Goodness-of-Fit

这节的要点就是 R2 有三种计算方法:

var(y.hat) / var(y)

1 - var(u.hat) / var(y)

cor(y, y.hat)^2

Coefficient of determination

根据 Projection Matrix 和 Annihilator Matrix 的性质

Y^TY^=(PY)T(PY)=YTPY=YT(I−M)Y=YTY−(MY)T(MY)=YTY−eTe

由此得到平方和分解法则

YTY=Y^TY^+eTe

回归方程中心化后应用平方和分解法则可得

(M0Y)T(M0Y)=(M0Y^)T(M0Y^)+eTeYTM0Y=Y^M0Y^+eTe(Y−Y¯)T(Y−Y¯)⏟SST=(Y^−Y¯)T(Y^−Y¯)⏟SSE+eTe⏟SSR

定义 uncenterd R-squared 为

Ru2=Y^TY^YTY=1−eTeYTY

定义 centered R-squared 为

R2=SSESST=1−SSRSST

uncenterd R-quared 可以看作将模型未解释的信息和总信息(即没有模型)比较,而 centered R-squared 是将模型未解释的信息和最简模型(常数项回归)未解释的信息比较。后者更切实际也更常用。

定义 adjust R-squared 为

R¯2=1−SSR/n−kSST/n−1=1−(1−R2)n−1n−k

其中,SST 的自由度相当于 Y 的维度减去 Y¯ 占用的一个维度;SSR 的自由度相当于残差的维度,而残差的维度即在投影过程中失去的维度,恰好等于消去矩阵的迹 Tr(M)=n−k,;类似地,SSE 的自由度相当于投影到 span(X) 的维度,恰好等于投影矩阵的迹 Tr(P)=k

Theorem R2 相当于因变量真值 Y 和拟合值 Y^ 的样本相关系数的平方,即

R2=r(Y,Y^)2

Proof.

样本相关系数为

r(Y,Y^)=Cov(Y,Y^)Var(Y)Var(Y^)=(M0Y)T(M0Y^)(YTM0Y)(Y^TM0Y^)

其中 M0Y=M0(Y^+e)=M0Y^,因此

r(Y,Y^)2=(Y^TM0Y^)2(YTM0Y)(Y^TM0Y^)=Y^TM0Y^YTM0Y=SSESST=R2

附录:no matrix

总离差为

Yi−Y¯=(Yi−Y^i)+(Y^i−Y¯)

总离差平方和为

∑(Yi−Y¯)2=∑[e^i+(Y^i−Y¯)]2=∑e^i2+∑(Y^i−Y¯)2+2∑e^i(Y^i−Y¯)

其中

∑e^i(Y^i−Y¯)=∑e^iY^i+Y¯∑e^i=∑e^i(XiTβ)=β∑[e^iXi1,…,e^iXik]=0

定义

SST≡∑(Yi−Y¯)2SSE≡∑(Y^i−Y^i¯)2=∑(Y^i−Y¯)2SSR≡∑(e^i−e^i¯)2=∑e^i2

从而有

SST=SSE+SSR

定义

R2≡SSESST=1−SSRSST=∑(Y^i−Y¯)2∑(Yi−Y¯)2

可以证明,R2 等价于 Y 与 Y^ 相关系数的平方