Почему ? (Одна переменная линейная регрессия)

14

Примечание. = сумма квадратов, = сумма квадратов ошибок и = регрессионная сумма квадратов. Уравнение в названии часто записывается как: $SST$ $SSE$ $SSR$

\sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - \bar{y})^{2} = \sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - {\hat{y}}_{i})^{2} + \sum_{i = 1}^{n} ({\hat{y}}_{i} - \bar{y})^{2}

$\sum_{i=1}^n (y_i-\bar y)^2=\sum_{i=1}^n (y_i-\hat y_i)^2+\sum_{i=1}^n (\hat y_i-\bar y)^2$

Довольно простой вопрос, но я ищу интуитивное объяснение. Интуитивно, мне кажется, что будет иметь больше смысла. Например, предположим, что точка имеет соответствующее значение y и , где - соответствующая точка на линии регрессии. Также предположим, что среднее значение y для набора данных равно . Тогда для этой конкретной точки i , а и . Очевидно, . Разве этот результат не будет распространяться на весь набор данных? Я не понимаю $SST\geq SSE+SSR$ $x_i$ $y_i=5$ $\hat y_i=3$ $\hat y_i$ $\bar y=0$ $SST=(5-0)^2=5^2=25$ $SSE=(5-3)^2=2^2=4$ $SSR=(3-0)^2=3^2=9$ $9+4<25$

regression least-squares r-squared

— кулачок
источник

1

Очень тесно связанные темы также имеют хорошие ответы: stats.stackexchange.com/questions/1447 , stats.stackexchange.com/questions/118 , stats.stackexchange.com/questions/123651 , stats.stackexchange.com/questions/204930 и stats.stackexchange.com/questions/127598 .

— whuber

15

Сложение и вычитание дает Итак, нам нужно показать, что

\begin{array}{rcl} \sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - \bar{y})^{2} & = & \sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - {\hat{y}}_{i} + {\hat{y}}_{i} - \bar{y})^{2} \\ = & \sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - {\hat{y}}_{i})^{2} + 2 \sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - {\hat{y}}_{i}) ({\hat{y}}_{i} - \bar{y}) + \sum_{i = 1}^{n} ({\hat{y}}_{i} - \bar{y})^{2} \end{array}

$\begin{eqnarray*} \sum_{i=1}^n (y_i-\bar y)^2&=&\sum_{i=1}^n (y_i-\hat y_i+\hat y_i-\bar y)^2\\ &=&\sum_{i=1}^n (y_i-\hat y_i)^2+2\sum_{i=1}^n(y_i-\hat y_i)(\hat y_i-\bar y)+\sum_{i=1}^n(\hat y_i-\bar y)^2 \end{eqnarray*}$

. Запись

\sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - {\hat{y}}_{i}) ({\hat{y}}_{i} - \bar{y}) = 0

$\sum_{i=1}^n(y_i-\hat y_i)(\hat y_i-\bar y)=0$

Таким образом, (а) остатки

должен быть ортогонален подобранными значениями,

, и (б) сумму подогнанных потребностей значенийкоторые будут равны сумме зависимой переменной,

\sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - {\hat{y}}_{i}) ({\hat{y}}_{i} - \bar{y}) = \sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - {\hat{y}}_{i}) {\hat{y}}_{i} - \bar{y} \sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - {\hat{y}}_{i})

$\sum_{i=1}^n(y_i-\hat y_i)(\hat y_i-\bar y)=\sum_{i=1}^n(y_i-\hat y_i)\hat y_i-\bar y\sum_{i=1}^n(y_i-\hat y_i)$

e_{i} = y_{i} - {\hat{y}}_{i}

$e_i=y_i-\hat y_i$

\sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - {\hat{y}}_{i}) {\hat{y}}_{i} = 0

$\sum_{i=1}^n(y_i-\hat y_i)\hat y_i=0$

.

