Как вывести оценку наименьших квадратов для множественной линейной регрессии?


30

В случае простой линейной регрессии вы можете получить оценку наименьших квадратов , что вам не нужно знать чтобы оценитьβ 1 = Σ ( х я - ˉ х ) ( у я - ˉ у )y=β0+β1xβ 0 β 1β^1=(xix¯)(yiy¯)(xix¯)2β^0β^1

Предположим, у меня есть , как мне получить без оценки ? или это невозможно?β 1 β 2y=β1x1+β2x2β^1β^2


1
Вы можете опустить одну из переменных и все же получить несмещенную оценку другой, если они независимы.
Давид25272

Ответы:


51

Вывод в матричной записи

Начиная с , что на самом деле так же, какy=Xb+ϵ

[y1y2yN]=[x11x12x1Kx21x22x2KxN1xN2xNK][b1b2bK]+[ϵ1ϵ2ϵN]

все это сводится к minimzing :ee

ϵϵ=[e1e2eN][e1e2eN]=i=1Nei2

Таким образом, минимизация дает нам:ee

e e = ( y - X b ) ( y - X b )minb ee=(yXb)(yXb)

е ' е = у ' у - 2 б ' X ' у + б ' Х ' Х Ьminb ee=yy2bXy+bXXb

(ee)b=2Xy+2XXb=!0

XXb=Xy

b=(XX)1Xy

Последнее математическое условие, условие второго порядка для минимума требует, чтобы матрица была положительно определенной. Это требование выполняется, если имеет полный ранг.XXXX

Более точный вывод, который проходит через все этапы в большей глубине, можно найти в http://economictheoryblog.com/2015/02/19/ols_estimator/


3
Этот вывод - именно то, что я искал. Нет пропущенных шагов. Удивительно, насколько сложно найти такой же.
Джавадба

1
В матричном уравнении второе не должно *быть +? Кроме того, не должно ли быть вместо чтобы размеры соответствовали? б NbKbN
Алексис Олсон

Алексис Олсон, ты прав! Я отредактировал свой ответ.
Андреас Дибиаси

13

Можно оценить только один коэффициент в множественной регрессии без оценки других.

Оценка получается путем удаления эффектов от других переменных и последующей регрессии остатков отношению к остаткам . Это объясняется и иллюстрируется. Как именно один контролирует другие переменные? и Как нормализовать (а) коэффициент регрессии? , Прелесть этого подхода в том, что он не требует исчисления, линейной алгебры, может быть визуализирован с использованием только двумерной геометрии, численно стабилен и использует только одну фундаментальную идею множественной регрессии: идею исключения (или «контроля за»). ) влияние одной переменной.x 2 y x 1β1x2yx1


В данном случае множественная регрессия может быть выполнена с использованием трех обычных шагов регрессии:

  1. Регресс на (без постоянного члена!). Пусть подгонка будет . Оценка: Поэтому остатки Геометрически, - это то, что осталось от после вычитания его проекции на .x 2 y = α y , 2 x 2 + δ α y , 2 = i y i x 2 iyx2y=αy,2x2+δδ=y-αy,2x2. δух2

    αy,2=iyix2iix2i2.
    δ=yαy,2x2.
    δyx2
  2. Регресс на (без постоянного члена). Пусть подгонка будет . Оценка составляетОстатки:Геометрически, - это то, что осталось от после вычитания его проекции на .x1x2x1=α1,2x2+γ

    α1,2=ix1ix2iix2i2.
    γ=x1α1,2x2.
    γx1x2
  3. Регресс on (без постоянного члена). Это оценкаПодгонка будет . Геометрически, является компонентом (который представляет с ) в направлении (который представляет с ).δγ

    β^1=iδiγiiγi2.
    δ=β^1γ+εβ^1δyx2γx1x2

Обратите внимание, что не был оценен. β2 Его легко можно восстановить из того, что было получено до сих пор (точно так же, как в обычном регрессионном случае легко получить из оценки наклона ). являются остатки для двухмерного регрессии на и .β^0β^1εyx1x2

Сильна параллель с обычной регрессией: шаги (1) и (2) являются аналогами вычитания средних в обычной формуле. Если вы позволите быть вектором единиц, вы фактически восстановите обычную формулу.x2

Это обобщает очевидным образом регрессию с более чем двумя переменными: для оценки , регрессии и отдельно для всех остальных переменных, а затем регрессии их остатков друг против друга. В этот момент ни один из других коэффициентов в множественной регрессии еще не был оценен.β^1yx1y


1
Отличный ответ, вот общая теорема en.wikipedia.org/wiki/…
JohnK

4

Обычная оценка наименьших квадратов является линейной функцией переменной откликаβ . Проще говоря, оценка OLS коэффициентов, , может быть записана с использованием только зависимой переменной ( ) и независимых переменных ( ').βYiXki

