Least Squares Estimator

Definition

根据 Linear Projection Model#求解参数 可知

S(b)=E[(Y−XTb2)]

The moment estimator of S(b) is

S^(b)=1n∑i=1n(Yi−XiTb)2

define β^ as the minimizer of S^(b)

β^≡arg⁡minb∈Rk⁡S^(b)

and call β^ as the least squares estimator of β

注意,β 是总体参数,是一个数;β^ 是一个样本估计量,是一个随机变量,其随机性来源于抽样。

Solution

定义 Sum of Squared Risiduals 为 SSR(b)≡nS^(b)=∑i=1n(Yi−XiTβ)2,易知

β^≡arg⁡minb∈Rk⁡S^(b)=arg⁡minb∈Rk⁡SSR(b)

写作矩阵形式

β^≡arg⁡minb∈Rk⁡SSR(b)=arg⁡minb∈Rk⁡eTe

先展开再求导:

eTe=(Y−Xb)T(Y−Xb)=YTY−YTXb−bTXTY+bTXTXb=YTY−2bTXTY+bTXTXb

F.O.C.(称之为正规方程组)

∂SSR(b)∂b=−2XTY+2XTXb=0

therefore

β^≡(XTX)−1(XTY)

S.O.C.

∂2SSR(b)∂b∂bT=2XTX

这要求 XTX 是正定矩阵。

也可以先求导再展开:
F.O.C. (前导不变,后导转置)

∂SSR(b)∂b=∂eT(b)e(b)∂b=∂eT(b)∂be(b)+[eT(b)∂e(b)∂b]T(※)=2∂eT(b)∂be(b)=0=−2XT(Y−Xb)=0

其中

∂eT(b)∂b=∂(Y−Xb)T∂b=−XT

Residual Properties

根据前面的(※)可知

XTe=0k×1

若自变量包含常数项,则有

[1nTX1T⋮Xk−1T]e=0⟹1nTe=0⟹e¯=0

若自变量包含虚拟变量,则残差的分组均值为零。


附录:no-matrix calculus

单变量回归的情形

SSR(b)=∑i=1n(Yi−Xib)2=(∑i=1nYi2)+2b(∑i=1nXiYi)+b2(∑i=1nXi2)

F.O.C

dSSR(b)db=2(∑i=1nXiYi)+2b(∑i=1nXi2)=0

therefore

β^≡∑i=1nXiYi∑i=1nXi2

多变量回归的情形

SSR(b)=∑i=1n(Yi−XiTb)(Yi−XiTb)=∑i=1nYi2−2∑i=1nYiXiTb+∑i=1nXiTbXiTb=∑i=1nYi2−2bT∑i=1nXiYi+bT∑i=1nXiXiTb

注意:XiTb 是一个数因此转置后不变,即 XiTb=bTXi,这样变换将有助于后续应用矩阵求导公式。

F.O.C.

dSSR(b)db=−2∑i=1nXiYi+[(∑i=1nXiXiT)+(∑i=1nXiXiT)T]b=−2∑i=1nXiYi+2∑i=1nXiXiTb=0

注意:∑i=1nXiXiT 是一个对称矩阵所以转置后不变。

therefore

β^≡(∑i=1nXiXiT)−1(∑i=1nXiYi)

S.O.C

∂SSR(b)∂b∂bT=2∑i=1nXiXiT

which is a positive semi-definite matrix

二阶条件对应总体模型的假设 E(XXT)≻O