my post to write the formulas.
— Stéphane Laurent

1
Done - do you see any simplification ?
— Stéphane Laurent

1
ˉμ=1n∑μi
— Stéphane Laurent

1
Type I, obviously: type II are distributed on (0,∞). Actually R2/(1−R2) has the type II distribution. I have done the last corrections for today.
— Stéphane Laurent
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.