Чтобы объяснить этот факт для общей регрессионной модели, вам необходимо понять небольшую линейную алгебру. Предположим, вы хотите оценить коэффициенты в модели множественной регрессии,(β0,β1,...,βk)

Yi=β0+β1X1i+...+βkXki+ϵi

где для . Матрица проектирования представляет собой матрицу где каждый столбец содержит наблюдений зависимой переменной . Вы можете найти много объяснений и выкладок здесь формул используются для расчета оценки коэффициентов , чтоя = 1 , . , , , n X n × k n k t h X kϵiiidN(0,σ2)i=1,...,nXn×knkthXkβ^=(β^0,β^1,...,β^k)

β^=(XX)1XY

предполагая, что существует обратное . Расчетные коэффициенты являются функциями данных, а не других расчетных коэффициентов.(XX)1


У меня есть дополнительный вопрос, в случае простой регрессии вы делаете тогда становится матрицей и , затем выполните . Как мне переписать уравнение в моем случае? yi=β0+β1x¯+β1(xix¯)+eiX(1,...,1)(x1x¯,...,xnx¯)β^=(XX)(1)XY
Сабер CN

И еще один вопрос, относится ли это к случаям, когда и не являются линейными, но модель все еще линейна? Например, кривая затухания , могу ли я заменить экспоненту и чтобы она стала моим первоначальным вопросом? x1x2y=β1ex1t+β2ex2tx1x2
Сабер CN

В своем первом комментарии вы можете отцентрировать переменную (вычесть из нее ее среднее значение) и использовать ее в качестве независимой переменной. Поиск "стандартизированной регрессии". Формула, которую вы написали в терминах матриц, неверна. Что касается вашего второго вопроса, да, вы можете сделать это, линейная модель - это линейная модель в , поэтому, если равен линейной комбинации из , у вас все в порядке. βyβ
Caburke

2
(+1). Но не должно ли это быть " matrix" вместо ? n×kk×n
миура

3

Небольшое небольшое замечание о теории и практике. Математически можно оценить по следующей формуле:β0,β1,β2...βn

β^=(XX)1XY

где - исходные входные данные, а - переменная, которую мы хотим оценить. Это следует из минимизации ошибки. Я докажу это, прежде чем высказать небольшое практическое замечание.XY

Пусть - ошибка, которую линейная регрессия совершает в точке . Затем:eii

ei=yiyi^

Общая квадратичная ошибка, которую мы делаем сейчас:

i=1nei2=i=1n(yiyi^)2

Поскольку у нас есть линейная модель, мы знаем, что:

yi^=β0+β1x1,i+β2x2,i+...+βnxn,i

Который может быть переписан в матричной записи как:

Y^=Xβ

Мы знаем это

i=1nei2=EE

Мы хотим минимизировать общую квадратную ошибку, чтобы следующее выражение было как можно меньше

EE=(YY^)(YY^)

Это равно:

EE=(YXβ)(YXβ)

Переписывание может показаться запутанным, но это следует из линейной алгебры. Обратите внимание, что матрицы ведут себя подобно переменным, когда мы умножаем их в некоторых отношениях.

Мы хотим найти значения , чтобы это выражение было как можно меньше. Нам нужно будет дифференцировать и установить производную равной нулю. Здесь мы используем цепное правило.β

dEEdβ=2XY+2XXβ=0

Это дает:

XXβ=XY

Так, что в конечном итоге:

β=(XX)1XY

Математически мы, кажется, нашли решение. Однако есть одна проблема, которая заключается в том, что очень трудно вычислить, если матрица очень очень большая. Это может привести к проблемам с числовой точностью. Другой способ найти оптимальные значения для в этой ситуации - использовать метод градиентного спуска. Функция, которую мы хотим оптимизировать, является неограниченной и выпуклой, поэтому мы также будем использовать метод градиента на практике, если это будет необходимо. (XX)1Xβ


за исключением того, что вам на самом деле не нужно вычислять ...(XX)1
user603

действительная точка. Можно также использовать процесс Грамма Шмидта, но я просто хотел отметить, что поиск оптимальных значений для вектора также может быть выполнен численно из-за выпуклости. β
Винсент Вармердам

2

Простой вывод можно сделать, просто используя геометрическую интерпретацию LR.

Линейный регрессионный можно интерпретировать как проекции на колонку пространства . Таким образом, ошибка, ортогонален к колонке пространства . YXϵ^X

Следовательно, внутреннее произведение между и ошибкой должно быть 0, т.е. X

<X,yXβ^>=0

XyXXβ^=0

Xy=XXβ^

Что подразумевает это,

(XX)1Xy=β^ .

Теперь то же самое можно сделать:

(1) Проецирование на (ошибка ), ,YX2δ=YX2D^D^=(X2X2)1X2y

(2) Проецирование на (ошибка ), ,X1X2γ=X1X2G^G^=(X1X1)1X1X2

и наконец,

(3) Проецирование на ,δγβ^1

введите описание изображения здесь

Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.