Аналитическое решение для оценки коэффициента линейной регрессии


9

Я пытаюсь понять матричные обозначения и работаю с векторами и матрицами.

Сейчас я хотел бы понять , как вектор коэффициентов оценки & betaβ^ в множественной регрессии вычисляется.

Основное уравнение, кажется,

ddβ(y−Xβ)′(y−Xβ)=0.

Теперь, как бы я решил для вектораβ здесь?

редактировать : Подожди, я застрял. Я здесь и не знаю, как продолжить

ddβ((y1y2⋮yn)−(1x11x12…x1p1x21x22…x2p⋮⋮1xn1xn2…xnp)(β0β1⋮βp))′((y1y2⋮yn)−(1x11x12…x1p1x21x22…x2p⋮⋮1xn1xn2…xnp)(β0β1⋮βp))

ddβ∑i=1n(yi−(1xi1xi2…xip)(β0β1⋮βp))2

С для всехяxi0=1i являюсь перехват:

ddβ∑i=1n(yi−∑k=0pxikβk)2

Можете ли вы указать мне правильное направление?


@GaBorgulya, спасибо за редактирование, не знали smallmatrix, поэтому не пытались редактировать, так как обычное решение разбиения формулы в несколько строк здесь бы не сработало.
— mpiktas

Ответы:


12

У нас есть

ddβ(y−Xβ)′(y−Xβ)=−2X′(y−Xβ).

Это можно показать, написав уравнение явно с компонентами. Например, напишите вместо β . Затем возьмите производные по β 1 , β 2 , ..., β p и сложите все, чтобы получить ответ. Для быстрой и простой иллюстрации вы можете начать с p = 2(β1,…,βp)′ββ1β2βpp=2 .

С опытом вырабатываете общие правила, некоторые из которых приведены, например, в этом документе. .

Изменить руководство по добавленной части вопроса

При имеемp=2

(y−Xβ)′(y−Xβ)=(y1−x11β1−x12β2)2+(y2−x21β1−x22β2)2

Производная по имеет видβ1

−2x11(y1−x11β1−x12β2)−2x21(y2−x21β1−x22β2)

Аналогично, производная по имеет видβ2

−2x12(y1−x11β1−x12β2)−2x22(y2−x21β1−x22β2)

Следовательно, производная по имеет видβ=(β1,β2)′

(−2x11(y1−x11β1−x12β2)−2x21(y2−x21β1−x22β2)−2x12(y1−x11β1−x12β2)−2x22(y2−x21β1−x22β2))

Теперь обратите внимание, что вы можете переписать последнее выражение как

−2(x11x21x12x22)(y1−x11β1−x12β2y2−x21β1−x22β2)=−2X′(y−Xβ)

Конечно, все сделано таким же образом для большего .p


Круто, я искал именно этот тип PDF. Благодаря тонну!
— Александр Энгельхардт,

О, я думал, что смогу сделать это сам сейчас, но не могу. Можете ли вы сказать мне, если мои шаги верны или я должен пойти «другим путем», чтобы решить эту проблему?
— Александр Энгельхардт,

@Alexx Hardt: Мое первое уравнение в редактировании совпадает с вашим последним уравнением в конкретном случае, когда p = 2. Таким образом, вы можете имитировать мои вычисления для компонентов 3, 4, ..., p.
— Октябрь

Еще раз спасибо :) Я думаю, что на самом деле я буду использовать все три предложения. Я создаю .pdf, который объясняет и суммирует базовую алгебру матриц статистики, потому что я почему-то никогда не хотел изучать ее, когда учил на своих уроках. Надеюсь, решение этой проблемы тремя различными способами поможет мне лучше понять ее.
— Александр Энгельгардт,

О, но это для p = 2 и n = 2, верно? Я запишу это с n = 3, я думаю.
— Александр Энгельхардт,

13

Вы также можете использовать формулы из поваренной книги Matrix . У нас есть

(y−Xβ)′(y−Xβ)=y′y−β′X′y−y′Xβ+β′X′Xβ

Теперь возьмите производные каждого термина. Вы можете заметить, что . Производная от термина у ' у относительно р равен нулю. Оставшийся срокβ′X′y=y′Xβy′yβ

β′X′Xβ−2y′Xβ

имеет форму функции

f(x)=x′Ax+b′x,

в формуле (88) в книге на стр. 11, где , A = X ′ X и b = - 2 X ′ y . Производная дается в формуле (89):x=βA=X′Xb=−2X′y

∂f∂x=(A+A′)x+b

так

∂∂β(y−Xβ)′(y−Xβ)=(X′X+(X′X)′)β−2X′y

Теперь, поскольку мы получаем желаемое решение:(X′X)′=X′X

X′Xβ=X′y

+1 mpiktas: Ваше решение более изобретательно, чем мое, и я думаю, что его следует использовать в более сложных практических ситуациях.
— Октябрь

1
@окрам, спасибо. Я бы не назвал это гениальным, это стандартное применение существующих формул. Вам просто нужно знать формулы :)
— mpiktas

8

Вот методика минимизации суммы квадратов в регрессии, которая на самом деле имеет применение к более общим настройкам и которую я считаю полезной.