\sum_{i = 1}^{n} y_{i} = \sum_{i = 1}^{n} {\hat{y}}_{i}

$\sum_{i=1}^ny_i=\sum_{i=1}^n\hat y_i$

На самом деле, я думаю , что (а) легче показать в матричной форме для общей множественной регрессии которых единичный случай переменного является частным случаем: А (б), производная функции критерия МНК относительно постоянной (! Таквам нужен в регрессии для этогочтобы быть правдой), иначе нормальное уравнение , является

\begin{array}{rcl} e^{'} X \hat{β} & = & (y - X \hat{β})^{'} X \hat{β} \\ = & (y - X (X^{'} X)^{- 1} X^{'} y)^{'} X \hat{β} \\ = & y^{'} (X - X (X^{'} X)^{- 1} X^{'} X) \hat{β} \\ = & y^{'} (X - X) \hat{β} = 0 \end{array}

$\begin{eqnarray*} e'X\hat\beta &=&(y-X\hat\beta)'X\hat\beta\\ &=&(y-X(X'X)^{-1}X'y)'X\hat\beta\\ &=&y'(X-X(X'X)^{-1}X'X)\hat\beta\\ &=&y'(X-X)\hat\beta=0 \end{eqnarray*}$

который может быть измененчтобы

правая часть этого уравнениявидимомутакже является

, как

\frac{\partial S S R}{\partial \hat{α}} = - 2 \sum_{i} (y_{i} - \hat{α} - \hat{β} x_{i}) = 0,

$\frac{\partial SSR}{\partial\hat\alpha}=-2\sum_i(y_i-\hat\alpha-\hat\beta x_i)=0,$

\sum_{i} y_{i} = n \hat{α} + \hat{β} \sum_{i} x_{i}

$\sum_i y_i=n\hat\alpha+\hat\beta\sum_ix_i$

\sum_{i = 1}^{n} {\hat{y}}_{i}

$\sum_{i=1}^n\hat y_i$

{\hat{y}}_{i} = \hat{α} + \hat{β} x_{i}

$\hat y_i=\hat\alpha+\hat\beta x_i$

— Кристоф Ханк
источник

3

$SST = SSR + SSE$

$SST$ ) with one explanatory variable, X, then there are exactly two sources of variability. First, there is the variability captured by X (Sum Square Regression), and second, there is the variability not captured by X (Sum Square Error). Hence, $SST = SSR + SSE$ (exact equality).

(2) Geometric intuition

Please see the first few pictures here (especially the third): https://sites.google.com/site/modernprogramevaluation/variance-and-bias

Some of the total variation in the data (distance from datapoint to $\bar{Y}$ ) is captured by the regression line (the distance from the regression line to $\bar{Y}$ ) and error (distance from the point to the regression line). There's not room left for $SST$ to be greater than $SSE + SSR$ .

(3) The problem with your illustration

You can't look at SSE and SSR in a pointwise fashion. For a particular point, the residual may be large, so that there is more error than explanatory power from X. However, for other points, the residual will be small, so that the regression line explains a lot of the variability. They will balance out and ultimately $SST = SSR + SSE$ . Of course this is not rigorous, but you can find proofs like the above.

Also notice that regression will not be defined for one point: $b_1 = \frac{\sum(X_i -\bar{X})(Y_i-\bar{Y}) }{\sum (X_i -\bar{X})^2}$ , and you can see that the denominator will be zero, making estimation undefined.

Hope this helps.

--Ryan M.

— RMurphy
источник

1

When an intercept is included in linear regression(sum of residuals is zero), $SST=SSE+SSR$ .

prove

\begin{array}{rcl} S S T & = & \sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - \bar{y})^{2} \\ = & \sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - {\hat{y}}_{i} + {\hat{y}}_{i} - \bar{y})^{2} \\ = & \sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - {\hat{y}}_{i})^{2} + 2 \sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - {\hat{y}}_{i}) ({\hat{y}}_{i} - \bar{y}) + \sum_{i = 1}^{n} ({\hat{y}}_{i} - \bar{y})^{2} \\ = & S S E + S S R + 2 \sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - {\hat{y}}_{i}) ({\hat{y}}_{i} - \bar{y}) \end{array}

