Least Squares Estimator

Definition

根据 Linear Projection Model#求解参数 可知

S(b)=E[(YXTb2)]

The moment estimator of S(b) is

S^(b)=1ni=1n(YiXiTb)2

define β^ as the minimizer of S^(b)

β^argminbRkS^(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(YiXiTβ)2,易知

β^argminbRkS^(b)=argminbRkSSR(b)

写作矩阵形式

β^argminbRkSSR(b)=argminbRkeTe

先展开再求导:

eTe=(YXb)T(YXb)=YTYYTXbbTXTY+bTXTXb=YTY2bTXTY+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)bbT=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(※)=2eT(b)be(b)=0=2XT(YXb)=0

其中

eT(b)b=(YXb)Tb=XT

Residual Properties

根据前面的(※)可知

XTe=0k×1

若自变量包含常数项,则有

[1nTX1TXk1T]e=01nTe=0e¯=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(YiXib)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=1nXiYii=1nXi2

多变量回归的情形

SSR(b)=i=1n(YiXiTb)(YiXiTb)=i=1nYi22i=1nYiXiTb+i=1nXiTbXiTb=i=1nYi22bTi=1nXiYi+bTi=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=2i=1nXiYi+[(i=1nXiXiT)+(i=1nXiXiT)T]b=2i=1nXiYi+2i=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)bbT=2i=1nXiXiT

which is a positive semi-definite matrix

二阶条件对应总体模型的假设 E(XXT)O