Попробуем вообще избежать векторно-матричного исчисления.

Предположим, что мы заинтересованы в минимизации Где у ∈ R п , X ∈ R п × р и & beta ; ∈ R р . Для простоты будем считать, что p ≤ n и r a n k ( X ) = p .

Езнак равно(Y-Иксβ)T(Y-Иксβ)знак равно| |Y-Иксβ| |22,
Y∈рNИкс∈рN×пβ∈рпп≤NрaNК(Икс)знак равноп

Для любого & beta ; ∈ R р , получим Е = ‖ у - Х & beta ; + Х & beta ; - Х & beta ; | | 2 2 = | | у - Х & beta ; | | 2 2 + | | Х ( & beta ; - & beta ; ) | | 2 2 - 2 ( β - β ) Т Х Т ( уβ^∈рп

E=‖y−Xβ^+Xβ^−Xβ‖22=‖y−Xβ^‖22+‖X(β−β^)‖22−2(β−β^)TXT(y−Xβ^).

β^ βminβE≥‖y−Xβ^‖22

(β−β^)TXT(y−Xβ^)=0β тогда и только тогда , когдаИксT(Y-Иксβ^)знак равно0 и это последнее уравнение верно, если и только если ИксTИксβ^знак равноИксTY, ТакЕ сводится к минимуму, принимая β^знак равно(ИксTИкс)-1ИксTY,


Хотя это может показаться «уловкой», позволяющей избежать исчисления, на самом деле оно имеет более широкое применение и в игре присутствует интересная геометрия.

Один пример, где этот метод делает вывод намного проще, чем любой подход матрично-векторного исчисления, - это когда мы обобщаем на случай матрицы. ПозволятьY∈рN×п, Икс∈рN×Q а также В∈рQ×п, Предположим, мы хотим минимизировать

Езнак равноTр((Y-ИксВ)Σ-1(Y-ИксВ)T)
по всей матрице Впараметров. ВотΣ ковариационная матрица

Совершенно аналогичный подход к вышесказанному быстро устанавливает, что минимум Е достигается путем принятия

В^знак равно(ИксTИкс)-1ИксTY,
То есть в настройке регрессии, где ответом является вектор с ковариациейΣ и наблюдения являются независимыми, то оценка OLS достигается путем п отдельные линейные регрессии на составляющие ответа.

К счастью, правила форума позволяют добавлять +1 к каждому ответу. Спасибо за образование, ребята!
— DWin

@DWin, ты хотел разместить это под комментариями к вопросу?
— кардинал

Я полагаю, что мог бы иметь. Я последовательно прошел через вопрос, а затем все ответы (после того как обработка MathML перестала дергаться) и нашел каждый из ответов информативным. Я просто оставил свой комментарий на вашем, потому что это было то место, где я перестал читать.
— DWin

1
@DWin, yes, the rendering is a bit funky. I thought you might have intended the comment for another post since this one has no votes (up or down) and so the comment seemed to be out of place. Cheers.
— cardinal

1
@cardinal +1, useful trick. This question turned out to be a pretty good reference.
— mpiktas

6

One way which may help you understand is to not use matrix algebra, and differentiate with each respect to each component, and then "store" the results in a column vector. So we have:

∂∂βk∑i=1N(Yi−∑j=1pXijβj)2=0

Now you have p of these equations, one for each beta. This is a simple application of the chain rule:

∑i=1N2(Yi−∑j=1pXijβj)1(∂∂βk[Yi−∑j=1pXijβj])=0
−2∑i=1NXik(Yi−∑j=1pXijβj)=0

Now we can re-write the sum inside the bracket as ∑j=1pXijβj=xiTβ So you get:

∑i=1NXikYi−∑i=1NXikxiTβ=0

Now we have p of these equations, and we will "stack them" in a column vector. Notice how Xik is the only term which depends on k, so we can stack this into the vector xi and we get:

∑i=1NxiYi=∑i=1NxixiTβ

Now we can take the beta outside the sum (but must stay on RHS of sum), and then take the invervse:

(∑i=1NxixiT)−1∑i=1NxiYi=β
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.