Условное ожидание R-квадрата


18

Рассмотрим простую линейную модель:

Yy = X ′ ββ + ϵ

yy=X′ββ+ϵ

где ε я ~ я . я . д .N ( 0 , сг 2 )ϵi∼i.i.d.N(0,σ2) и Х ∈ R п × рX∈Rn×p , р ≥ 2p≥2 и ХX содержит столбец констант.

Мой вопрос заключается в том, что, учитывая E ( X ′ X )E(X′X) , ββ и σσ , существует ли формула для нетривиальной верхней границы E ( R 2 )E(R2) *? (при условии, что модель была оценена OLS).

* Я предполагал, написав это, что получение E ( R 2 )E(R2) само по себе было бы невозможно.

EDIT1

используя решение, полученное Стефаном Лораном (см. ниже), мы можем получить нетривиальную верхнюю оценку на E ( R 2 )E(R2) . Некоторые численные расчеты (ниже) показывают, что эта граница на самом деле довольно тесная.

Стефан Лоран вывел следующее: R 2 ∼ B ( p - 1 , n - p , λ ),R2∼B(p−1,n−p,λ) где B ( p - 1 , n - p , λ )B(p−1,n−p,λ) - нецентральное бета-распределение с параметром нецентральности λ,λ где

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

λ=||X′β−E(X)′β1n||2σ2

Так

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)

где χ 2 k ( λ ) - нецентральный χ 2 с параметром λ и k степенями свободы. Так нетривиальным верхняя граница для Е ( R 2 ) являетсяχ2k(λ)χ2λkE(R2)

λ + p - 1λ + n - 1

λ+p−1λ+n−1

это очень туго (гораздо жестче, чем я ожидал, возможно):

например, используя:

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)

среднее значение R 2 более 1000 моделирований . Теоретическая верхняя граница выше дает . Оценка представляется одинаково точной для многих значений RR20.9608190.9609081 2 . Действительно поразительно!R2

EDIT2:

после дальнейших исследований выясняется, что качество приближения верхней границы к E ( R 2 ) будет улучшаться с увеличением λ + p (и при прочих равных условиях λ возрастает с ростом n ).E(R2)λ+pλn


R 2 имеет бета-распределение с параметрами, зависящими только от n и p . Нет? R2np
— Стефан Лоран

1
Ооппсс, извините, мое предыдущее утверждение верно только в рамках гипотезы «нулевой модели» (только перехват). В противном случае распределение R 2 должно быть чем-то вроде нецентрального бета-распределения с параметром нецентральности, включающим неизвестные параметры. R2
— Стефан Лоран

@ StéphaneLaurent: спасибо. Будете ли вы знать больше о связи между неизвестными параметрами и параметрами бета-версии? Я застрял, так что любой указатель будет приветствоваться ...
— user603

Вам абсолютно необходимо иметь дело с E [ R 2 ] ? Возможно, существует простая точная формула для E [ R 2 / ( 1 - R 2 ) ] . E[R2]E[R2/(1−R2)]
— Стефан Лоран

1
С помощью обозначений моего ответа R 2 / ( 1 - R 2 ) = k F для некоторого скаляра k, и первый момент нецентрального F- распределения прост. R2/(1−R2)=kFkF
— Стефан Лоран

Ответы:


13

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 Z. And P⊥ denotes projection on the orthogonal.
— Stéphane Laurent

1
Beware of Px≠‖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
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.