$\begin{eqnarray*} SST&=&\sum_{i=1}^n (y_i-\bar y)^2\\&=&\sum_{i=1}^n (y_i-\hat y_i+\hat y_i-\bar y)^2\\&=&\sum_{i=1}^n (y_i-\hat y_i)^2+2\sum_{i=1}^n(y_i-\hat y_i)(\hat y_i-\bar y)+\sum_{i=1}^n(\hat y_i-\bar y)^2\\&=&SSE+SSR+2\sum_{i=1}^n(y_i-\hat y_i)(\hat y_i-\bar y) \end{eqnarray*}$ Just need to prove last part is equal to 0:

\begin{array}{rcl} \sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - {\hat{y}}_{i}) ({\hat{y}}_{i} - \bar{y}) & = & \sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - β_{0} - β_{1} x_{i}) (β_{0} + β_{1} x_{i} - \bar{y}) \\ = & (β_{0} - \bar{y}) \sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - β_{0} - β_{1} x_{i}) + β_{1} \sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - β_{0} - β_{1} x_{i}) x_{i} \end{array}

$\begin{eqnarray*} \sum_{i=1}^n(y_i-\hat y_i)(\hat y_i-\bar y)&=&\sum_{i=1}^n(y_i-\beta_0-\beta_1x_i)(\beta_0+\beta_1x_i-\bar y)\\&=&(\beta_0-\bar y)\sum_{i=1}^n(y_i-\beta_0-\beta_1x_i)+\beta_1\sum_{i=1}^n(y_i-\beta_0-\beta_1x_i)x_i \end{eqnarray*}$ In Least squares regression, the sum of the squares of the errors is minimized.

S S E = \sum_{i = 1}^{n} {(e_{i})}^{2} = \sum_{i = 1}^{n} {(y_{i} - \hat{y_{i}})}^{2} = \sum_{i = 1}^{n} {(y_{i} - β_{0} - β_{1} x_{i})}^{2}

$SSE=\displaystyle\sum\limits_{i=1}^n \left(e_i \right)^2= \sum_{i=1}^n\left(y_i - \hat{y_i} \right)^2= \sum_{i=1}^n\left(y_i -\beta_0- \beta_1x_i\right)^2$ Take the partial derivative of SSE with respect to

β_{0}

$\beta_0$ and setting it to zero.

\frac{\partial S S E}{\partial β_{0}} = \sum_{i = 1}^{n} 2 {(y_{i} - β_{0} - β_{1} x_{i})}^{1} = 0

$\frac{\partial{SSE}}{\partial{\beta_0}} = \sum_{i=1}^n 2\left(y_i - \beta_0 - \beta_1x_i\right)^1 = 0$ So

\sum_{i = 1}^{n} {(y_{i} - β_{0} - β_{1} x_{i})}^{1} = 0

$\sum_{i=1}^n \left(y_i - \beta_0 - \beta_1x_i\right)^1 = 0$ Take the partial derivative of SSE with respect to

β_{1}

$\beta_1$ and setting it to zero.

\frac{\partial S S E}{\partial β_{1}} = \sum_{i = 1}^{n} 2 {(y_{i} - β_{0} - β_{1} x_{i})}^{1} x_{i} = 0

$\frac{\partial{SSE}}{\partial{\beta_1}} = \sum_{i=1}^n 2\left(y_i - \beta_0 - \beta_1x_i\right)^1 x_i = 0$ So

\sum_{i = 1}^{n} {(y_{i} - β_{0} - β_{1} x_{i})}^{1} x_{i} = 0

$\sum_{i=1}^n \left(y_i - \beta_0 - \beta_1x_i\right)^1 x_i = 0$ Hence,

\sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - {\hat{y}}_{i}) ({\hat{y}}_{i} - \bar{y}) = (β_{0} - \bar{y}) \sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - β_{0} - β_{1} x_{i}) + β_{1} \sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - β_{0} - β_{1} x_{i}) x_{i} = 0

$\sum_{i=1}^n(y_i-\hat y_i)(\hat y_i-\bar y)=(\beta_0-\bar y)\sum_{i=1}^n(y_i-\beta_0-\beta_1x_i)+\beta_1\sum_{i=1}^n(y_i-\beta_0-\beta_1x_i)x_i=0$

S S T = S S E + S S R + 2 \sum_{i = 1}^{n} (y_{i} - {\hat{y}}_{i}) ({\hat{y}}_{i} - \bar{y}) = S S E + S S R

$SST=SSE+SSR+2\sum_{i=1}^n(y_i-\hat y_i)(\hat y_i-\bar y)=SSE+SSR$

— DavidCruise
источник

1

This is just the Pythagorean theorem! enter image description here

— user0
источник

stats.stackexchange.com/q/71620/171583, stats.stackexchange.com/a/256532/171583.

— ayorgo